Глава 28. РНК-мир
Ключевой проблемой происхождения жизни является вопрос о том, каким образом информация нуклеиновых кислот переводится в белковую информацию.
Белки выполняют всю работу в клетке, жизнь без них невозможна. Но они не способны сохранять наследственную информацию. А без этой функции жизнь невозможна тем более. Задачу решает ДНК.
То есть, ДНК не работает без белков, а белки – без ДНК. ДНК и белки не говорят на одном биологическом языке. Им нужен «переводчик». Эту функцию выполняет рибонуклеиновая кислота – молекула РНК, своеобразный посредник между ДНК и белками.
РНК представляет собой полимер, состоящий из множества похожих рибонуклеотидов. Каждый рибонуклеотид состоит из трёх частей: фосфорной кислоты, азотистого основания и рибозы.
С одной стороны, РНК способна самостоятельно катализировать химические реакции и соединять аминокислоты. То есть, она способна проделывать ту же работу, что и белки.
С другой стороны, РНК, как и ДНК, способна к самовоспроизводству. Главное отличие от ДНК заключается в том, что РНК состоит из одной нити. Следовательно, можно предположить, что функция кодирования была заимствована у РНК более устойчивой ДНК в ходе эволюции.
Сказанное означает, что РНК может одновременно выполнять обе функции – и хранение информации, и активную работу. Соответственно, возможен живой организм без ДНК и белков, в котором все функции реализуются исключительно молекулами РНК.
Так возникла идея о том, что клеточному миру предшествовал РНК-мир.
Согласно этой теории, первая жизнь на Земле состояла из множества колоний молекул РНК. Именно в этих колониях случайным образом самоорганизовалась протоклетка в виде жировой оболочки. Генетический код изначально был записан только в РНК-последовательностях.
Теория РНК-мира подтверждается имеющимися научными данными.
Во-первых, в живом организме именно РНК переносит в цитоплазму информацию, закодированную в ДНК. Копирование осуществляется необычайно быстро. Запись полного комплекта ДНК одной клетки занимает всего семь часов.
Во-вторых, РНК реально участвует в синтезе белков в соответствии с записанными в молекуле ДНК «инструкциями».
Главный постулат генетики заключается в том, что передача информации осуществляется по линии ДНК – РНК – белок. Правда, есть неприятные исключения из этого правила. В частности, к ним относятся ретровирусы, целиком состоящие из РНК. Наиболее известный из них – ВИЧ, вызывающий СПИД.
Возникает естественный вопрос. Если РНК способна выполнять обе функции, зачем тогда природе понадобились ДНК и белки?
Ответ на удивление прост. Несмотря на то, что РНК способна выполнять их функции, ДНК и белки просто лучше подходят для решения именно конкретных задач. ДНК – для хранения генетической информации, а белки – для ферментативной деятельности. То есть, РНК это твёрдый троечник, тогда как ДНК и белки в своей специализации – «круглые» отличники.
Конечно, природа стремится к совершенству. Но и не разбрасывает попусту имеющиеся ресурсы. С появлением ДНК и белков, РНК вполне могла стать лишней молекулой, а стала главной, связующим звеном всех «кирпичиков» жизни.
Открытие РНК-мира разрешило многие загадки в теории эволюции. Однако, главные вопросы попросту были перенесены с одного уровня на другой.
Откуда взялась самая первая РНК?
Как она случайно самовоспроизвелась в первый раз?
Каким образом возникли рибонуклеотиды?
Попробую, если не ответить на указанные вопросы, то хотя бы обозначить всю сложность их решения.
Ключевым моментом добиологической эволюции стало соединение азотистого основания и рибозы. Согласно теории, из простейшей органики синтезировались рибонуклеотиды, строительные «кирпичики» для образования молекулы РНК.
Однако, несмотря на все старания учёных, ничего подобного не удаётся воспроизвести во время эксперимента. Это концептуальная проблема.
Дело в том, что азотистые соединения и рибоза очень живучи. Теоретически, они могут самопроизвольно образоваться даже в открытом космосе. Тем более, они могли сформироваться в условиях древней Земли. Беда в том, что столь «неприхотливые» частные элементы категорически не хотят объединяться в единую структуру при аналогичных условиях, созданных в лабораториях.
Естественным путем могут возникнуть аминокислоты. Доказано экспериментом.
Естественным путем может появиться сложная органика. Доказано экспериментом.
Но никто не смог синтезировать нуклеотиды.
Следующая проблема состоит в том, что, после своего появления, нуклеотиды должны были соединиться в полимерную цепочку, которая стала бы удлиняться.
Мы знаем, что для усложнения и роста любой структуры нужна энергия. И чем она сложнее, тем больше требуется энергии. Даже если в какой-то момент случайно образовалась устойчивая полимерная цепочка, она не смогла бы самовоспроизводиться, если нет постоянного источника энергии.
Выходом из ситуации могла стать рекомбинация. То есть, обмен между молекулами РНК своими отдельными участками. Тогда, постепенно они могли удлиняться, образуя сложные нуклеотиды без постоянного привлечения внешнего источника энергии. Правда, и в таком раскладе по-прежнему неясно, почему отбиралась именно полезная информация.
Теоретически доказано, как с помощью белкового фермента из одной молекулы РНК можно вырастить целую колонию. Поскольку сама РНК может являться ферментом, то можно допустить, что катализатором роста колонии РНК могла стать сама РНК. Получается замкнутый цикл постепенно эволюционирующей жизни. Идея хороша хотя бы тем, что объясняет, как возник метаболизм, обмен веществом, что в итоге привело к наследованию полезных свойств.
Однако, в эксперименте из одной молекулы РНК вырастить большую колонию никак не получается. Кроме того, в замкнутом цикле, где молекула РНК самовоспроизводится, потому что является ферментом этого самовоспроизводства, не может появиться механизм эволюции. В обособленном мире неоткуда взяться многообразию. Замкнутая система, которая постоянно усложняется, также нереальна, как вечный двигатель.
Есть элегантный выход из порочного круга.
Эволюция возможна, если между обособленными колониями РНК возникла «конкуренция». Существует гипотеза, что толчком к ней могли стать климатические изменения. Сухая, либо, наоборот, влажная поверхность, особый химический состав водоёма и тому подобные причины могли привести к чередованию циклов селекции и циклов воспроизведения. Такого рода «конкуренция» могла привести к обмену информацией и, как следствие, к отбору. Я думаю, на сегодня это самая адекватная гипотеза.
Ещё одной проблемой при спонтанной самосборке длинных полимеров является их природная неустойчивость. То есть, попросту говоря, РНК практически неизбежно деградирует и разрушается из-за естественных ошибок копирования. Поэтому, не исключено, что РНК-миру предшествовал древний и примитивный мир более простых соединений. Какой именно – область полного тумана, загадок и предположений.
Есть интересная идея, что первичным был не синтез белков из аминокислот, а синтез сахаров, которые сохраняют стабильность даже в очень специфических водоёмах, весьма бедных органикой.
Безусловно, РНК-мир раскрывает многие загадки теории эволюции. Но главный вопрос не разрешён.
К сожалению, по-прежнему нет удовлетворительного объяснения спонтанному возникновению самой первой РНК.