Файл: Уиггинс. 5 нерешенных проблем науки.pdf

Этот процесс привел бы к созданию первых белков, которые оказываются лучшими ферментами, нежели их собратья из РНК... Эти белковые ферменты... складываются из минимальных составляющих структуры».

У гипотезы РНК-мира есть альтернативы, самая известная из них — выдвинутая биохимиком Сидни Фоксом о первичности белка и гипотеза «глиняного мира» химика А. Г. Кэрнса-Смита.

Эти теории привлекли меньше внимания исследователей, и их обсуждение отложим до той поры, пока не изучим лучше мир РНК.

80

Предсолнце

Начнем свое путешествие к истокам жизни, отправившись в то время, когда стали образовываться основные кирпичики жизни — атомы. Итак, чтобы увидеть, каким образом Земля получила атомы, особенно атомы углерода, обратим время вспять.

Очень давно, где-то в нашей галактике Млечный Путь была некая звезда, назовем ее Предсолнцем. Предсолнце образовалось при уплотнении под действием тяготения большого водородно-гелиевого облака межзвездного пространства. Подобно большинству звезд, Предсолнце состояло из сердцевины [ядра], где тяготение сближало протоны до такой степени, что происходил ядерный синтез, и газовой атмосферы, которая нагревалась под действием испускаемой сердцевиной энергии. На первой ступени жизни Предсолнца в его сердцевине происходило слияние водородных ядер (протонов) с образованием ядер гелия (именуемых альфачастицами). Атмосфера ярко светилась под действием выделяемой из недр Предсолнца энергии.

Со временем водород в сердцевине частично выгорел. Отсутствие топлива привело к сжатию сердцевины и повышению ее температуры, что вызвало расширение атмосферы и ее красное свечение. Между тем сжавшаяся сердцевина нагрелась до такой степени, что началось слияние трех ядер гелия с образованием ядра углерода, и эта переработка гелия в углерод получила название тройного альфа-процесса, или тройной гелиевой реакции. Ввиду большой массы Предсолнце обладает большой силой тяготения, так что гелий быстро выгорает. Сердцевина опять сжимается, температура ее повышается, и в итоге новые реакции синтеза порождают элементы тяжелее углерода. Слияние ядер происходит послойно, так что сердцевина крупной звезды напоминает луковицу, где каждому слою соответствует своя реакция синтеза. Атмосфера расширяется и сжимается слегка, не поспевая, однако, за изменениями в сердцевине. Сердцевина старается предотвратить

81

вызванное тяготением сокращение, и таким образом синтезируются все более тяжелые ядра. Когда начинается образование ядер железа, синтез подходит к концу. Образование ядер железа оказывается не столь энергетически выгодным, и синтез более тяжелых ядер идет на спад. Неотвратимо приближающийся коллапс сердцевины Предсолнца представляет собой удивительное зрелище. Предсолнце взрывается, выбрасывая некоторую часть своей сердцевины и всю атмосферу в межзвездное пространство (о том, что происходит с оставшейся сердцевиной, см. в гл. 6).

Вещество, состоящее из 70% водорода, 28% гелия и 2% более тяжелых элементов, разлетается с огромной скоростью. Замедляя свое движение под действием сил тяготения, исторгнутое Предсолнцем вещество наполняет межзвездное пространство более тяжелыми ядрами.

История жизни Предсолнца позволяет объяснить происхождение тяжелых ядер в нашей Солнечной системе и на Земле, но остается прояснить еще один вопрос. Крупные звезды по астрономическим меркам имеют непродолжительный срок жизни — от миллионов до сотен миллионов лет. Так что до образования нашей Солнечной системы могли существовать тысячи Предсолнц. Получается, что в газово-пылевом облаке, уплотнившемся под действием притяжения и давшем нам начало, возможно, присутствовали ядра, образованные предшествующими звездами.

Наше Солнце

Начало жизненного цикла нашего Солнца такое же, как и у Предсолнца, за исключением того, что Солнце не столь массивно. Малые звезды живут дольше, поскольку их меньшая масса препятствует столь быстрому процессу слияния ядер. Поэтому нашему Солнцу отпущен больший срок и уготована не столь ужасная кончина. Но нас прежде всего интересует Земля. Образование Земли протекало сходным со звездами образом, но на Земле вследствие значительно меньшей массы

82

у слипшихся частиц слияния ядер не происходило. Слипшиеся частицы сталкивались и скучивались, так что более плотное вещество оседало в сердцевине (ядре), а менее плотное поднималось на поверхность планеты.

Частицы газа и пыли сталкивались друг с другом, объединялись в ходе так называемого сращения и в итоге образовали горячую первобытную землю. Сросшиеся массы, именуемые планетезималями, продолжали падать на поверхность молодой Земли. Возможно, одна крупная планетезималь по касательной столкнулась с Землей, выбив из нее вещество, давшее начало Луне, а также заставив ее вращаться. Наконец, новоиспеченное Солнце «вымело» большую часть осколков за пределы Солнечной системы. Пространство, занимаемое внутренними планетами, оказалось на редкость чистым, за исключением случайных столкновений с грязными осколками льда, появляющимися при сближении с тяжелыми внешними планетами. Эти осколки льда мы сегодня называем

Уиггинс А., Уинн Ч. Пять нерешенных проблем науки / Артур Уиггинс, Чарлз Уинн. — Пер. с англ. А. Гарькавого. — М.: ФАИРПРЕСС, 2005. — 304 с: ил. — (Наука & Жизнь).

кометами. Их хвост состоит большей частью из паров воды и углекислого газа, поскольку под действием солнечных лучей лед напрямую переходит в газообразное состояние.

Появление РНК

Поверхность вновь образовавшейся планеты Земля была каменистой и горячей. На нее продолжали обрушиваться планетезимали и хвосты комет, оставляя смешанные с углеродом пары воды и углекислый газ. По мере охлаждения Земли происходила конденсация воды, вместе с водой от кометных хвостов образовавшей океаны. Газовая атмосфера, похоже, состояла из газов, выделяемых при извержении вулканов: водяных паров (Н2O), углекислого газа (СO2), аммиака (NH3), метана (СН4) и небольшого количества оставшегося водорода (Н2), не утраченного Землей ввиду присущей ей слабой силы тяготения. Свободного кислорода (O2),

83

по сути, не было, так как даже имевшиеся крохи вследствие химических реакций оказались в связанном состоянии.

При таком развитии событий на Земле могли начаться химические реакции. Чтобы заложить основы жизни, эти реакции должны были проходить беспрепятственно в тогдашних условиях, с достаточной силой и устойчивостью. Начиная с простых молекул и доходя до РНК, мы изучим каждую реакцию, наблюдая, где и как они могли произойти и какое положительное или отрицательное воздействие оказывала на них окружающая среда. Что касается времени, все реакции должны были начаться в конце периода падения потоков планетезималей, а завершиться до того, как были образованы древнейшие окаменелости. Мы получаем промежуток в 100—500 млн лет, или около 1016 с.

На рис. 3.7 приведены химические реакции, которые должны были породить РНК.

1. Простые молекулы при химическом взаимодействии образуют аминокислоты — предшественниц азотистых оснований. Опыт 1953 года Стэнли Миллера благодаря случайным реакциям дал множество органических молекул, некоторые

Рис. 3.7. Химические реакции, ведущие к образованию РНК

84

из них представляли аминокислоты — предшественницы азотистых оснований. Проводились сходные опыты с использованием различных веществ и ультрафиолетового излучения вместо электрических разрядов. Но результаты выходили одинаковые: в различных количествах получались все 20 аминокислот, присутствующих в живых организмах (см.: Список идей, 5. Аминокислоты). Такой процесс мог начаться в атмосфере, а затем перейти в толщу океана. Или же он начался глубоко под водой в океане близ гидротермальных отдушин («черных курильщиков»), где высокая температура давала энергию и ускоряла химические реакции. Но поскольку жизни еще не было, молекулы могли собираться в толще океана без поглощения их организмамисанитарами, как происходило бы сегодня.

2.Простые молекулы при химическом взаимодействии образуют рибозу. Хотя реакция возникла, полная цепочка реакций, приводящая к образованию рибозы в качестве основного продукта, еще не наблюдалась. В реакциях, где рибоза являлась побочным продуктом, выход большей частью был слишком мал, чтобы иметь устойчивые реакции для получения достаточного для начала жизни количества молекул. Возможно, ученые не выявили требуемых реакций для образования нужной рибозы, или же тогда присутствовали уникальные неорганические либо органические катализаторы. Вместо того чтобы следовать подходу Миллера и продолжать «варить» простые молекулы все дольше и дольше, ученые перескочили через этот этап и приступили к соединению промежуточных молекул, чтобы увидеть, как мог протекать дальнейший процесс.

3.Простые молекулы при химическом взаимодействии образуют фосфорную кислоту. Это простая неорганическая реакция, совершаемая атомами фосфора, которые получаются при выветривании скальных пород.

Уиггинс А., Уинн Ч. Пять нерешенных проблем науки / Артур Уиггинс, Чарлз Уинн. — Пер. с англ. А. Гарькавого. — М.: ФАИРПРЕСС, 2005. — 304 с: ил. — (Наука & Жизнь).

4. Азотистые основания и рибоза при химическом взаимодействии образуют нуклеозиды. Ученые достигли некоторых успехов в проведении данных реакций, но сам синтез ока-

85

зался неэффективным без использования ферментов, чтобы катализировать данный процесс.

5.Нуклеозиды и фосфаты при химическом взаимодействии образуют нуклеотиды. Одни нуклеотиды получаются достаточно легко, другие — крайне трудно. Камнем преткновения к тому же служит образование большого количества нуклеотидов. Одни наличествуют в организмах, другие отсутствуют и, что может помешать репликации РНК, поскольку они не будут соединяться с встречающимися в природе нуклеотидами. Опять же тогда могли присутствовать неорганические или органические катализаторы, содействующие протеканию такой реакции. Катализаторы могли возникнуть на Земле или быть занесены хвостами комет либо метеоритами. Природа самих катализаторов пока неизвестна (более подробно см. далее). Не исключается протекание в ту пору неферментативных реакций, но ученые их еще не выявили.

6.Нуклеотидные мономеры, полимеризуясь, образуют нуклеотидные полимеры— РНК. Полимеризация может оказаться затруднительной в изобилующей водой среде. Бульон мог оказаться слишком разбавленным; вероятно, он должен быть более густым — наподобие каши или даже теста для пиццы. Полимеризация посредством конденсации могла происходить в мелком пруду, на песчаном берегу или на глинистом взморье. Длинные органические молекулы могли не вынести сильного ультрафиолетового излучения, что предполагает наличие некоторого укрытия, чтобы состоялась полимеризация. Вполне вероятно, что молекулы паров воды в верхних слоях атмосферы разлагались под действием солнечных лучей в ходе так называемой фотодиссоциации, порождая водород и кислород. Водород, преодолев силу притяжения, покидал Землю, а кислород превращался в первый озоновый (O3) слой Земли, укрыв ее поверхность от ультрафиолетовых лучей. Находясь слишком высоко

ватмосфере, кислород не мог мешать течению ведущих к зарождению жизни химических реакций на земной поверхности, а задержка ультрафиолетовых лучей обезопасила органические молеку-

86

лы от распада (продолжалось становление атмосферы, процессы внутри которой породили проблему погоды, которая обсуждается в гл. 5).

Другое возможное развитие событий связано с самовоспроизводящейся молекулой, которая предшествовала РНК. Предполагаемая молекула-предтеча синтезировалась легче РНК, имея при этом сходное с ней строение. На

еероль претендуют два «соискателя».

1.ТНК (треозонуклеиновая кислота), состоящая из содержащих четыре атома углерода [с двумя центральными гидроксильными группами с трансизомерией*] моносахаридов (треоза), а не пять (рибоза), которые образуют остов РНК. Синтез ТНК [не встречается в природе] в добиологическом мире происходил бы легче по сравнению с РНК, поскольку ТНК требует идентичных остатков с двумя атомами углерода, а не с двумя и тремя, как у [содержащей пять атомов углерода] рибозы. Полимеры ТНК образуют двойную спираль подобно ДНК и совместимы с ДНК и РНК (рис. 3.8).

Рис. 3.8. Моносахариды с углеродной цепью из четырех (треоза) и из пяти

(рибоза) атомов

* Цистрансизомерия (геометрическая изомерия, от лат. cis — по одну сторону, и trans — напротив) — один из видов пространственной изомерии химических соединений, заключается в возможности расположения заместителей по одну (цисизомер, например формула I) или по разные стороны (транс-изомер, формула II) плоскости двойной связи (С = С, С = N).

87

2. ПНК (пептиднуклеиновая кислота), остов которой образован не сахарами, а полимерами аминокислоты N(2-аминоэтил)-глицин. Эта молекула образует двойную спираль, ее составляющие легко синтезируются устойчивыми реакциями простых молекул, и она легко полимеризуется.

Был ли у РНК самовоспроизводящийся предшественник, неясно. Ну а мы тем временем продолжим.

РНК-мир

С появлением РНК механизм образования первой клетки проясняется. РНК-миру для его становления остается пройти пять этапов.

1. Этап репликации (самовоспроизведения).

Уиггинс А., Уинн Ч. Пять нерешенных проблем науки / Артур Уиггинс, Чарлз Уинн. — Пер. с англ. А. Гарькавого. — М.: ФАИРПРЕСС, 2005. — 304 с: ил. — (Наука & Жизнь).

A.Нить РНК создает свою комплиментарную нить (Ц-Г, А-У) притягиванием друг к другу спариваемых оснований аминокислот. Возможно образование любых сочетаний, однако неустойчивые сочетания не смогут удержаться вместе, как это происходит с парами оснований Уотсона—Крика (АУ, ГЦ), которые и берут верх.

Б. Комплиментарная нить РНК отделяется от исходной нити.

B.Комплиментарная нить создает свою собственную комплиментарную нить, совпадающую с исходной

РНК.

Г. Молекулярные комплиментарные нити разделяются, образуя копию исходной молекулы РНК и комплиментарную молекулу РНК, которые в свою очередь могут теперь строить очередные копии по тому

же образцу.

Воспроизведение всех этих этапов в лабораторных условиях пока не увенчалось успехом. Возможно, протеканию

88

этих реакций способствовали катализаторы. Здесь могли участвовать неорганические катализаторы в виде заряженных [кристаллов] глины, притягивая молекулы и удерживая их в нужном для реакции положении. Другой вариант связан с возможностью проведения необходимых репликаций обладающими ферментной активностью молекулами РНК — рибозимами. Здесь могли присутствовать и органические катализаторы, которые пока не выявлены. Другая трудность связана с право- и левовращающимися спиральными молекулами РНК и ДНК, о чем речь пойдет в следующей главке. Возможность дарвиновской эволюции на молекулярном уровне наличествует на всех этапах развития РНК-го мира. Изменение происходит при репликации, как следствие случайной природы самого процесса. Полученные молекулы начинают бороться за аминокислоты, и преуспевшие в этом завладеют большинством аминокислот, став преобладающими. Заметим, сколь схоже такое развитие событий с ходом классической дарвиновской эволюции с ее изменением, конкуренцией, подкреплением и распространением на уровне организмов.

2.Направляемый РНК белковый синтез. РНК, синтезирующие белковые молекулы, должны пользоваться даруемыми дарвиновской теорией выгодами, вероятно, через некую косвенную обратную связь, пока еще не выявленную.

3.Разделение на клеточные скопления. Должно начаться образование мембран из сложных белков или жирных липидных молекул, ведущее к отделению множеств РНК друг от друга. Это вызовет усиление конкуренции между ними и белковыми молекулами, прежде чем они подойдут к этапу становления клетки. Эти клеточные скопления именуют протоклетками.

4.Сцепление белков и РНК. Предположив разделение этих первых РНК на гены, каждый из которых синтезирует один белок, получим, что они должны состоять из 70—90 нуклеотидов. Для сравнения: ген современного человека включает несколько тысяч нуклеотидов. Первичный белок (в действи-

89

тельности остаток аминокислоты, именуемый пептидом), вероятно, состоял из 20—30 нуклеотидов. Согласно теоретическим выкладкам минимальное число генов должно равняться 256, и тогда первая клеточная РНК состояла примерно из 20 тыс. нуклеотидов.

5. Сохранение информации в ДНК и образование белковых ферментов-катализаторов. РНК вполне способна хранить генетическую информацию, но двойная спираль ДНК лучше приспособлена к более надежному ее хранению по сравнению с одной спиралью РНК. Развивая мысль о сборке рибонуклеиновой кислотой множества молекул в качестве хранителей информации и ферментов, получаем, что с эволюционной точки зрения обеспечивающая более надежное хранение генетической информации ДНК сменит в этой роли РНК. Далее, белковые ферменты оказываются более действенными как катализаторы по сравнению с РНК и поэтому белки приходят на их место. Таким образом, молекулы РНК ограничиваются транскрипцией [мРНК], транспортировкой [тРНК] и катализом [рРНК], так как остальные их обязанности взяли на себя молекулы, справляющиеся с ними гораздо лучше. Дарвин был бы доволен. Как только протоклетке удается обрести способность к метаболизму и вос-

90

произведению, она становится полноценной клеткой. Начало жизни положено.

Уиггинс А., Уинн Ч. Пять нерешенных проблем науки / Артур Уиггинс, Чарлз Уинн. — Пер. с англ. А. Гарькавого. — М.: ФАИРПРЕСС, 2005. — 304 с: ил. — (Наука & Жизнь).