Формула чуда: как химики сделали шаг к разгадке тайны зарождения жизни
Креационисты любят патетически вопрошать: «Разве могла такая сложная система, как живая клетка, появиться случайно?». Все правильно, клетка — не могла. Первые живые организмы обязаны быть гораздо более примитивными, чем даже самая простая клетка. В идеале таким организмом должна быть самовоспроизводящаяся молекула или система из нескольких молекул. Где размножение, там и эволюция. И если эволюция вылепила человека из одноклеточного, почему бы ей не сотворить клетку из примитивного молекулярного комплекса? Главное — сделать первый шаг, получить без участия живых организмов хоть что-то, способное размножаться.
Многие биологи полагают, что этим «чем-то» была РНК — одна из важнейших молекул в клетке. Чтобы объяснить, почему они так думают, скажем пару слов о механике жизни.
Универсальный солдат
Чтобы называться живым, нужно уметь размножаться. Другими словами, создавать собственные копии, пусть и не идеально точные. Чтобы создать копию чего-то настолько сложного, как живой организм, нужен «чертеж». То есть информация, как этот организм должен быть устроен. У всех современных живых существ, кроме некоторых вирусов, эту информацию хранит ДНК.
Но иметь «чертеж» организма — это еще не все. Чтобы воплотить его в жизнь, нужен материал и энергия. То и другое можно извлечь из пищи с помощью химических реакций. Да и само «строительство» своей копии — это синтез новых молекул, то есть тоже сплошная химия.
Чтобы управлять химическими реакциями, нужны катализаторы, они же ферменты. Эту функцию с блеском выполняют белки. В сущности, ДНК — это сборник инструкций по синтезу белков. Каждый участок молекулы ДНК (ген) кодирует собственный белок. А уж белки берут на себя всю остальную работу в клетке.
Но между ДНК и белками есть посредник — РНК. Когда ферменты читают записанные в ДНК инструкции, они сначала синтезируют по ним РНК, а уж затем читают РНК, чтобы создать белок.
РНК настолько похожа на ДНК, что может ее заменить. Некоторые вирусы (например, ВИЧ, вирусы гриппа и ковида) вообще не имеют ДНК и хранят наследственную информацию в РНК. Однако у РНК есть кое-что общее и с белками: некоторые молекулы РНК катализируют биохимические реакции, то есть работают как ферменты. Благодаря этому они выполняют в клетке множество других функций, кроме роли черновиков белка.
В этом и состоит уникальность РНК среди других биологических молекул. ДНК — идеальный носитель информации, но совершенно не фермент. Белки — идеальные ферменты, но абсолютно не «хранилище знаний». Единственное в клетке вещество, худо-бедно умеющее и «помнить заветы предков», и «работать руками» — это РНК. Естественно предположить, что с него и началась жизнь, а все остальное было изобретено потом в процессе эволюции. Это называется гипотезой РНК-мира.
Мир молекул
Молекула РНК — это цепочка однотипных звеньев (нуклеотидов). В клетке есть и микроРНК длиной в 20 нуклеотидов, и цепочки в тысячу–другую звеньев. Чем проще молекула, тем легче представить ее самозарождение из неживого вещества. Поэтому ключи к миру РНК нужно искать в коротких нуклеотидных цепочках.
Сначала ученые предполагали, что из «первичного бульона» самопроизвольно возникла молекула, воспроизводящая саму себя. Однако молекулы РНК, сколько-нибудь эффективные в сборке других РНК-молекул, имеют длину как минимум в сотни нуклеотидов. По некоторым оценкам, для случайного возникновения такой молекулы с трудом хватает вещества и времени существования видимой части Вселенной. Есть и другие проблемы. Например, РНК, которые хорошо копируют, плохо копируются. Поэтому, даже появись на древней Земле «РНК-ксерокс», он вряд ли мог бы воспроизвести сам себя.
Сегодня исследователи оставили надежду найти одну волшебную молекулу и переключились на коллективы из нескольких разновидностей РНК. Смысл в том, что каждая молекула в дружной команде делает что-то свое, но в сумме получается копия всей системы.
Этот подход увенчался успехом: экспериментаторы получили коллективы РНК, самовоспроизводящиеся в пробирке. И все же пока в них требуются РНК длиной в десятки звеньев. Вероятность их самопроизвольного синтеза такой молекулы уже не астрономически мала, как для сотен нуклеотидов, но все же очень мала.
Насколько длинная цепочка РНК может самопроизвольно собраться из одиночных нуклеотидов? Верхнего предела никто не знает, но молекулы в пять-восемь звеньев вполне собираются. Химики воспроизвели этот процесс в разных условиях: на поверхности глины при облучении ультрафиолетом, при впрыскивании горячего раствора нуклеотидов в ледяную воду и так далее.
К сожалению, пока никто не сумел собрать самовоспроизводящийся коллектив из настолько коротких молекул РНК. Но ученые упорно работают над этим.
Кирпичики жизни
До сих пор мы обходили стороной важный вопрос: откуда на первозданной Земле вообще взялись нуклеотиды? Собирание цепи из готовых звеньев — это хорошо, но для начала нужны сами звенья.
У химиков есть несколько возможных ответов. В статье, опубликованной недавно в журнале Chemical Science, предложен новый и довольно интересный сценарий.
Ученые, занимающиеся проблемой происхождения жизни, давно обратили внимание на реакцию Бутлерова. Наш великий соотечественник открыл ее в 1861 году. В этой реакции водный раствор формальдегида (СH2O) превращается в сложную смесь сахаров. Все, что нужно — простая минеральная добавка и немного тепла или ультрафиолета. Того и другого на ранней Земле было предостаточно. Да и формальдегид, скорее всего, был: помимо прочих путей, он образуется из углекислого газа и паров воды при разрядах молний.
Среди продуктов реакции Бутлерова есть и сахара, характерные для живых клеток. В их числе рибоза — ключевой компонент нуклеотидов РНК. Правда, они перемешаны с огромным разнообразием биологически бесполезных и даже ядовитых сахаров. Биомолекулы составляют лишь доли процента от продуктов реакции, да и существуют недолго. Однако присутствие некоторых минералов может увеличить выход биосахаров и продлить их существование.
Тем не менее рибоза — это еще не нуклеотид. В состав нуклеотидов входит азот и фосфор, которых нет в формальдегиде.
Авторы новой работы добавили к реагентам Бутлерова цианамид (CH2N2). Это достаточно простое соединение, чтобы присутствовать на ранней Земле. Химики обнаружили, что в результате появляются химические предшественники нуклеотидов, благо цианамид содержит необходимый азот.
Любопытно, что ключевой промежуточный продукт реакции Бутлерова (гликольальдегид) используется в одном из самых перспективных путей синтеза нуклеотидов. Однако до сих пор никто не пытался связать два этих факта и приспособить реакцию Бутлерова к производству компонентов РНК.
Исследователи полагают, что виной тому стереотипы «химического мышления». Химики предпочитают простые и эффективные реакции, дающие максимум основного продукта и минимум побочных. Может ли быть нечто худшее с этой точки зрения, чем реакция Бутлерова, производящая целый зоопарк продуктов, в большинстве своем бесполезных?
Однако природа не носит белого халата. Процессы, которым мы во всех смыслах обязаны жизнью, происходили не в стерильных пробирках, а в вулканических грязевых котлах или другом подобном месте. Они наверняка были сложными, «грязными» и в большинстве своем совершенно неэффективными.
Предложенный авторами способ синтеза нуклеотидов — не первый, и вполне возможно, не лучший. Это типичная ситуация для науки о зарождении жизни: есть множество химических путей к нужному результату, каждый из которых, в принципе, мог реализоваться на древней Земле. Возможно, мы никогда не узнаем, какой именно дорогой жизнь сделала свои первые шаги. Но множество — это гораздо лучше, чем ни одного. Чем больше трюков изобретательной природы открывают химики и биологи, тем меньше остается места для мистического трепета перед «актом творения».