Происхождение жизни. От туманности до клетки - Михаил Никитин

Идея жизни без полимеров вызывает скепсис у многих ученых не только потому, что конкретные ее варианты не удается воспроизвести в лаборатории. Сомнения вызывает сама концепция концентрационного генома – возможности хранения информации в химическом составе смеси веществ. В любом сколько-нибудь значительном объеме будет так много молекул, что их концентрации могут изменяться плавно, без заметных скачков. Например, в объеме бактериальной клетки (размер – 0,001 мм, объем – 10–9 мм³) содержится около 1010 атомов и, следовательно, около 108 молекул-мономеров, таких как аминокислоты и нуклеотиды. Обмен веществ типичной бактерии включает несколько сотен разновидностей малых молекул (аминокислоты, нуклеотиды, сахара, липиды, витамины и промежуточные продукты, такие как кислоты цикла Кребса). Следовательно, в объеме бактериальной клетки будет примерно от 10 000 до 1 млн малых молекул каждого сорта, и их концентрация может меняться ступеньками по 0,01 % и меньше, что совершенно неразличимо на биохимическом уровне точности. Случайные колебания концентраций веществ, вызванные тепловым движением молекул, легко разрушат хранимую таким образом информацию. Здесь уместен пример из области электроники – при аналоговой передаче сигнала он неизбежно искажается и загрязняется шумами, поэтому сейчас для записи и передачи звука и других аналоговых сигналов их переводят в цифровую форму – последовательность нулей и единиц, не подверженную слабым помехам.

Наша ДНК тоже представляет собой цифровую запись информации. Нуклеотидов всего четыре, и вероятность превращения одного из них в другой очень мала. Вероятность ошибки при копировании ДНК выше, но сложные и совершенные ферменты позволяют снизить и ее до одной ошибки на 100 млн нуклеотидов. К идее, что генетическая информация может надежно храниться только в цифровом виде, первым подошел физик Эрвин Шрёдингер в своей пророческой работе 1944 года «Что такое жизнь?». К тому времени было известно, что наследственная информация хранится в очень малом объеме, соответствующем крупной молекуле, и единственный квант рентгеновского излучения может вызвать мутацию. Пытаясь понять, как такие маленькие структуры могут надежно сохраняться годами, он пришел к идее «апериодического кристалла». Значительно позже Докинз предположил (Dawkins, 1996), что надежное хранение генетической информации возможно только в виде последовательности разных мономеров в полимерной молекуле, независимо от химической природы жизни. Строгое доказательство этого было выведено российским математиком Сергеем Вакуленко (Vakulenko, Grigoriev, 2008).

Ненадежность «концентрационного генома» можно проиллюстрировать на примере действия радиации на геномы обычные. Как известно, радиация очень опасна для живых организмов, особенно сложных. Например, для человека поглощенная доза излучения 10 грей приводит к смерти в течение двух-трех недель. Единица поглощенной дозы, грей, определяется как 1 джоуль излучения, переданный на 1 кг массы тела. Иначе говоря, смертельная доза радиации в пересчете на привычные единицы энергии – это всего лишь 700 джоулей, или 160 калорий. По всем обычным энергетическим масштабам человеческого организма это смехотворно мало. Это меньше, чем тепловая энергия, которую он получает от одного стакана умеренно горячего чая с температурой 40 °C. От стакана горячего чая еще никто не умирал. Почему же радиация так опасна?

Отличие радиации от тепла в том, что тепловая энергия распределена на гигантское количество мелких порций – движений отдельных молекул. Радиация же представляет собой довольно большие порции энергии в малом объеме – гамма-кванты, нейтроны, быстрые заряженные частицы. При встрече такой частицы с молекулой ДНК или белка большая порция энергии точечно воздействует на одну связь между атомами и, естественно, ее разрывает. Тепловые движения соседних молекул воздействуют на каждое звено ДНК миллиарды раз в секунду, но не превышают ее предела прочности. Если мы сравним тепло и радиацию с другими формами энергии, то окажется, что 700 джоулей вполне могут быть опасны, если они взаимодействуют с живым организмом в концентрированной форме. Например, 700 джоулей механической энергии организм человека получает при падении с высоты одного метра или от двух выстрелов из пистолета в упор. Понятно, что второй случай гораздо опаснее.

Тепловая энергия настолько безопасна для нас, как и для любого другого живого организма, потому что она распределена на мелкие порции, далеко не достигающие предела прочности ДНК. Концентрационный геном такого предела прочности не имеет и будет накапливать изменения просто от тепловых движений молекул. Поэтому при любой температуре кроме абсолютного нуля концентрационный геном будет разрушаться, как ДНК под действием радиации.

Если же для хранения наследственной информации важна не точная концентрация вещества, а только есть оно или нет, то информационная емкость подобной системы слишком мала – в ней должен быть свой автокаталитический цикл на каждый бит хранимой информации. Разные автокаталитические циклы из малых молекул не всегда хорошо уживаются друг с другом, поэтому вряд ли в одном объеме их может быть больше десяти. Для записи десяти бит информации достаточно последовательности из трех нуклеотидов. Так что аналоговый концентрационный геном ненадежен, а цифровой концентрационный геном (со своим автокаталитическим циклом на каждый бит информации) имеет ничтожную емкость по сравнению с простейшими молекулами РНК и не может поддерживать эволюцию.

Итак, мы видим, что нет убедительных доводов в пользу какой бы то ни было живой системы, предшествовавшей миру РНК. Только с появлением генетического полимера становятся возможными устойчивое воспроизведение тысяч разновидностей похожих, но разных живых систем, а значит, и эволюция путем мутаций и естественного отбора. Затем эта эволюция превратила РНК-организмы в клетки, оснащенные белками, ДНК и клеточной мембраной, изолирующей внутреннюю среду. Можно полагать, что клеточная жизнь вышла из геотермальной колыбели, освоила всю поверхность планеты и стала глобальной силой, регулирующей состав атмосферы и климат. В третьей части книги мы увидим, как это происходило.

Важнейшим шагом на пути от мира РНК к современной клеточной жизни стало появление системы синтеза белков, основанной на генетическом коде. Мир РНК был неизбежно ограничен противоречивыми требованиями к молекулам РНК. В роли рибозимов они должны компактно и прочно сворачиваться, а в роли генетического материала РНК с той же последовательностью должны быть в вытянутом состоянии. Хотя при помощи солей, органических аминов и коротких пептидов это противоречие можно в какой-то мере разрешить, оно все равно мешает создавать большие, сложные и точные рибозимы.

Появление белков снимает это противоречие. Белки не подлежат копированию и поэтому могут сворачиваться настолько плотно, насколько это требуется для их работы в качестве ферментов. Отдельные аминокислоты и короткие пептиды использовались и в мире РНК, но революцией стало появление рибосомы и генетического кода. С этого момента открылась возможность создавать крупные белковые молекулы с нужными свойствами по инструкции, записанной в молекуле РНК.