Жизнь как она есть: её зарождение и сущность - Фрэнсис Крик

Еще одна возможность заключается в том, что значительное количество мелких молекул, найденных в космическом пространстве, тем или иным способом достигло поверхности Земли, может быть, на столкнувшихся с ней кометах, образовав локальные концентрации подходящих химических веществ. Даже если они составляли лишь небольшую часть поверхности Земли, на ней могло быть достаточно таких особых мест, чтобы начались эти процессы, если допустить, что жизнь при наличии подходящей окружающей среды может зародиться очень легко.

Несмотря на всю эту неопределенность, кажется вполне возможным, что на каком-то раннем этапе истории Земли на ее поверхности существовало значительное количество воды и что в таких местах она состояла из слабого раствора мелких органических молекул, многие из которых относились к исходным веществам, необходимым для создания белков и нуклеиновых кислот, наряду с различными солями, вымытыми из окружающих горных пород. Условия также могли быть вполне подходящими для появления некой очень примитивной формы жизни. Поэтому мы оказываемся в затруднении при принятии решения: на какой стадии этого непрерывного процесса химической эволюции нам следует признать такую очень простую систему живой.

Выбор какой-то конкретной стадии должен быть до некоторой степени произвольным, но есть один критерий, который мы можем с пользой применить, чтобы провести разграничение между живым и неживым. Действует ли естественный отбор, пусть даже довольно незатейливым образом? Если он есть, тогда редкое событие может стать распространенным. Если его нет, то любое редкое событие должно проявиться исключительно благодаря случаю и сложной природе вещей. Этот критерий важен, потому что, как мы увидим, зарождение жизни действительно могло быть весьма необычным событием, и нам очень хотелось бы знать, до какой степени необычным оно было.

Какова вероятность того, что при наличии той или иной разновидности бульона самопроизвольно зародилась система, которая могла развиваться с помощью естественного отбора? Здесь мы сталкиваемся с невероятно трудными проблемами. Чтобы ни произошло в те давние времена, мы можем быть уверены, что примитивная система, в конце концов, достаточно плавно развилась в систему, существующую в настоящее время. Репликация последней основана на нуклеиновых кислотах, а действие — на синтезе белка. Мы не можем быть уверены, что в основе древнейшей развивающейся системы не лежало нечто совершенно иное, что подготовило почву для развития современной, Даже если это не так и первая система репликации содержала некоторые элементы той, что мы имеем сегодня, мы не располагаем данными, появилась ли сначала нуклеиновая кислота, или же первым появился белок, или они оба развивались одновременно. Мое собственное пристрастное мнение заключается в том, что первой появилась нуклеиновая кислота (может быть, РНК), и за ней вскоре последовала простая форма синтеза белка. По моему мнению, это самый легкий путь развития, но даже он, по-видимому, чреват трудностями. Вероятно, фосфат был широко распространен, а сахарная рибоза (которая не содержит азота) могла легко образоваться в некоторых особых условиях, потому что известно, что формальдегид (НСНО) был одним из самых распространенных пребиотических химических элементов. Однако для синтеза оснований, таких как аденин, требовался несколько иной набор элементов, которые обязательно содержат азот. Затем возникает проблема связывания сахара как с фосфатом, так и с основанием в правильном порядке (возможны и несколько неправильных), и далее активирования этого соединения (называемого нуклеотидом), возможно, с помощью присоединения к нему еще одного или двух фосфатов, чтобы обеспечить необходимую энергию для связывания воедино двух нуклеотидов. Эта операция, если бы она повторялась, привела бы к возникновению цепочечной молекулы, которую мы называем РНК. Нелегко представить, как это могло произойти в смеси других, достаточно похожих соединений без частого присоединения к цепи не тех молекул, если там не было какого-нибудь достаточно специфического катализатора. Предположительно, им мог бы быть минерал или некий пептид, созданный случайным скоплением аминокислот, но даже если все происходило именно так, тому все еще нет достаточно убедительных доказательств. И если подобный процесс действительно происходил, пусть даже всего лишь в одной определенной заводи в одно определенное время, то он только привел бы к появлению РНК с довольно случайной последовательностью оснований.

Для того чтобы заработал естественный отбор, нам необходим достаточно точный механизм копирования. И здесь есть некоторый проблеск надежды. Если полимеризация РНК по какой-либо причине была довольно распространенной, то, вероятнее всего, она со временем привела к появлению какой-либо молекулы, похожей на молекулы транспортной РНК, которые повсеместно используются в современном синтезе белка. Петли такой молекулы могли помочь сгущению нуклеотидов в короткие цепочки, длина которых составляет лишь три остатка, и они могли быть лучшими предшественниками процесса репликации, чем единичные нуклеотиды.

Если бы нужна была только репликация, то РНК представлялась бы перспективным кандидатом, но, несмотря на то, что одна репликация может привести систему в действие, по мере усиления соперничества необходимо нечто большее. Действительно если ген должен значительно повлиять на свое окружение, значит, в ближайшее время он должен что- то сделать. Итак, РНК для этого не идеальна. Несомненно, в благоприятных обстоятельствах она может образовывать трехмерные структуры, но они, по-видимому, редко обладают какой-либо каталитической активностью. Возможно, ее обеспечивали того или иного рода мелкие органические молекулы, которыми изобиловал окружающий бульон. Может быть, некоторые из них изящно соединялись с определенными свернутыми молекулами РНК для того, чтобы создать примитивный «фермент» с небольшой и чрезвычайно простой каталитической активностью, хотя до сих пор еще никто не пытался обнаружить подобные организмы.

Более привлекательный вариант заключается в том, что примитивная система синтеза белка могла зародиться лишь при наличии информационной молекулы РНК и тРНК, то есть без рибосом или белка. Это еще один возможный вариант, но он все еще не подтвержден экспериментально. Такая система, если она действительно имела место, объяснила бы многие наши затруднения в понимании процесса, хотя некоторые проблемы остаются, например, как «притянуть» правильную аминокислоту к каждому виду транспортной РНК.

Как только начали действовать синтез РНК и репликация, можно считать, что появились простые катализаторы, которые заставляли все эти древние химические реакции протекать быстрее и эффективнее. С того времени мог начать работать естественный отбор для того, чтобы совершенствовать и развивать систему. Каким бы привлекательным ни был этот вариант, все еще обстоятельно не определен и не проверен экспериментально его механизм.

Поэтому существуют некоторые основания для поиска других возможностей. Вторым очевидным кандидатом в примитивные репликаторы является некий вид древнего белка. Этот вариант привлекателен, потому что бульон, скорее всего, содержал несколько аминокислот и. возможно, значительное количество различных их типов, хотя (не считая глицина, молекула которого не является разветвленной) в нем, вероятно, присутствовали примерно равные смеси молекул с двумя возможными разветвлениями. Трудность здесь состоит в том, что аминокислоты, по-видимому, не образуют изящную пару таким же образом, каким могут спариваться основания в нуклеиновых кислотах. В белке не обнаружено двойной спирали, хотя белковый коллаген (тот, что присутствует в сухожилиях, оболочках, коже и т.д.) состоит из трех полипептидных цепей, переплетающихся друг с другом и образующих тройную спираль. Каждым третьим остатком должен быть глицин, но здесь, по-видимому, нет очевидного взаимодействия, которое могло бы отобрать аминокислоты для двух других участков. Более того, коллаген имеет довольно регулярную структуру и, по-видимому, каталитически инертен. Если бы кто-то смог создать простую форму белка, может быть из четырех аминокислот, которые могли бы составить основу простого процесса копирования (как это могут сделать РНК или ДНК), то это было бы важным открытием. До тех пор к утверждению, что белок был примитивным репликатором, мы должны относиться с осторожностью.

Все это не означает, что случайная полимеризация не могла выработать молекулы протеиноида, которые, возможно, помогли в создании системы до появления, в конечном итоге, настоящей репликации, но необходим был именно этот более поздний процесс, если естественный отбор должен был происходить свободно.

Всегда есть вероятность того, что древняя система репликации была совершенно иной, и в силу своей чрезмерной топорности или недостаточной универсальности, в конце концов, уступила место современной. Подобную идею трудно опровергнуть. Нам, по крайней мере, следует научиться представлять, как мог бы осуществляться подобный переход от древней системы, какой бы она ни была, к современной, в основе которой находятся нуклеиновая кислота и белок. Было высказано предположение, что для этого могли бы подойти слоистые структуры глины, но нелегко представить особенности их функционирования, и до сих пор нет впечатляющих экспериментальных данных подобного поведения.