Гены, эгоизм и сила сотрудничества: Эволюция как командная игра - Джонатан Силвертаун

Экспедиция открыла 5000 новых видов, но для тех, кто считал, будто Bathybius haeckelii может оказаться первичной формой жизни, наибольшее значение имел отрицательный результат. Судовой химик Джон Янг Бьюкенен показал, что вещество, принятое Гексли за «уршляйм», на самом деле было всего лишь химическим осадком, образовавшимся при добавлении спирта к морской воде.

Гексли достойно воспринял неприятные новости, услышав их от Уайвилла Томсона, и выступил с опровержением. А вот Геккелю потребовалось больше времени, чтобы смириться с тем, что первичная слизь, названная его именем, оказалась фикцией. У Уайвилла Томсона были и другие неутешительные известия. По возвращении он написал, что экспедиция обнаружила следующее: «Характер абиссальной фауны не позволяет поддержать теорию, объясняющую эволюцию видов лишь крайней изменчивостью, направляемой естественным отбором». Сам Дарвин, не выбирая выражений, ответил письмом в журнал Nature: «Подобный уровень критики нередко встречается у теологов и метафизиков, когда они берутся рассуждать о науке, но для натуралиста это нечто новое»[346].

Обвинить коллегу в «ненаучности» – это, пожалуй, худшее оскорбление в традиционно вежливых научных кругах. Дарвин, как правило довольно сдержанный, на сей раз сам стал своим «бульдогом», но у него был веский довод. Он доказывал, что нельзя просто каталогизировать результаты эволюции – в данном случае разнообразие жизни на дне океана – и надеяться увидеть, как у тебя на глазах тикает лежащий в основе этих результатов базовый механизм естественного отбора. Это и на суше было бы странно, так с чего бы ожидать подобного в океанских безднах? Эволюционисты отчаянно нуждались в механизме, который позволил бы перебросить мост между неживой и живой материей, не прибегая к чудесам (или километрам канатов).

В уже упомянутом частном письме к Гукеру Дарвин сомневался, что в наши дни возможно наблюдать возникновение жизни в каком-нибудь «теплом прудике». Он полагал, что потомки существ, зародившихся в подобных местах бог знает когда, населяют их и сейчас, поглощая все необходимые ингредиенты прежде, чем из них может появиться нечто новое. Это отличное соображение, и, вероятно, оно объясняет, почему жизнь зародилась лишь однажды. Однако эту гипотезу можно проверить. Возможно ли экспериментально воссоздать жизнь в стерильных лабораторных условиях?

Если вы хотя бы мельком заглядывали в учебник биологии, вышедший менее полувека назад, то наверняка читали о лабораторных опытах Стэнли Миллера и Гарольда Юри. В 1950-х годах они синтезировали различные аминокислоты и другие строительные блоки жизни, пропуская электрический разряд через колбу с газами, имитирующими первичную атмосферу Земли. Эксперимент подтвердил более ранние идеи русского химика А. И. Опарина и Дж. Б. С. Холдейна: они предполагали, что в первичном океане мог существовать «бульон» из органических молекул, возникших под действием молний. И снова океан! Воображение ученых, исследующих происхождение жизни, неизменно обращается к океану, поскольку данные палеонтологической летописи вполне однозначно указывают, что именно там она и зародилась.

Мы еще вернемся к океану как колыбели жизни, но наше современное представление о клетке открыло подход к проблеме ее происхождения, немыслимый в 1850-х или даже 1950-х годах. Вместо того чтобы вглядываться в бескрайние просторы океана, пытаясь выудить из бездны свидетельства древней жизни, мы можем заглянуть в саму клетку в поисках улик и начать двигаться в обратном направлении. Даже не зная, как именно зародилась жизнь, мы можем сделать выводы о том, какие препятствия ей пришлось преодолеть, чтобы стать такой, какой мы ее знаем. Такой подход привел к удивительному прогрессу в области, которая некогда казалась неразрешимой загадкой.

Возьмем современную клетку. Первая сложность заключается в том, что ее работа зависит от двух совершенно разных видов молекул, действующих в тесной связке. Одни хранят и воспроизводят генетический план клетки, а другие используются для ее построения и энергоснабжения. Первые – это ДНК, вещество генов, вторые – белки, из которых состоят ферменты и многое другое. Обе молекулы представляют собой полимеры, то есть цепочки меньших единиц, соединенных подобно бусинам на нитке, – но состоят они из разных субъединиц. Молекулы ДНК строятся из нуклеотидов, белковые – из аминокислот.

Нет нужды углубляться в головокружительно сложную структуру функционирующей клетки – между прочим, ведущий учебник по этой теме[347] насчитывает более 1400 страниц[348], – чтобы оценить проблему. Любая мыслимая примитивная клетка нуждалась бы в молекулах, выполняющих обе функции – и ДНК, и белков. Наследственность необходима для жизни, как, впрочем, и использование энергии, для чего обычно требуются ферменты, состоящие из белков. Могли ли обе эти функции изначально выполняться молекулами одного типа? И если да, то как произошло разделение обязанностей, наблюдаемое сегодня во всех клетках?

Эволюция консервативна и создает новые механизмы, дорабатывая старые. Представьте клетку как фабрику, открытую для посетителей. Вас наверняка впечатлила бы кипящая внутри бурная деятельность, жар, исходящий от тысяч митохондрий, работающих при температуре 50 ℃, непрестанное жужжание транспортеров, несущих сырье и готовую продукцию, – но вы едва ли воскликнули бы: «Какое тут все новенькое и блестящее!» Наоборот, вы поразились бы, на что способны древние механизмы, которые то и дело чинят с тех самых пор, как фабрика открылась в старом сарайчике. Самые старые станки – рибосомы, работающие с незапамятных времен. Это полностью функциональные молекулярные ископаемые, которым 4 миллиарда лет. На что способны столь древние структуры? Абсолютно на все.

Рибосомы транслируют закодированную в ДНК генетическую информацию в белки, и в каждой клетке их миллионы. Генетические инструкции для создания белка передаются между ДНК-чертежом в ядре и рибосомами в цитоплазме с помощью молекул РНК. РНК, как и ДНК, представляет собой цепочку нуклеотидов, но, в отличие от знаменитой двойной спирали ДНК, она одноцепочечная. ДНК – химически стабильное хранилище генетической информации, тогда как РНК приводит эту информацию в действие. Одиночная структура РНК делает ее более открытой для взаимодействия с другими молекулами, что необходимо для выполнения ее многочисленных функций.

Разные виды молекул РНК выполняют разные задачи. Матричная РНК, или мРНК, доставляет информацию из ядра к рибосомам. Сами рибосомы состоят из рибосомной РНК (рРНК) и белков. Почему ученые считают, что рибосомы очень древние? Потому что гены, кодирующие их ключевые функции, можно сказать, универсальны. За миллиарды лет жизнь приобрела невероятное разнообразие, большинство базовых генов изменились, но существует основной набор, составляющий менее 100 генов и встречающийся у всех живых существ, от прокариот до профессиональных футболистов[349]. Большинство из этой сотни генов кодируют рРНК. Отсюда следуют два вывода: ядро рибосомной структуры возникло на заре жизни, до появления последнего общего предка всех организмов, а ее функция настолько важна, что эволюция сохранила ее в неизменном виде.

В рибосоме процесс конструирования белка начинается с молекулы мРНК, несущей закодированный рецепт белка, и мРНК протягивается через рибосому, словно лента. В отличие от глины, из которой делается горшок, мРНК сама не становится частью растущей структуры, а служит матрицей (шаблоном): по этой матрице и строится белок. Пока лента мРНК проходит через рибосому, к ней одна за другой доставляются молекулы аминокислот, прикрепленные к небольшим молекулам транспортной РНК (тРНК). Существует 20 различных аминокислот, встречающихся в белках, и рибосома должна выстроить их в определенном порядке, чтобы в итоге получить функциональную белковую молекулу. Эту задачу выполняют тРНК, служащие адапторами.

Молекулы тРНК на одном конце несут код определенной аминокислоты, а на другом – саму эту аминокислоту. Внутри рибосомы тРНК присоединяется к соответствующему коду на ленте мРНК, подводя свою аминокислоту к нужной позиции на конце недостроенного белка. Как только следующая аминокислота встает на место, рибосома прикрепляет ее к создаваемому белку, а тРНК отсоединяется. Дело сделано.

По мере сборки растущая белковая нить выходит из туннеля рибосомы и самопроизвольно сворачивается в трехмерную структуру. Выводной туннель принадлежит высококонсервативному ядру рибосомы. Каждый белок в каждой клетке на планете последние 4 миллиарда лет появляется на свет именно так. Рибосомный выводной туннель не что иное, как молекулярные родовые пути всего живого.

Вам, несомненно, уже пришло в голову, что рибосома – прекрасный кандидат на роль одного из первых участников зарождения жизни. РНК не только достаточно древняя, но и идеально подходит под описание молекулы, способной и передавать наследственную информацию, и использовать энергию. Первое