Вопрос жизни. Энергия, эволюция и происхождение сложности - Лейн Николас

Старинные водяные мельницы и современные гидроэлектростанции работают благодаря направленному движению потоков воды. Если перегородить реку плотиной и оставить в ней небольшое отверстие, напор воды будет гораздо мощнее и его хватит, чтобы крутить мельничное колесо. А если позволить потоку течь по широкому руслу, напор уменьшится.

Клетки живых организмов работают по тому же принципу. Метаболический путь можно сравнить с руслом, по которому “течет” углерод. В метаболическом пути последовательность химических реакций катализируется рядом поочередно действующих ферментов. Продукт реакции, катализируемой первым ферментом, является субстратом для второго, и т. д. Ферменты служат как бы берегами, в которых течет углерод, и направляют его ход. Органическая молекула входит в метаболический путь, подвергается ряду химических превращений и выходит уже в виде другой молекулы. Последовательность реакций метаболического пути надежно воспроизводится раз за разом, и исходные вещества и продукты однозначно соответствуют друг другу. В клетке одновременно функционирует множество метаболических путей. Это похоже на сеть взаимосвязанных водяных мельниц, где вода всегда с максимальным напором течет по пересекающимся каналам. Благодаря оптимальному распределению потока для роста клеток требуется гораздо меньше углерода и энергии, чем если бы поток не был ограничен. Вместо того чтобы беспорядочно участвовать в реакциях и на каждом шагу терять энергию, молекулы проходят определенный путь превращений – благодаря работе ферментов. Клеткам не нужна река, бегущая к морю: для работы их “мельниц” достаточно маленьких струек. С точки зрения энергетики, мощь ферментов заключается не столько в том, что они ускоряют реакции, сколько в том, что они делают это специфично, максимизируя выход.

Что было на заре возникновения жизни, прежде чем появились ферменты? Поток был гораздо сильнее. Чтобы расти – увеличивать количество органических молекул – и размножаться, требовалось гораздо больше энергии и углерода, чем сейчас. Клетки современных организмов минимизируют свои энергетические запросы, но мы знаем, что им до сих пор приходится использовать колоссальные объемы АТФ – имеющей повсеместное хождение энергетической “валюты”. Даже самые простые клетки, которые получают энергию, осуществляя реакцию водорода с углекислым газом, производят в процессе дыхания в 40 раз больше отходов, нежели полезной биомассы. То есть чтобы получился 1 г новой биомассы, должно образоваться минимум 40 г мусора. Жизнь – это побочный эффект главной реакции, при которой происходит выделение энергии. Так дела обстоят и после 4 млрд лет эволюции. И если даже современные клетки производят биомассы в 40 раз меньше, чем отходов, представьте, как могло обстоять дело у примитивных клеток, когда не было никаких ферментов. Фермент увеличивает скорость реакции в миллионы раз. Уберите его – и выход биомассы уменьшится в миллионы раз. Вполне возможно, что первым клеткам приходилось производить 40 т отходов (буквально грузовик), чтобы создать 1 г живой материи. Если продолжить сравнение потоков углерода и энергии с потоками воды, то первые клетки были вынуждены устраивать настоящее цунами, чтобы колеса их “мельниц” вертелись.

Вопрос о масштабах энергетических затрат имеет смысл при обсуждении всех аспектов происхождения жизни, однако он редко рассматривается достаточно подробно. Учение о происхождении жизни получило экспериментальное развитие в 1953 году, когда был поставлен знаменитый эксперимент Миллера – Юри. В том же году была опубликована статья Уотсона и Крика о структуре ДНК. Влияние двух этих работ на научный мир оказалось огромным. Область исследований происхождения жизни будто накрыло тенью от крыльев двух громадных летучих мышей. В некотором отношении тень подействовала благотворно, но были и печальные последствия. Великолепная сама по себе работа Миллера – Юри утвердила концепцию “первичного бульона”, занимавшую умы двух поколений ученых. А стараниями Уотсона и Крика в центре науки о живом оказалась генетическая информация и ДНК. Им, несомненно, принадлежат ключевые роли в происхождении жизни, но такое увлечение репликацией и происхождением естественного отбора отвлекло ученых от других важных вещей, например от изучения роли энергии.

В 50-х годах в лаборатории нобелевского лауреата Гарольда Юри работал талантливый аспирант Стэнли Миллер. В 1953 году в рамках эксперимента он пропускал электрические разряды через колбу, содержащую пары воды и смесь восстановленных (обогащенных электронами) газов. Электрические разряды имитировали молнии, а состав газовой смеси был приближен к атмосфере Юпитера. В то время считалось, что атмосфера Юпитера похожа на атмосферу древней Земли: богата водородом, метаном и аммиаком[34]. Результаты эксперимента оказались поразительными: Миллеру удалось синтезировать несколько аминокислот – молекул, которые являются структурными единицами белков и выполняют в клетках важнейшие функции. Проблема происхождения жизни показалась неожиданно простой. В начале 50-х годов это взволновало всех гораздо сильнее, чем двойная спираль Уотсона и Крика, сначала не вызвавшая интереса. Миллер, напротив, стал знаменитостью. Его портрет в 1953 году даже появился на обложке журнала “Тайм”. Его работа оказалась весьма плодотворной. Она по-прежнему не теряет своей значимости, так как это первая экспериментальная проверка гипотезы, относящейся к происхождению жизни: будто разряды молний, проходя через атмосферу восстановленных газов, способны порождать “строительные фрагменты”, входящие в состав клеток. До появления первых организмов эти предшественники могли накапливаться в океанах, постепенно превращая их в “первичный бульон”: обогащенный раствор, содержащий органические молекулы.

Хотя сначала открытие Уотсона и Крика мало кого впечатлило, постепенно заклинание “дезоксирибонуклеиновая кислота” стало действовать. Для многих понятие “жизнь” сводится к информации, записанной в ДНК. Согласно такому представлению, происхождение жизни – это происхождение информации, без которой, разумеется, невозможна эволюция под действием естественного отбора. Происхождение информации, в свою очередь, сводится к вопросу о происхождении репликации, то есть о том, как появились первые репликаторы – молекулы, способные создавать копии самих себя. ДНК слишком сложно устроена, поэтому не годится в первичные репликаторы, но РНК (рибонуклеиновая кислота) – ее более простой и реакционноспособный предшественник – вполне подходит на эту роль. РНК – главное звено на пути от ДНК к белкам, она служит катализатором белкового синтеза, а также матрицей, на которой строится белок. Поскольку РНК способна функционировать и как матрица (подобно ДНК), и как катализатор (подобно белкам), можно предположить, что в первичном РНК-мире она служила предшественником белков и ДНК. Но откуда взялись все нуклеотиды: звенья, которые, соединяясь в цепочки, формируют РНК? Из “первичного бульона” – откуда же еще! Конечно, формирование РНК не обязательно происходило в “первичном бульоне”, но это наиболее простое предположение, позволяющее избежать сложных вопросов, связанных с термодинамикой[35] и геохимией, которые встают при обсуждении других вариантов. Что ж, закроем глаза на слишком сложные вопросы, а с остальными разберутся доблестные молекулярные биологи. Если в последние 60 лет что-нибудь и объединяло ученых, работающих над проблемой происхождения жизни, то это концепция “первичного бульона”. В соответствии с ней, “первичный бульон” дал начало РНК-миру. Простые репликаторы постепенно эволюционировали, усложнялись, начали кодировать метаболические ферменты и, наконец, породили мир ДНК, белков и клеток, с которым мы имеем дело сейчас. Согласно этому воззрению, жизнь представляет собой информацию, которая со временем становится все сложнее.