Жизнь как она есть: её зарождение и сущность - Крик Фрэнсис - Страница 16

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.

В целом, довольно правдоподобно выглядит версия, что первым репликатором была РНК. Эта гипотеза значительно выиграла бы, если бы мы могли собрать простую систему копирования в пробирке без использования белка. Для облегчения задачи мы могли бы начать с одной сформированной заранее нити РНК, имеющей несколько произвольную последовательность оснований, и попытаться создать ее комплементарную спутницу, доставив необходимые исходные материалы. Для проведения реакции нам обязательно понадобятся четыре их типа, а также химическая энергия в некоторой форме. Подобные эксперименты проводились до сих пор с довольно скромными успехами. Лучший по исполнению на сегодняшний день — это эксперимент, проведенный Лесли Оргелом и его коллегами, которые поли-Ц (полицитидиловую кислоту) в качестве шаблона (то есть РНК, каждое основание которой составляет цитозин) снабдили химически активированной формой Г, обычного комплемента Ц. В присутствии ионов цинка (Zn++) (ион, найденный во всех современных ферментах, которые полимеризируют нуклеиновую кислоту) Г медленно объединяются друг с другом в правильное соединение (называемое 3'-5') для образования поли-Г значительной длины. В инкубационной смеси можно обнаружить молекулы, насчитывающие До двадцати Г в ряд, а более длинные, вероятно, будут присутствовать в количествах, не поддающихся современным методам обнаружения. Более того, система достаточно правильна в том, что объединяет только довольно небольшие количества А и У (как «ошибки»), когда в смесь также добавляются их предшественники. Это многообещающее начало, но для того, чтобы оно оказалось полезным, нам следует суметь выяснить точную (комплементарную) репликацию конкретной последовательности Ц и Г. До сих пор этого еще не сделано. Между прочим, не обязательно, чтобы в первоначальной системе присутствовали все четыре основания, поскольку, имея только две их разновидности, РНК может содержать информацию в своей последовательности; однако для хорошей репликации они должны быть комплементарными.

Даже если эти трудности преодолены, система, даже простая, уже отчасти лишена естественности. Например, она необычайно чистая. Трудно представить, как на первозданной Земле мог образоваться маленький водоем, в котором присутствовали именно эти соединения и никакие другие. Нелегко также представить себе, как именно могли возникнуть их предшественники. По всей вероятности, ими могли быть нуклеозидтрифосфаты или, на более простом языке, молекулы, состоящие из основания, сахара (рибозы) и трех фосфатов в ряд, хотя это не совсем те соединения, которые использовались в описанных выше экспериментах. Можно представить, как, скорее всего, каждый из этих отдельных ингредиентов мог возникнуть в том или ином месте первозданной Земли; не так легко представить, как сложилось их правильное сочетание и как, по крайней мере, частично оно отделилось от других, несколько похожих молекул, которые, если таковые имелись, вероятно, могли запутать систему. Конечно, никто уже не в силах сварить примитивный бульон из воды, солей, нескольких газов и ультрафиолетового света (или какого-либо другого источника энергии) и оставить его настаиваться до тех пор, пока в результате в нем не образуется изящная система репликации РНК. Эта неспособность не слишком удивительна, так как природе, может быть, понадобилось много миллионов лет, во многих местах на поверхности Земли, прежде чем одно счастливое стечение обстоятельств создало систему, которая могла как положить начало репликации, так и продолжать в течение некоторого времени действовать.