Дикие гены - Хельга Хофман-Зибер

Протоклетки добывали строительные материалы из окружающей среды через мембрану. Возможно, среди них были такие, которые размножались успешнее других. В результате их популяция была более многочисленной, и это стало началом эволюции. Но до совершенства было еще очень далеко. Процесс размножения шел так себе. Какое-то продолжение рода обеспечивалось, но не более того. Разумеется, РНК осуществляли химические реакции, но их перечень был весьма ограничен. Поэтому в какой-то момент на первый план вышли белки, ведь 20 аминокислот – это более разнообразный строительный материал и с их помощью можно эффективно решать большее количество задач, чем с РНК.

Необходимо ясно представлять себе, что генетический код, о котором так много говорят, появился, скорее всего, спустя миллионы лет после возникновения генетической информации. РНК способна хранить два различных вида информации. Во-первых, это генетический код для синтеза белков, а во-вторых, прямая информация о последовательностях собственной структуры, благодаря которым она приобретает трехмерную форму и производит рибозимы.

Если говорить о продолжительности хранения наследственной информации, то РНК не была идеальным решением, поскольку она очень уязвима и подвержена спонтанному распаду. Решением этой проблемы стала ДНК. Ее важнейшим отличием от РНК было наличие в составе несколько иного сахара, который не столь охотно вступает в химические реакции и делает молекулу ДНК более стабильной. О том, что ДНК возникла в ходе развития РНК, говорит и то обстоятельство, что ее компоненты создаются на основе сахаров, образованных из прекурсоров РНК.

На самом деле в гипотезе мира РНК остается нерешенным один из главных вопросов: какие условия должны были сложиться, чтобы первые молекулы РНК достаточно долго сохраняли стабильность и имели возможность размножаться? Как они вообще появились? Здесь идеи становятся весьма расплывчатыми. Однако мы уже знаем, что случайные последовательности РНК могут спонтанно образовываться из собственных строительных материалов в ходе двух (в значительной мере искусственных) сценариев. Во-первых, это может происходить на поверхности глинистого минерала монтмориллонита (названного в честь французского округа Монморийона, где в 1847 году он был обнаружен и описан), а во-вторых, в замерзающей воде.

Правда, некоторые ученые (в том числе и один из основателей мира РНК Лесли Орджел) сомневаются в том, что нестабильная и обладающая довольно сложным химическим составом РНК действительно была самым первым носителем информации. Возможно, до нее существовала другая, более простая и стабильная молекула, исчезнувшая к настоящему времени, на смену которой впоследствии пришла РНК. Такая молекула могла стать первопроходцем, а РНК заняла ее место лишь после того, как в ходе эволюции сложились условия для ее возникновения, а также для более быстрого и эффективного размножения. Но независимо от того, была ли РНК первой или у нее были химические предшественники, функция самого первого гена (если понимать под ним содержательную единицу информации в молекуле-носителе) была чисто эгоистической – размножать самого себя!

Но здесь вопросы о происхождении жизни не заканчиваются, потому что даже короткий фрагмент РНК (или чего-то похожего) представляет собой весьма сложную структуру.

Чтобы она появилась, нужны подходящие строительные материалы. Кроме того, мембраны в мире РНК состояли из жирных кислот, которые тоже должны были откуда-то взяться. Сегодня жирные кислоты, аминокислоты и компоненты РНК и ДНК производятся сложными клеточными механизмами, но как это происходило до возникновения жизни? Ответ на данный вопрос представляет собой последнюю ступеньку крыльца, по которому мы спускаемся на улицу. Давайте сделаем этот шаг.

История поистине захватывающая. У ее истоков стояли русский биохимик Александр Иванович Опарин и английский биолог Джон Холдейн. В 1920-е годы оба предполагали, что на ранних стадиях развития Земли атмосфера состояла из очень агрессивных газов: метана, аммиака и водорода. Под воздействием ударов молний и ультрафиолетового излучения из них получались многочисленные органические вещества, которые накапливались в древних океанах и реагировали друг с другом, образовывая горячий «суп» сложных химических веществ, из которых в конце концов возникли первые живые организмы (Холдейну, кстати, принадлежит аппетитный термин «первичный бульон»).

Подобно бульону, гипотеза Опарина-Холдейна некоторое время варилась сама по себе, пока на сцену не вышел никому прежде не известный молодой ученый по имени Стэнли Миллер. Вообще-то называть его ученым в то время было рановато. Его время пришло немного позже. Стэнли родился в 1930 году в Калифорнии. У него с ранних лет проявилась склонность к естественным наукам. Одноклассники считали его гением химии. Окончив в 1931 году университет в Беркли, он перевелся в Чикагский университет для работы над докторской диссертацией. На одном из семинаров лауреат Нобелевской премии Гарольд Юри выступил с докладом, в котором изложил свои взгляды на возникновение жизни. Он рассказал о первичном бульоне и химических реакциях, происходивших на ранних стадиях существования Земли, а также объяснил, почему атмосфера в то время состояла главным образом из водорода, аммиака и метана. Кроме того, Юри упомянул о том, что до сих пор почти не проводились эксперименты, воссоздающие указанные условия для изучения возможности возникновения жизни. Миллера захватила данная тема, но к тому времени он уже начал работать под руководством физика Эдварда Теллера над докторской диссертацией о возникновении атомных ядер в звездах. Правда, вскоре эта работа была признана бесперспективной.

В сентябре 1952 года Миллер прервал работу над диссертацией и связался с Юри. Он выказал желание «доварить» первичный бульон и провести эксперимент по производству органических веществ из описанной в докладе смеси газов в условиях отсутствия жизни. Юри счел эту идею неудачной и посоветовал Миллеру подыскать себе другую тему с большими шансами на успех. Он даже предложил альтернативный проект, но Миллер проявил упрямство и демонстративно надел на себя поварской фартук. Юри пришлось сдаться.

В конце концов Миллеру удалось воссоздать условия ранней фазы развития Земли. В систему из стеклянных трубок подавались метан, водород и аммиак. Под ними в большой колбе бурлила вода, символизировавшая первичный океан. Водяной пар и газы проходили сквозь камеру, через которую пропускался электрический разряд (молния в миниатюре). После этого пар охлаждался, образуя конденсат, стекавший обратно в «океан». Сначала эксперимент проводился в течение двух дней, потом его продлили на целую неделю. Вода в установке постепенно становилась все более мутной и приобретала необычный цвет. Когда Миллер прервал эксперимент и исследовал полученную жидкость, в ней обнаружились аминокислоты – основные элементы белков. Сенсация! До этого никто не мог продемонстрировать ничего подобного.

Юри был впечатлен. Он посоветовал Миллеру опубликовать результаты эксперимента в солидном американском научном журнале Science и сам связался с издателем. Миллер подготовил рукопись, которая заняла менее двух страниц, но стала настоящей бомбой! Он хотел указать Юри в качестве соавтора, но тот отказался (что было уже не совсем обычно), объяснив это тем, что тогда его, лауреата Нобелевской премии, неизбежно сочтут главной движущей силой проекта и Миллер лишится заслуженного признания. Вот так Миллер несколько неожиданно для себя оказался единственным автором. Опубликование работы затянулось. Эксперты, которым Science выслал рукопись для проверки, сочли, что изложенные данные слишком хороши, чтобы быть правдой. На протяжении нескольких недель ничего не происходило. В конце концов обеспокоенный Юри написал в журнал письмо с жалобой. Вновь никакой реакции. Тогда у Юри лопнуло терпение и он направил второе письмо с требованием вернуть рукопись, чтобы ее можно было предложить другому журналу! Вскоре после этого издатель сообщил Миллеру (не Юри), что в ближайшее время рукопись будет опубликована. Это произошло 15 мая 1953 года. Тот год был вообще отмечен большими событиями. Менее чем через месяц после опубликования статьи Миллера появилась работа Уотсона и Крика о разгадке тайны структуры ДНК. Кроме того, прошла коронация королевы Елизаветы II, впервые был покорен Эверест, а в Касселе открыта первая в Германии пешеходная зона.