Этюды добиологической эволюции

Этюды добиологической  эволюции

М. Эйген, известный  химик, лауреат Нобелевской премии 1967 г., пришёл к выводу, что ключевым веществом, давшем начало добиологической  эволюции, могла быть только РНК. В  первичном океане могла происходить  репликация (самосборка) копий РНК-овых нитей при этом разные по структуре молекулы РНК конкурировали за одни и те же ресурсы. В древних морях не было клеток, но дарвиновский отбор мог происходить на уровне отдельных циклов химических реакций.

Основная идея Эйгена заключалась в следующем. РНК способна к самосборке, но химически неустойчива. По Эйгену, молекула РНК состоящая более чем из 100 нуклеотидов наверняка воспроизведёт себя неправильно. Двухцепочечная ДНК более надёжно хранит и копирует информацию, но химически более инертна и не может "размножаться" автономно. Понятно, почему вовлечение ДНК в химические циклы самосборки РНК даёт селективные преимущества - удачные, "более приспособленные" молекулы РНК можно копировать с ДНК-овой матрицы без ошибок, причём, чем крупнее молекула РНК, тем более важной становится проблема точности дупликации. Однако, на первом этапе - до вовлечения ДНК в структуру преджизни - можно повысить надёжность копирования нитей РНК до 1000 нуклеотидов и более, если несколько циклов химических реакций связать друг с другом таким образом, что любой "последний" цикл запускает начало "первого". Полученную конструкцию назовём гиперциклом. Эта система выбраковки ошибочных копий моделировалась как на ЭВМ, так и на сложных биохимических  гиперциклических системах.

Итак, по Эйгену, первый естественный отбор на земле  – это отбор гиперциклов. В  соревновании "кто быстрее себя скопирует" отдельные молекулы РНК способствовали синтезу простейших – из трёх-четырёх видов аминокислот - протобелковых полимеров, которые катализировали самосборку именно этих типов РНК. Эйген детально проанализировал возможность синтеза полимеров аминокислот без рибосом. В том виде, который его гипотеза имела к началу 80-х годов, в ней было довольно много непроверенных допущений.

В1983 г. Р. Чек  обнаружил, что РНК обладает ферментативной активностью. РНК оказалась способной  вырезать из первичной последовательности нуклеотидов некоторые участки. Такие операции в геноме эукариот осуществляют специальные ферменты, а вся процедура называется сплайсингом. Позже обнаружилось, что РНК-ферменты способны вырезать, разрезать или, наоборот, сшивать любые заданные участки в цепочках РНК. В том же году С. Олтмен открыл комплекс белок-РНК, где ферментативной активностью обладала именно РНК, белок играл роль "подложки". Этот фермент тоже воздействовал на РНК.

Зачем живым организмам белки? Некоторые белки являются структурными, формируя химически инертные соединения, такие например, как волокна ногтей или волос. Но главная функция белков – служить ферментами, биологическими катализаторами, ускоряющими химические реакции в тысячи раз. Согласно гипотезе Эйгена, важнейшая задача белка – обеспечить удвоение (дупликациию) нуклеиновых кислот. Однако, благодаря открытиям Чека и Олтмена, оказалось, что худо-бедно РНК может и без белков справляться с рядом процессов модификации других молекул РНК. Правда, РНК, дуплицирующая нуклеиновые кислоты, не найдена, однако подобная операция не кажется невозможной в принципе. Может быть, она способна проявить подобные функции, находясь в комплексе с белком. Сейчас найдены многие ферменты, у которых активный центр образован РНК, а белок аталитически инертен. Рибосома состоит из нескольких десятков молекул белков и трёх нитей РНК, 60% веса рибосомы приходится на РНК и только 40% - белок.

Отсюда совершенно естественно вытекает основная идея гипотезы Эйгена -  первичная жизнь была РНК-овой. Белок на начальном этапе эволюции мог быть подложкой, на котором закреплялась химически акивная РНК. Грубо говоря, изначально белок являлся чем-то вроде кухонного мужика при кухне, где шеф-поваром являлась РНК, и его личные качества не сказывались на качестве блюд. Но белок мог совершенствоваться и постепенно всё более полно участвовать в работе кухни.

В 1989 г. Чек и  Олтмен получили Нобелевскую премию по химии за открытие нового класса ферментов, получившего название рибозимы. В настоящее время гипотеза происхождения жизни на базе "первичных генов", составленных из РНК, является ведущей.

Итак, в первичном  океане осуществлялись сложные циклические  химические реакции синтеза, разрушения, ресинтеза РНК, которые, благодаря  конкуренции за общий ресурс, подвергались дарвиновскому отбору. РНК-овые ферменты дупликации – рибозимы – могли усиливать свою каталитическою функцию, вступая в обратимые соединения с протобелками. Дальнейшие процессы добиологической эволюции раскручивали маховик взаимодействия белок – РНК, потому что ферментативные качества белка потенциально более высоки, чем таковые РНК. Белки дупликации могли обеспечивать матричный синтез не только молекул РНК, но и ДНК.

Остаётся объяснить  переход от "живого океана" к  клетке. Клетка – это нечто, окружённое клеточной мембраной. Мембрана состоит  из липидов, т. е. жироподобных веществ (и не только -подобных, жиры – тоже липиды). Для дилетанта достаточно понимать, что, подобно жиру, липиды отталкивают воду, совершенно не смачиваются. В первичном океане лёгкие липиды всплывали наверх, образуя тоненькую плёнку. Подобная плёнка существует не только на поверхности борща, но и на поверхности нынешнего Мирового океана, правда представленная не растопленным свиным салом, а другими соединениями. Уроним на такую поверхность что-либо таким образом, чтобы брызги полетели. Каждая летящая капелька – это морская вода, окружённая липидной плёнкой. Если случайным образом в ней оказались нужные белки, ДНК, РНК, то модель клетки готова. Теперь представим мощный прибой, непрерывную цепь волн, обрушивающихся на скалы, водяную пыль над ними – вот он, непрерывный генератор микроскопических единичек, способных стать клетками.

Представленная  модель – не единственная. Сферические  кон-струкции из липидных плёнок, полученных в результате реакций синтеза органики из газов "первич-ной атмосферы" и воды получались у разных исследователей при разных условиях.

То же самое  справедливо и для накопителей  и преобразователей энергии –  фосфатных соединений, возможных  предшественников АТФ и пиррольных конструкций, способ-ных к переходить в возбуждённое состояние при захвате кванта света, подобно молекуле хлорофилла.