Эволюция Вселенной и происхождение жизни

В истории можно проследить два взгляда на происхождение жизни. Один из них заключается в том, что жизнь возникла когда-то в далеком прошлом. В частности, согласно еврейской и христианской традициям, закрепленным в книге Бытия, Бог создал все живое таким, каково оно и сегодня. Иного мнения придерживались древние греки, считавшие, что жизнь может появляться в любое время самопроизвольно и прямо из неодушевленного вещества. В соответствии с этой традицией всего лишь несколько столетий назад считалось, что черви и мыши возникают из грязи. В самопроизвольное появление жизни верили такие люди, как Ньютон, Декарт и Уильям Гарвей (1578–1657), открывший кровообращение.

Рис. 30.1. Луи Пастер (1822–1895) показал, что жизнь не возникает самопроизвольно за короткое время.

Но некоторые высказывали сомнения: Франческо Реди (16261697) показал, что личинки не появляются в старом мясе, если его защитить от мух, а Лазаро Спалланцани (1729–1799) — что микробы не размножаются в прокипяченном закрытом бульоне. Наконец, французский химик Луи Пастер исследовал разнообразные микроорганизмы и показал, что многие из них распространяются по воздуху и вызывают разные явления, например инфекцию ран. Опыты Пастера по тщательной стерилизации окончательно покончили с представлением о каждодневном спонтанном зарождении жизни из неодушевленного вещества (рис. 30.1).

Химические элементы и структура живого.

Но даже если жизнь не возникает легко и регулярно из неживого вещества, было бы логично (как вариант первого исторического взгляда, упомянутого выше), что жизнь должна была по крайней мере однажды зародиться из неживой материи в далеком прошлом. Начало современным теориям возникновения жизни положил русский ученый, академик Александр Иванович Опарин (1894–1980) в книге «Происхождение жизни», изданной в 1924 году. Он утверждал, что живые структуры, вероятно, не были способны сами управлять своим синтезом или синтезом своих составляющих частей, поэтому они должны были формироваться в результате самопроизвольных химических реакций между составляющими, существовавшими до этого. Английский биолог Джон Холдейн (1892–1964) высказывал такое же мнение.

Мы не вполне понимаем, как жизнь возникла на Земле, но знаем, каковы основные функциональные компоненты жизни. Жизнь основана на генетической информации, закодированной в нуклеотидной последовательности ДНК и интерпретируемой с помощью РНК-копий, служащих матрицами для производства белков, которые в свою очередь управляют всеми биохимическими процессами в клетке. В живых организмах ДНК играет определяющую роль, поскольку содержит все инструкции о том, какие белки нужны клетке и как они устроены. Кроме того, с помощью ДНК происходит передача важнейшей информации от одного поколения к другому. Но сама ДНК не способна использовать эту информацию. Это как жесткий диск компьютера: ему требуется драйвер (РНК), чтобы прочитать информацию и передать ее исполняющим программам, которые отобразят ее на экране. Однако сама эта информация — то есть белки — тоже нужна для репликации ДНК, а также и на каждом шагу при транскрипции и трансляции гена. Таким образом, генетическая информация — это часть циклического процесса, окончательный продукт которого необходим для поддержания самого процесса. Перед нами классическая дилемма «курица — яйцо». Как могла начать функционировать эта система, если ее продукты необходимы для получения информации, а информация требуется для создания продуктов и одно невозможно без другого?

Мир РНК.

Ясно, что одна из частей современного цикла должна была возникнуть раньше других. Хотя сейчас РНК в основном служит переносчиком генетической информации от ДНК к белкам, но она же может быть и катализатором многих реакций. Ее каталитические возможности не так разнообразны, как у белков, но, несмотря на это, молекулы РНК выполняют некоторые жизненно важные функции (например, в процессе трансляции соединяют аминокислоты внутри рибосомных комплексов). Вполне вероятно, что современном}- жизненному циклу — от ДНК к РНК и затем к белкам — предшествовала более простая форма жизни, основанная лишь на РНК и белках. Эта гипотетическая эра, когда генетический код мог быть записан только в РНК-последовательности, называется РНК-белковым миром.

Если же уйти еще дальше в прошлое, то самый ранний механизм синтеза белков должен был возникнуть еще до того, как были синтезированы первые белки (до «изобретения» синтеза белков). Поскольку сейчас главным компонентом этого механизма по-прежнему является РНК, можно предположить, что изначально он обеспечивался только молекулами РНК. Поэтому комплекс молекул РНК должен был существовать и сам себя воспроизводить еще до того, как был изобретен синтез белков. Таким образом, первым шагом на пути рождения примитивной жизни, по-видимому, была репликация молекул РНК. Эта гипотетическая эра называется РНК-миром.