Buch lesen: "Код жизни. Как случайность стала биологией", Seite 3
Книга жизни
В пьесе Оскара Уайльда «Женщина, не стоящая внимания» лорд Иллингворт заявляет: «Книга Жизни начинается с мужчины и женщины в саду». «А кончается Откровением», – парирует миссис Оллонби8.
Несмотря на сильную религиозную и эмоциональную приверженность идее, что жизнь предполагает какое-то волшебство или божественное вмешательство, к началу XIX века мнения начали меняться. Шаг в сторону освобождения жизни от потребности в «жизненной силе», непостижимой для науки, был предпринят в 1828 году, когда немецкий химик Фридрих Вёлер случайно синтезировал мочевину – вещество, которое содержится в моче и возникновение которого до этого считалось возможным только в живой материи – из обычных химических реактивов. В полном восторге от того, что ему удалось имитировать природу в лаборатории, Вёлер, склонный к экзальтации, написал своему учителю и коллеге химику Йёнсу Якобу Берцелиусу: «Я больше не могу, так сказать, держать в себе свои химические воды и должен сообщить вам, что создал мочевину без посредства почки, ни человеческой, ни собачьей: мочевина – не что иное, как цианат аммония»9.
Сопоставимый по масштабам скачок в понимании биологии произошел с появлением дарвиновской теории эволюции путем естественного отбора. Сама теория Дарвина обходила вопрос о происхождении жизни в принципе – она ничего не говорит о том, как возникли первые живые организмы, – однако в 1871 году Дарвин в письме своему другу Джозефу Далтону Хукеру высказал некоторые соображения о том, как могла появиться жизнь на Земле. Как известно, он писал: «Если бы (и о, как велико это «если бы») мы могли представить себе, что в теплом озерце со всякого рода солями аммония и фосфорной кислоты, где достаточно света, тепла, электричества и т. п., возникло в результате химических реакций какое-то белковое соединение, которое претерпит дальнейшие сложные изменения, сегодня такое вещество мгновенно было бы съедено или поглощено, но этого не случилось бы, если бы такое произошло прежде, чем образовались живые существа!»
Мудрое предсказание Дарвина интересно по целым пяти причинам. Во-первых, оно полностью избавляет нас от всякой потребности в сверхъестественном вмешательстве при возникновении жизни. Во-вторых, оно предполагает, что жизнь зародилась «в теплом озерце», а это представление, как мы вскоре увидим, поразительным образом соответствует нашим современным представлениям. В-третьих, в нем указано, что необходимые (потенциально) ингредиенты для создания живой материи – это соли аммония и фосфаты (соединения, содержащие азот и фосфор), и это опять же невероятно проницательно. В-четвертых, в нем говорится, что важную роль в химических реакциях, которые привели к зарождению жизни, должно сыграть «белковое соединение». А в-пятых, чтобы не сложилось впечатления, будто живые организмы могут появляться спонтанно, когда заблагорассудится, Дарвин подчеркивает, что условия, в которых возникли первые формы жизни, сегодня уже невозможны.
Такая мысль – что жизнь – это не более чем комбинация сверхсложных химических систем – поначалу отпугивала очень многих. Жизнь, говорили эти скептики, устроена слишком хитроумно, чтобы возникнуть в результате случайных процессов, подчиняясь одним лишь законам физики и химии. А следовательно, даже среди тех, кто в принципе был готов смириться с химическим происхождением жизни, находилось немало таких, кто по-прежнему думал, что для этого требовалось какое-то невероятно редкое стечение обстоятельств – иначе все компоненты первых живых клеток не очутились бы одновременно в одном болотце.
Представление о внезапном возникновении сложных систем из хаотичного первичного бульона, содержащего простые химические вещества, подкреплялось еще и тем, как головокружительно сложно устроена вся клеточная жизнь на Земле в наши дни. А самое обескураживающее в этом хитросплетении – то, что все части и процессы живой материи зависят ото всех других частей и процессов, причем по кругу. Например, сложный метаболизм нужен для выработки биохимических веществ, которые нужны для синтеза ферментов, служащих катализаторами реакций… самого метаболизма! Подобным же образом молекулы нуклеиновых кислот ДНК и РНК необходимы для кодирования информации, описывающей синтез белков, рабочих лошадок живой материи, которые нужны для выработки… да, вы верно догадались, ДНК и РНК. Все еще усложняется тем, что для исполнения задач всем этим молекулам требуются клеточные мембраны, удерживающие все молекулы-участницы поблизости друг от друга. Однако клеточные мембраны состоят из гидрофобных соединений, так называемых липидов, а липиды синтезируются белковыми ферментами. Такая самозамкнутая, рекурсивная деятельность (напоминающая знаменитую гравюру Эшера, на которой две руки рисуют друг друга) так характерна для самых основ современных живых организмов, что многие годы казалось, будто потребовалось какое-то чудо, чтобы перекинуть мостик через пропасть между случайной смесью химических веществ и высокоорганизованной структурой живой клетки. Даже в 1981 году Фрэнсис Крик, один из первооткрывателей двойной спиральной структуры ДНК, подчеркивал, что «честный человек, вооруженный всеми доступными нам на сегодня знаниями, может лишь утверждать, что возникновение жизни в то время – это практически чудо, ведь столько условий требовалось выполнить, чтобы оно состоялось».
Нет нужды говорить, что такое отношение к зарождению жизни на Земле – как к какой-то дикой химической случайности – привело к крайне мрачным и пессимистическим оценкам вероятности, что мы обнаружим жизнь еще где-нибудь. В конце концов, возникновение жизни – переломный момент, знаменующий превращение экзопланеты из просто «пригодной для обитания» в действительно обитаемую. В результате лишь очень немногие астрономы в пятидесятые и даже в начале шестидесятых годов прошлого века осмеливались признаваться, что верят в существование внеземной жизни как таковой – а особенно разумной.
В конце шестидесятых маятник качнулся в другую сторону. Сначала это произошло в области биологии и химии. И все равно, чтобы преодолеть понятийные барьеры, воздвигнутые убеждением, будто возникновение жизни в результате химических реакций практически немыслимо, потребовалось целых два открытия, удостоенных Нобелевской премии, а также тотальный пересмотр наших представлений о происхождении жизни.
Первое открытие касается определения структуры особой молекулы РНК, так называемой транспортной РНК, или тРНК, участвующей в синтезе белков. Сложная трехмерная фигура, которую очерчивает нить этой нуклеиновой кислоты, вызвала у научного сообщества настоящее потрясение. В отличие от ДНК, относительно безликой и довольно жесткой – это просто двойная спираль с равномерной структурой, – РНК оказалась молекулой, состоящей из одной нити, затейливо скрученной, почти как белок. Химик из Корнельского университета Роберт Холли, который первым исследовал последовательность тРНК и изучал ее двумерную химическую структуру, получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1968 году совместно с Харом Гобиндом Кораной из Висконсинского университета и Маршаллом Ниренбергом из Национальных институтов здоровья. Вскоре после этого Аарон Клуг из Кембриджского совета по медицинским исследованиям и Александер Рич из Массачусетского технологического института описали неожиданную трехмерную свернутую структуру РНК.
Несколько ученых, в том числе сам Фрэнсис Крик и британский химик Лесли Орджел, быстро поняли, что может следовать из такой поразительной структуры. Она означает, что РНК может работать как фермент, биологический катализатор – точь-в-точь как белки. Затем Орджел выдвинул революционную идею, что первые живые организмы на Земле вполне могли обходиться вообще без ДНК и белков. Он предположил, что жизнь началась с одной только РНК! В то время это было смелое предположение, и идея, что РНК могла одновременно и нести в своей последовательности информацию, и катализировать химические реакции (прежде биологи считали, что это прерогатива исключительно белковых ферментов), была для большинства ученых абсолютно неудобоваримой. Лишь двадцать лет спустя химик Томас Чек и молекулярный биолог Сидни Олтмен совершили еще один научный подвиг, удостоенный Нобелевской премии, и действительно открыли РНК-ферменты (рибозимы). Это была судьбоносная веха, которая совершенно перевернула представления о происхождении жизни.
Открытие Чека и Олтмена означало, что РНК в принципе способна действовать как фермент и катализироватьдаже собственную репликацию, а это дарило надежду найти ответ на больной вопрос о курице и яйце. Внезапно мы получили возможность представить себе примитивную клетку, которая была куда проще любой ныне существующей. В такой гипотетической «протоклетке» молекулы РНК играли двойную роль – и несли генетическую информацию, и служили клеточными ферментами, обеспечивая основные функции клетки. А главное – в число этих функций входила репликация генетической информации. Согласно пересмотренному сценарию, ДНК и белки можно было считать более поздним «изобретением» эволюции, созданным специально для хранения информации и катализа химических реакций соответственно. Соблазнительное предположение, что когда-то в истории жизни все было проще и РНК одновременно играла все главные роли в ансамбле важнейших клеточных актеров – была и курицей, и яйцом, – получила название «Гипотеза мира РНК».
Со стороны астрономии прогресс поначалу несколько отставал, зато потом помчался вперед с головокружительной скоростью. Речь идет о том, что 6 октября 1995 года астрономы Мишель Майор и Дидье Кело объявили, что обнаружили первую планету, обращающуюся вокруг солнцеподобной звезды вне Солнечной системы. Неудивительно, что в 2019 году они получили за свое революционное открытие Нобелевскую премию по физике.
