Рассказ предка. Паломничество к истокам жизни - Ричард Докинз

Для Опарина важнейшим рубежом было возникновение первой клетки. Разумеется, у клеток, как и у организмов, есть важное свойство: они возникают не спонтанно, а лишь от других клеток. Вполне простительно отождествлять возникновение жизни с возникновением первой “клетки” (метаболизатора), а не первого “гена” (репликатора), как это делаю я. Позднее подобный взгляд приобрел физик-теоретик Фримен Дайсон. Большинство современных ученых, в том числе Лесли Оргел из Калифорнии, Манфред Эйген и его коллеги из Германии, Грэм Кернс-Смит из Шотландии (правда, они скорее диссиденты, но это не значит, что их следует сбрасывать со счетов), отдают предпочтение саморепликации – и в хронологическом смысле, и в смысле первостепенности. По-моему, это справедливо.

Какой была бы наследственность, если бы не существовало клеток? Если мы считаем, что для наследственности обязательно нужна ДНК, то этот вопрос сродни задаче о курице и яйце. Ведь ДНК не реплицируется без многочисленных вспомогательных молекул, в том числе белков, а те могут синтезироваться лишь на основе закодированной в ДНК информации. Но тот факт, что ДНК – это основная известная нам самореплицирующаяся молекула, не означает, что в природе не существовало подобных молекул. Кернс-Смит убедительно показал, что первые репликаторы были неорганическими минеральными кристаллами. ДНК вышла на сцену позднее и получила главную роль уже после того, как эволюция жизни сделала возможным генетический захват. Я не буду здесь приводить доводы Кернс-Смита (я отчасти сделал это в книге “Слепой часовщик”). Но есть и более веская причина. Из всего, что я читал, Кернс-Смит лучше всего доказывает первичность репликации и наличие у ДНК некоего предшественника. Об этом предшественнике мы не знаем почти ничего, за исключением того, что он обладал истинной наследственностью. Было бы нехорошо, если бы эти неопровержимые доводы Кернс-Смита стали связаны в сознании людей с куда более спорными и спекулятивными доводами в пользу минеральных кристаллов в качестве предшественников ДНК.

Я ничего не имею против теории минеральных кристаллов, но хочу подчеркнуть первичность репликации и высокую вероятность того, что ДНК переняла свои функции у некоего предшественника. Самый эффективный способ пояснить мою позицию – сразу перейти к другой теории, о том, каким мог быть этот предшественник. РНК безусловно лучше ДНК подходит на роль первого репликатора, и именно ее предлагают на эту роль многие теоретики “мира РНК”. Прежде чем перейти к теории “мира РНК”, поговорим о ферментах. Если репликатор играет главную роль в шоу под названием жизнь, то фермент – это скорее основной партнер, чем актер второго плана.

Жизнь сильно зависит от способности ферментов к виртуозному катализу биохимических реакций. Впервые я услышал о ферментах в школе. Тогда было распространено мнение (на мой взгляд, ошибочное) о том, что науку нужно преподавать на основе жизненных примеров, в связи с чем мы плевали в воду, чтобы продемонстрировать способность фермента амилазы, содержащегося в слюне, расщеплять крахмал и образовывать сахар. В результате складывалось впечатление, что фермент похож на агрессивную кислоту. Примерно так же работают стиральные порошки, содержащие ферменты, которые расщепляют грязь. Однако это разрушительные ферменты, служащие для расщепления крупных молекул. Конструктивные же ферменты участвуют в синтезе крупных молекул из небольших составляющих. Действуют они при этом как “роботы-сводники”.

Клетка содержит раствор тысяч молекул, атомов и ионов. Существует почти бесконечное число способов объединиться друг с другом, однако большинство этих способов не реализуется. Иными словами, в клетке есть широкий диапазон потенциальных химических реакций, большинство которых никогда не происходит. Теперь представьте лабораторию с сотнями бутылок, надежно закупоренных, чтобы их содержимое могло смешаться лишь тогда, когда этого захочет химик. То есть имеется огромный диапазон потенциальных химических реакций.

Теперь представьте, что вы снимаете все бутылки с полок и выливаете содержимое в бочку с водой. Это, конечно, бессмысленный акт вандализма, однако живая клетка в значительной степени есть такая бочка. Сотни содержащихся в клетке компонентов тысяч потенциальных химических реакций не хранятся в бутылках. Они смешаны, но при этом ожидают, находясь преимущественно в инертном состоянии, пока их не смешают для участия в реакции. Они как бы хранятся в бутылках. Ферменты действуют как сводники или лаборанты. Ферменты умеют распознавать вещества – как радиоприемник, который ловит радиостанции, игнорируя сотни других сигналов.

Допустим, есть некая важная химическая реакция, в которой компонент А соединяется с компонентом B, чтобы образовать Z. В лаборатории мы проведем эту реакцию, достав бутылку с этикеткой А с одной полки, бутылку с этикеткой B с другой и смешав их содержимое в чистой колбе с соблюдением необходимых условий. То есть для осуществления нужной реакции нужно взять две бутылки. В клетке множество молекул А и B, плавающих в растворе среди огромного разнообразия других молекул. Молекулы А и B вполне могут встретиться, но даже при встрече они редко объединяются. В любом случае, встреча их не более вероятна, чем тысячи других комбинаций. Так что теперь мы вводим в клетку фермент под названием абзаза ((ABZ-аза), который предназначен для катализа реакции A + B = Z. В клетке миллионы молекул абзазы, и каждая действует как “робот-лаборант”. Каждый лаборант-абзаза захватывает одну молекулу A из смеси свободно плавающих молекул. Затем захватывает одну проплывающую мимо молекулу B. Он удерживает А, придавая молекуле определенное положение. Молекуле B он тоже придает правильное положение, чтобы она могла соединиться с A и создать Z. Кроме того, фермент способен делать и другое (как и лаборант, например, умеет обращаться с мешалкой или бунзеновской горелкой): образовывать временное химическое соединение с A или B, обмениваясь атомами или ионами, которые в итоге возвращаются на места. Таким образом, фермент, как катализатор, не расходуется. В “захватах” фермента образуется молекула Z. После этого “лаборант” выпускает полученную молекулу в раствор и ждет, пока мимо не проплывет следующая молекула А. Фермент захватывает ее, и цикл повторяется.

Если бы “робота-лаборанта” не существовало, свободно плавающая молекула A время от времени сталкивалась бы со свободно плавающей молекулой B в условиях, благоприятных для образования соединения. Но это случайное событие было бы крайне редким – не менее редким, чем столкновения молекул A и B со множеством других потенциальных партнеров. A может столкнуться с C и образовать Y. Или B может столкнуться с D и образовать X. Действительно, небольшие количества Y и X постоянно синтезируются благодаря такому случайному дрейфу. Но в присутствии “лаборанта”, фермента абзазы, все меняется. Благодаря абзазе производство Z приобретает промышленный (с точки зрения клетки) масштаб: типичный фермент многократно увеличивает скорость спонтанной реакции: с миллиона до триллиона. Если бы у нас был другой фермент, ациаза, то A вместо B соединялась бы с C и конвейерным способом образовывала Y. Ведь это те же молекулы А, о которых мы говорили. Они не заключены в бутылку, а свободно плавают в растворе и могут соединяться с B или C, в зависимости от того, какой фермент окажется рядом.

Скорость образования Z и Y, таким образом, зависит, кроме прочего, от того, какое количество каждого из конкурирующих “лаборантов”, абзазы и ациазы, в клетке. А это, в свою очередь, зависит от того, какой из двух генов работает в ядре клетки. В реальности все, конечно, сложнее: молекула абзазы, даже если она есть в клетке, может находиться в инактивированном состоянии. Инактивация может происходить, например, следующим образом: появляется другая молекула и занимает активную “нишу” фермента. То есть “робот-лаборант” как бы оказывается временно закованным в наручники. Раз уж я прибег к этой метафоре, придется предупредить читателей, чтобы они не воспринимали “робота-лаборанта” буквально. Конечно, у молекулы фермента нет рук, которые могут захватывать компоненты, например молекулы A – не говоря уже о надевании наручников. У настоящего фермента на поверхности есть участки, которые, например, обладают сродством к молекулам А, или точно соответствуют им по форме, или характеризуются какими-нибудь еще химическими особенностями. И все это сродство можно на время устранить способами, которые напоминают переключение выключателя.