Код жизни. Как случайность стала биологией

Несомненно, есть и те, кто считает попытки синтезировать живую материю из химических веществ в лаборатории посягательством на некое «тайное знание», своего рода «игрой в Бога». Более того, опрос, проведенный исследовательским центром Пью в ноябре 2021 года, показал, что лишь одна шестая часть американцев не верит в загробную жизнь, а почти три четверти взрослых американцев верят в рай (а это, в сущности, все равно что верить, что жизнь зародилась не просто в результате химических реакций). Нам не кажется, что изучение происхождения жизни должно быть так или иначе табуировано. Мощная тяга к познанию всегда заставляла людей пытаться расшифровать тайны природы и ответить на всевозможные «Как», «Что» и «Почему». Если речь идет о чем-то вроде жизни, то есть о самом дорогом для нас, людей, разве можно вообразить, что нам не захочется узнать, откуда она взялась, или выяснить, ограничено ли ее распространение нашей Землей? Как выразился когда-то сам Галилей, «я не считаю себя обязанным верить, что тот же Бог, который подарил нам чувства, разум и логику, хотел бы, чтобы мы ими не пользовались». Но вот к тому, что делать с полученным знанием, мы, безусловно, обязаны применять все этические, моральные и человеческие принципы, чтобы решить, хорошо это или плохо.

Некоторые возражают даже против астрономических исследований и поисков внеземной жизни, считая это опасным. Но и здесь, хотя, конечно, никто не может гарантировать, какие отношения возникнут у человечества с существами, которые, вероятно, будут радикально отличаться от нас, мы не думаем, что кто-то сумеет остановить человеческую любознательность, которая всегда подталкивала исследовать далеко не только то, что нужно для выживания.

В очаровательной книге «Маленький принц» Антуана де Сент-Экзюпери есть замечательный диалог между рассказчиком и заглавным героем перед тем, как Маленький принц собирается вернуться на свою родную планету (астероид). Маленький принц говорит: «У каждого человека свои звезды… Но для всех этих людей звезды – немые. А у тебя будут совсем особенные звезды…» «Как так?» – недоумевает рассказчик. А Маленький принц отвечает: «Ты посмотришь ночью на небо, а ведь там будет такая звезда, где я живу, где я смеюсь, – и ты услышишь, что все звезды смеются. У тебя будут звезды, которые умеют смеяться!»[15] Только представьте себе, что бы мы чувствовали, если бы и в самом деле точно знали, что на той или иной экзопланете кто-то живет – или если бы по-настоящему понимали, как появилась жизнь здесь, на Земле.

Наша исследовательская экспедиция начнется на нашей родной планете, на Земле. Поскольку жизнь на Земле – единственная форма жизни, с которой мы знакомы на сегодня, первый вопрос, над которым ломали себе голову химики, звучит так: могла ли жизнь на Земле возникнуть в результате обычных химических реакций? А точнее, могли ли живые протоклетки возникнуть из химических веществ, которые, как мы полагаем, существовали на молодой Земле? Чтобы ответить на этот важнейший вопрос, исследователи предбиологической химии прежде всего попытались выявить, какая череда химических реакций приводит к появлению строительного материала РНК и белков. Цель следующего шага очевидна: создать систему клеток, которая была бы способна эволюционировать по Дарвину. В ближайших четырех главах мы описываем эти поразительные исследования, рассказываем обо всех их провалах и успехах, о понятийных революциях, которые с неизбежностью при этом происходили. Естественно, без химии не обошлось, а мы отдаем себе отчет, что многие наши читатели «подзабыли» биохимию. Однако мы считаем, что нам представилась уникальная возможность снабдить заинтересованных читателей – возможно, впервые – самыми подробными и самыми свежими сведениями о невероятных достижениях в этой области в последние два десятилетия. Мы думаем, что три самых животрепещущих фундаментальных вопроса в науке – это как раз вопросы о происхождении: о происхождении вселенной, о происхождении жизни и о происхождении разума или сознания. Очевидно, если учесть современное состояние науки и техники, самым близким к разрешению на сегодня представляется вопрос о происхождении жизни.

Глава 2. Происхождение жизни: мир РНК

Знаете, жизнь – это как открыть банку сардин.

Мы все мечемся в поисках открывашки.

Алан Беннет в шоу «За гранью»

Попытки найти путь от химических веществ и реакций на поверхности юной Земли к зарождению биологических структур с самого начала натолкнулись на множество препятствий. Прежде всего, возник непростой вопрос, о котором мы упоминали в главе 1, – вопрос сложности современных биологических процессов, где все зависит от всего остального по замкнутому кругу. Вспомним, к примеру, что молекулы ДНК и РНК нужны для кодирования информации, которая определяет создание тех самых белков, которые требуются для строительства ДНК и РНК. Эта сложность приводила к очевидным дилеммам причины и следствия типа «курица или яйцо». Однако была и другая, еще более фундаментальная проблема. Речь идет о вопросе, может ли вообще существовать химический путь, при котором стартовый набор соединений в результате какой-то последовательности шагов превращается в желаемые продукты, если в этих реакциях не участвуют ферменты и биологические механизмы контроля.

Некоторые исследователи прямо говорят, что шансов на то, что многошаговый химический синтез произойдет в природных условиях, исчезающе мало. Космолог и астробиолог Пол Дэвис, в частности, выдвигает следующий вероятностный довод. Предположим, что для зарождения жизни требуется последовательность из десяти определенных важнейших химических шагов (Дэвис полагал, что десять – это, мягко говоря, заниженное количество этапов, на самом деле нужно гораздо больше). Далее представим себе, что вероятность каждого шага составляет 1 % за период, пока планета остается пригодной для обитания (это опять же оптимистический прогноз). Тогда вероятность возникновения жизни сокрушительно мала – один шанс на сто квинтиллионов (т. е. 10–20), если быть точными.

Много лет подобные гипотетические трудности считались непреодолимыми препятствиями. Однако сегодня исследователи происхождения жизни считают, что они нашли способы, которыми Природа могла бы – хотя бы в принципе – решить такого рода заковыристые задачи, и это не может не восхищать. В этой и следующих четырех главах мы проследим за ходом впечатляющего прогресса, который был достигнут в последние годы в понимании происхождения жизни. В нашем кратком обзоре с неизбежностью встретятся труднопроизносимые названия соединений, участвующих в биохимических реакциях, и целые россыпи затейливых химических и физических процессов. Мы постараемся делать упор на кульминационных частях этой истории открытий и прорывов. Кроме того, мы надеемся пояснить, какие понятийные трудности приходилось преодолевать и какие остроумные решения для этих проблем придумали ученые. Надеемся, такой подход, пусть даже сложный для читателя, поможет оценить логику и красоту научного процесса, а также блестящий ум и терпение ученых.

Чтобы преодолеть первую проблему – проблему самореферентности современной биологии – ученые предложили, что когда-то существовала несколько отличная от нынешних, совсем простая первоначальная клетка, так называемая протоклетка. Однако эта гипотеза вызвала новые сложности (вдобавок к фундаментальному вопросу о том, как возникли сами эти структуры). В частности, ученым нужно было понять, как протоклетки росли и делились без тех сложных биохимических механизмов, которыми снабжены современные клетки. Чтобы преодолеть это препятствие, пришлось прибегнуть к процессу доказательства от противного – то есть взять все основные понятия и поставить их с ног на голову. Что-то похожее происходит в последние годы с индустрией такси. Когда хочешь основать таксомоторную фирму, первое, что приходит в голову, – у такой фирмы должен быть собственный автопарк. Обратное предположение: у таксомоторной фирмы нет своих автомобилей. Всего двадцать лет назад такая фраза звучала бы совершенно безумно. Но сегодня, напротив, самые крупные «таксомоторные» компании в истории – это Uber и Lyft. Исследователи происхождения жизни вынуждены были признать, что хотя у современных клеток есть внутренний биохимический аппарат, управляющий ростом и делением клеток (что дает клеткам возможность приспособиться к изменчивым условиям на планете), у первоначальных клеток, по-видимому, все было совсем наоборот. То есть протоклетки брали все необходимое – материалы и энергию – в окружающей среде, и именно флуктуации среды стали тем двигателем, который управлял ростом, делением и репликацией клеток.

Чтобы подробнее изучить вероятное происхождение и структуру первых клеток, нам нужно рассмотреть много дополнительных вопросов. Они касаются самых разных тем, от геологических сценариев и предбиологической химии до самой природы этих клеток и эволюционных событий, которые могли привести к возникновению современной жизни. При этом важно не ожидать ответов на все вопросы сразу: нужно понимать, что в попытках составить более полную картину нас ждет довольно много фальстартов, тупиков, отступлений и неудач. Вот лишь неполный список вопросов, на который нам придется ответить: каковы главные строительные материалы, необходимые, чтобы запустить процессы формирования клеток? Какие источники энергии, вероятнее всего, поддерживали необходимые химические реакции? Что требовалось, чтобы устроить уютное гнездышко для самых первых клеток? А главное, пожалуй, – сколько ниш в окружающей среде было нужно, чтобы возникла жизнь? Иначе говоря, не было ли такого, что жизни на Земле требовались одни условия для создания строительного материала и совсем другие – чтобы поддержать саму жизнь, когда она уже зародилась?

Помимо этих фундаментальных вопросов есть и множество других, иногда более конкретных. Например, хотя довольно соблазнительной представляется известная уже несколько десятков лет гипотеза о более простых временах в истории жизни, так называемая гипотеза мира РНК, согласно которой на некотором этапе эволюции жизни на Земле жизненными процессами управляли самовоспроизводящиеся молекулы РНК, эта гипотеза вызвала множество споров и вопросов, по большей части остающихся без ответа. В первую очередь, разумеется, сложно понять, как груды химических соединений, скопившиеся на поверхности молодой Земли, могли породить даже самые простые клетки мира РНК.

Загадки налицо и на других уровнях. Например, эксперименты, которые проводит в лаборатории Британского совета по медицинским исследованиям химик Джон Сазерленд, а также труды других наших коллег многое говорят нам о том, какие химические пути могли привести к созданию строительного материала для РНК – молекулярных соединений под названием рибонуклеотиды. Но те же самые эксперименты показали, что одновременно с материалами, из которых могли возникнуть предшественники РНК, с неизбежностью должны синтезироваться и другие близкородственные молекулы. Предбиологические химические реакции не зависели от белковых ферментов, которые контролируют синтез всего в современных клетках, и поэтому порождали гораздо более беспорядочную смесь продуктов. Тогда почему из этой каши материализовалась именно РНК, а не какая-нибудь ее «троюродная сестра»? С этим связан другой важный вопрос: может быть, на экзопланетах в качестве первой генетической молекулы жизни возникла не РНК, а какая-то другая молекула? Или, скажем, в природе химии как таковой есть нечто, что способствует возникновению именно РНК, и тогда любая жизнь во вселенной должна начинаться с тех же самых РНК-соединений? Казалось бы, такие масштабные вопросы относятся скорее к метафизике, чем к биохимии, однако недавние исследования показали, что на них можно получить убедительные ответы в результате систематического изучения химических закономерностей.

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «Литрес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на Литрес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.

Примечания

1

Цит. по: Кэрролл Л. Алиса в Стране чудес. Алиса в Зазеркалье / Пер. Н. Демуровой, пер. стихов С. Маршака. М.: Азбука, 2024.

2

Цит. по: Джебран Х. Пророк / Пер. И. Зотиковой. М.: Радуга, 1989.

3

Цит. по: Тит Лукреций Кар. О природе вещей / Пер. Ф. Петровского. М.: Азбука-Аттикус, 2019.

4

Здесь и далее, если не сказано иное, перевод Анастасии Бродоцкой.

5

Цит. по: Библия. Книги Священного Писания Ветхого и Нового Завета. Бытие 2:7.

6

Цит. по: Аристотель. О душе / Пер. Э. Радлова, П. С. Попова, Е. В. Алымовой. М.: Издательство АСТ, 2021.

7

Шрёдингер Э. Что такое жизнь? / Пер. К. Егоровой. М.: Издательство АСТ, 2018.

8

Цит. по: Уайльд О. Пьесы. Перевод с английского и французского / Пер. Н. Дарузес. M.: Государственное издательство «Искусство», 1960.

9

Это, конечно же, на самом деле не так: Вёлер пытался получать цианат аммония, который изомеризовался в мочевину при нагревании. Собственно цианат аммония он смог получить два года спустя взаимодействием сухого аммиака с циановой кислотой. – Здесь и далее, если не сказано иное, примечания научных редакторов.

10

«Transiting Exoplanet Survey Satellite» (англ.) – «Транзитный спутник для исследования экзопланет». – Прим. ред.

11

Имеется в виду отсылка к английской сказке «Златовласка и три медведя» (аналогична русской «Три медведя»). Героиня сказки Златовласка пользуется вещами трех медведей, из которых одна оказывается слишком большой, другая – слишком маленькой, а третья – в самый раз.

12

Подробнее эта история будет рассказана в главе 11. — Прим. ред.

13

Цит. по: Дойл А. К. Самые знаменитые расследования Шерлока Холмса // Приключение «Скандал в Богемии» / Пер. И. Гуровой. М.: Эксмо, 2016.

14

«Search for Extraterrestrial Intelligence» (англ.) – «Поиски внеземного разума». – Прим. ред.

15

Цит. по: Сент-Экзюпери А. Маленький принц / Пер. Н. Галь. М.: Детская литература, 2000.