Генетика на завтрак. Научные лайфхаки для повседневной жизни - Мартин Модер

РНК — первая всегда

На первый взгляд может показаться, что РНК всего лишь играет роль посредника. Подобно почтальону, она переносит копии отдельных генов из клеточного ядра, чтобы из них могли образовываться белки. Это звучит довольно скромно, но те, кто любит смотреть любовные драмы, знают, что почтальоны часто бывают самыми настоящими пройдохами. Кроме того, РНК проказничает гораздо больше, чем первоначально полагали. Например, она сама может служить генетической информацией. Это мы знаем благодаря определенным вирусам, которые прописали свой генетический материал не в ДНК, а в РНК. К ним относятся риновирусы, которые регулярно проверяют, в порядке ли наши железы слизистой оболочки носа, награждая нас жутким насморком.

В человеческих клетках РНК также выполняет самые разнообразные функции. Она не только передает информацию о генах, но и самолично перезаписывает их в белки. Рибосомы, компоненты клетки, составляющие белки, в свою очередь, состоят из РНК. Самый настоящий мастер на все руки, Макгайвер среди макромолекул.

Принято считать, что первая форма жизни состояла всего лишь из мембраны, в которой содержалась последовательность РНК. Эта РНК была в состоянии копировать сама себя.

Первобытное поведение, которое можно наблюдать и по сей день, когда деятели науки, напившись на рождественской вечеринке, садятся голым задом на копировальный аппарат. Но в состоянии ли РНК делать что-то подобное в одиночку?

В 2009 году американскому биохимику Джералду Фрэнсису Джойсу удалось создать две цепи РНК, которые взаимно воспроизводили друг друга [2]. Для этого им были не нужны ни белки, ни другие составляющие нынешних клеток, а только первичный бульон из компонентов РНК. При этом буквенная последовательность обеих РНК не задавалась исследователями, а возникала из эволюционного эксперимента, при котором несколько РНК конкурировали друг с другом в борьбе за выживание, в результате чего последовательность букв РНК менялась в ходе эксперимента. Если вы пройдете достаточно далеко вдоль цепи отцов, то, вероятно, столкнетесь с подобными РНК, которые скажут вам, что прежде, когда еще можно было размножать себя самостоятельно, было лучше.

Считается, что первой формой жизни является мембрана с последовательностью РНК внутри, способной копировать себя.

Итак, на молодой Земле было почти все необходимое. Были белки и строительные блоки клеточных мембран. В условиях первичного бульона РНК также могла создаваться из простых молекул. Следует ожидать, что при спонтанном формировании мембран в них иногда оказывались включения РНК. То, что таким образом возникает примитивная, саморазмножающаяся клетка, звучит довольно неправдоподобно. Если это все так, то следует помнить, что для создания такой клетки на невообразимо огромной поверхности в распоряжении у Земли было невообразимо долгое время. В этом контексте крайне вероятным становится то, что где-то однажды может произойти что-то крайне маловероятное. В конце концов, ежедневно десятки людей оказываются пораженными ударом молнии, а где-то прямо сейчас слепой цыпленок подавился зернышком.

РНК не очень стабильна и имеет тенденцию менять свою буквенную последовательность. Поэтому клетки, чья генетическая информация состоит из РНК, очень быстро стали бы очень разными. Если последовательность букв изменяется таким образом, что положительно влияет на размножение, то эти клетки будут преобладать над другими. Именно с этого наконец началась эволюция, и вот тут стало можно впервые заговорить о биологии.

Со временем, когда клетки стали более сложными, задача долгосрочного хранения информации была передана от РНК к ДНК. Хотя обе молекулы химически практически идентичны, ДНК гораздо более стабильна и поэтому лучше подходит для такой работы. Белки были созданы для того, чтобы взять на себя выполнение сложных задач, с которыми не в состоянии справиться РНК. Некоторые клетки вбирали другие клетки. Это привело к появлению внутренних секций, которые могли взять на себя выполнение различных задач, как, например, клеточное ядро, которое заботится о ДНК, или митохондрии, которые отвечают за производство энергии.

Долгое время эти одноклеточные организмы играли доминирующую роль в мировых событиях. И все же когда первые клетки заметили, что сотрудничество имеет больше преимуществ, нежели конкуренция, образовались многоклеточные организмы и случился бум сложной жизни. В результате появились вы, я и любая другая форма жизни, которую мы сегодня можем с восхищением наблюдать невооруженным глазом.

Мы — это хорошо организованная группа одноклеточных организмов, которые собрались вместе, чтобы устроить грандиозную вечеринку.

Так сколько же было первичных клеток?

Но откуда мы знаем, что у жизни был лишь один первоисточник? Разве несколько первичных клеток не могли возникнуть независимо друг от друга? Можно ли убедить себя, что вы и собака, которая вечно просится на улицу, произошли от разных первичных клеток? В некоторых своих свойствах все живые существа в мире настолько похожи, что кажется, будто не существует другого объяснения, кроме общего происхождения. Ученый-биохимик Дуглас Теобальд сравнил аминокислотные последовательности у различных видов и подсчитал, что общее происхождение всех живых существ по меньшей мере в 102860 раз более вероятно, чем другие мыслимые сценарии, такие как, например, многочисленные первичные клетки, возникшие независимо друг от друга [8]. Вероятность равняется единице, поделенной на число с 2860 нулями. Для сравнения, вероятность выпадения всех шести правильных цифр в лотерее равна единице, поделенной на число всего с шестью нулями. Так что есть веские причины верить в наше общее происхождение. Для меня это знание стало одним из прекраснейших подарков, преподнесенных нам биологией. Теперь-то мы знаем, что у нас есть общие предки с каждой обезьяной, каждой птицей, каждым грибом, каждым растением и даже каждой кишечной палочкой, с которой мы делим нашу планету. Во времена Дарвина это было невероятно. Но те, кто любит смотреть реалити-шоу, замечают, что наше отделение от одноклеточных организмов произошло не так уж и давно.

Вероятно, мы никогда не сможем с уверенностью сказать, как именно появилась первая клетка. Но тот факт, что мы можем создавать модели, которые частично поддаются экспериментальной проверке и описывают правдоподобный переход от неживой материи к живой, должен вызывать у нас некоторую гордость. Мы — первые млекопитающие, у которых это получилось. Чтобы суметь насладиться этой книгой в полной мере, давайте еще немного поговорим о ДНК, живущей в наших клетках. Вы уже знакомы с этой двойной спиралью, которая содержит буквы А, Т, G, С и решает, начнете ли вы лысеть к сорока годам. Практически все клетки вашего тела содержат всю вашу генетическую информацию за несколькими незначительными исключениями, такими как эритроциты (перенос кислорода), тромбоциты (свертывание крови) и клетки в линзах глаз (зрение). Чтобы спираль ДНК поместилась в наши клетки, она должна быть очень плотно свернута.