До сих пор в этом вопросе остается много неясного. Даже гидротермальные источники с более мягкими условиями кажутся не совсем подходящим местом для возникновения жизни. Спустя годы после создания Вахтерхойзером модели железосерного мира у нас еще слишком мало экспериментальных подтверждений. Многие ученые полагают, что ключом к разгадке является молекула, над которой Карл Вёзе размышлял еще в 1967 г. В своей первой и единственной книге «Генетический код» (The genetic code) он предположил, что с самых древних времен чрезвычайно важную и многогранную роль в развитии клетки играла РНК.
Глава 13. Рождение клетки
Честный человек, вооруженный всем доступным сейчас знанием, подтвердит, что возникновение жизни представляется сейчас почти чудом, ведь чтобы начался этот процесс, необходимо было выполнить множество условий. Но из этого не следует, что жизнь не могла зародиться на Земле в процессе вполне допустимой последовательности довольно обычных химических реакций. Дело в том, что прошло слишком много времени; многие микросреды на поверхности Земли слишком разнообразны; различные химические возможности слишком многочисленны, а наши собственные знания и воображение слишком ничтожны, чтобы позволить нам точно объяснить, как это могло произойти в таком далеком прошлом, особенно если мы не располагаем экспериментальными данными из той эпохи.
Френсис Крик. Жизнь, как она есть: ее зарождение и сущность, 1981 г.
В 1986 г. в разделе «Новости и мнения» журнала Nature была опубликована статья физика и биохимика, лауреата Нобелевской премии Уолтера Гилберта. За восемь лет до этого в том же разделе того же журнала он высказал гипотезу о том, что в генах существуют некие последовательности, интроны, которые вырезаются из РНК в процессе трансляции в белки. Тем самым Гилберт предложил решение одной давнишней проблемы в биологии. На этот раз он предлагал решение еще одной, даже более важной загадки, беспокоившей специалистов в области происхождения жизни на протяжении десятилетий. Речь идет о дилемме «курица или яйцо»: что возникло сначала – репликация или метаболизм?
На отрезке времени длительностью около полумиллиарда лет (от момента возникновения Земли до появления LUCA) должен был существовать еще более примитивный организм, который ученые иногда называют первым живым организмом, FLO (first living organism). Это нечто чуть более сложное, чем просто комплекс химических молекул, возможно, какой-то отдельный компонент сложного аппарата современной клетки. Но какой? Когда Стэнли Миллер и Сидней Фокс впервые поставили этот вопрос, ответ казался очевидным: это был белок, поскольку в то время большинство ученых считали, что белок является не только ключевым фактором метаболизма, но и носителем генетической информации. В результате работы Крика, Уотсона и других ученых по выяснению роли ДНК все внимание сместилось в сторону этого главного элемента наследственности, вполне способного инициировать эволюционный процесс. Но ДНК – лишь хранилище информации, и она не имеет возможности действовать самостоятельно, а комплекс ДНК и белков слишком сложен, поэтому он не мог возникнуть в первых протоклетках. Первым должно было появиться что-то одно.
В статье в Nature, опубликованной в 1986 г., Гилберт утверждал, что ответ следовало искать в другом месте. Он вернулся к гипотезе, впервые сформулированной Вёзе в 1967 г. В книге «Генетический код» Вёзе писал, что изначально работу и ДНК, и белков должен был выполнять их теперешний посредник – РНК. В 1968 г. Френсис Крик и Лесли Орджел одновременно опубликовали пару статей, в которых также утверждали, что жизнь поначалу была основана на РНК. Впоследствии было признано, что статья Орджела «Эволюция генетического аппарата» наиболее полно отражает суть идеи, хотя поначалу она почти не привлекла внимания. В 1986 г. функция РНК была изучена уже гораздо подробнее. Кроме того, возврату к этой идее способствовало одно важнейшее открытие, сделанное независимо двумя микробиологами: Томасом Чеком и Сиднеем Олтменом.
В 1978 г. Чек, тогда еще сравнительно молодой преподаватель Колорадского университета в Боулдере, начал выделять белок, ответственный за недавно описанный Гилбертом сплайсинг генов – вырезание интронов из молекул РНК и соединение их последовательностей. Чек предполагал, что выделить белок будет достаточно просто. Нужно только взять клеточный экстракт и разделять его до тех пор, пока не будет обнаружен элемент, осуществляющий сплайсинг. Однако работа зашла в тупик. Сплайсинг происходил даже в тех образцах, в которых, как были уверены исследователи, не было никакого белка. В конечном итоге, удалось доказать, что за вырезание интронов отвечает сама РНК.
Вскоре после начала этих экспериментов Сидней Олтмен из Лаборатории молекулярной биологии в Кембридже, которой руководили Сидней Бреннер и Френсис Крик, занялся изучением необычного фермента, называемого рибонуклеазой P. Необычность фермента заключается в том, что около 80% его массы составляет РНК, что ученые долгое время считали малозначащей аномалией. Позднее Олтмен получил должность профессора в Йельском университете, но продолжал исследования. Он пришел к выводу, что РНК была главной каталитической составляющей рибонуклеазы P. Именно РНК, а не белок отвечала за каталитическую активность фермента.
Открытия Чека и Олтмена перевернули наши представления о биохимии клетки. Одни белки катализируют химические реакции, другие отвечают за двигательные функции, третьи, включенные в клеточную мембрану, – открывают и закрывают каналы, благодаря которым реализуется, например, механизм сознания. Потребление пищи, пищеварение, передвижение и даже мышление – все эти процессы на самом фундаментальном уровне осуществляются белками. Белки контролируют химические процессы, отвечающие практически за все функции клетки и, как считалось долгое время, являются единственными клеточными компонентами, осуществляющими все перечисленные реакции. Однако Чек и Олтмен доказали, что некоторые молекулы РНК (названные рибозимами) тоже могут выступать в роли катализаторов. За это открытие в 1986 г. они были удостоены Нобелевской премии в области физиологии и медицины.
Как отмечал Гилберт в статье в Nature, открытие рибозимов имело чрезвычайно важные последствия для изучения происхождения жизни. Вот она, часть клетки, способная осуществлять и репликацию, и метаболизм. Гилберт утверждал, что в какой-то момент на ранних этапах эволюции населявшие Землю клетки состояли в основном из РНК: «Первый этап эволюции осуществляют молекулы РНК, выполняющие каталитическую функцию, необходимую для их собственной сборки <…> и, [позднее] использующие рекомбинацию и мутацию для приобретения новых функций для адаптации к новым условиям». Данная модель получила название «мир РНК» – именно так называлась знаменитая статья Гилберта.
Выдающиеся открытия Чека и Олтмена относительно каталитической функции РНК были сделаны в процессе работы с микроскопическим простейшим Tetrahymena thermophila. Это удивительное маленькое существо, впервые обнаруженное Левенгуком, относится к инфузориям (эукариотам) и покрыто мельчайшими выростами, напоминающими волоски. Tetrahymena существует в виде семи различных «полов» и прекрасно себя чувствует в очень широком диапазоне температур. Но самое удивительное, что сильнее всего отличает этот организм от других одноклеточных организмов, – большое разнообразие биологических процессов, в которых он участвует вместе с другими, более сложными, организмами. Tetrahymena обладает примитивной пищеварительной системой и порой для поглощения пищи. Удивительно, но геном этого крохотного организма состоит примерно из 25 тыс. генов – фактически как у человека. Благодаря обилию генов и простоте культивирования это простейшее является удобным объектом для молекулярно-биологических исследований.
