История Земли. От звездной пыли – к живой планете. Первые 4 500 000 000 лет

Существует три разные модели, описывающие первую самовоспроизводящуюся, квазиживую систему молекул. Простейшая модель (а потому для многих из нас наиболее привлекательная) обращается к хорошо известному циклу нескольких мелких молекул – циклу трикарбоновых кислот. Он начинается с уксусной кислоты, которая содержит всего два атома углерода. Уксусная кислота вступает в реакцию с углекислым газом (CO2), образуя пировиноградную кислоту (с тремя атомами углерода), которая, в свою очередь, тоже взаимодействует с CO2, образуя щавелево-уксусную кислоту с четырьмя атомами углерода. Последовательность других реакций приводит к образованию все более крупных молекул, вплоть до лимонной кислоты (уже с шестью атомами углерода). Цикл становится самовоспроизводящимся, когда лимонная кислота спонтанно распадается на две более мелкие молекулы, уксусную кислоту (два атома углерода) и щавелево-уксусную кислоту (четыре атома углерода), составляющие часть молекулярного витка. Один молекулярный цикл превращается в два, два превращаются в четыре, и т. д. Более того, многие из жизненно важных строительных блоков, включая аминокислоты и сахарозы, легко синтезируются через простейшие реакции с активными молекулами лимонно-уксусного цикла. Например, стоит добавить аммиак к пировиноградной кислоте, как мы получим незаменимую аминокислоту – аланин. Каждая живая клетка на Земле включает лимонно-уксусный цикл, так что его можно считать первичным свойством – своего рода атавизмом, сохранившимся от первоначальных форм жизни. Сам по себе этот цикл не является формой жизни, но он обладает способностью воспроизводить ближайший круг молекул за счет менее плодовитых химических веществ.

Полной противоположностью этого варианта по сложности являются самовоспроизводящиеся автокаталитические наборы – модель, опробованная Стюартом Кауфманом в его новаторских исследованиях в прославленном Институте Санта-Фе. В добиологическом «бульоне» вначале плавали, по-видимому, сотни тысяч различного вида и происхождения мелкие молекулы на основе углерода. Нам уже известно, что некоторые из этих веществ являлись катализаторами реакций, порождающих новые молекулы, в то время как другие реакции ускоряли распад соседних веществ. Каталитическая система состоит из скопления молекул – возможно, тысяч молекул разного вида, действующих сообща, – которые ускоряют процесс воспроизводства самих себя, одновременно разрушая любые молекулы, не входящие в систему. Это своего рода молекулярный эквивалент выражения «богатые богатеют». Здесь, как и в случае с уксусно-лимонным циклом, молекулярная система еще не является собственно живой, но в определенном смысле способствует самовоспроизведению, будучи гораздо более сложной по составу, чем большинство неживых химических систем.

Третий сценарий предпочитают биологи, исследующие происхождение жизни, – это РНК, модель, основанная на гипотетической молекуле РНК, способной копировать саму себя. Чтобы понять привлекательность и популярность этой модели, надо снова вернуться к предыдущим рассуждениям, вспомнить две важнейшие функции жизни: метаболизм (производство вещества) и генетику (передачу следующим поколениям информации о том, как производить вещество). Современные клетки используют похожую на лестницу молекулу ДНК для накопления и копирования информации, необходимой для создания белка, но для создания самой ДНК они используют сложные многослойные белковые молекулы. Так что же появилось раньше, ДНК или белок? Выясняется, что в обоих этих процессах центральную роль сыграл третий тип молекул – РНК.

РНК представляет собой изящный полимер – длинную молекулу-цепь, собранную из более мелких отдельных молекул (нуклеотидов), вроде нити бус или цепочки букв в предложении. Четыре такие молекулярные буквы, обозначим их как A, C, G и U, могут нанизываться в любой последовательности, как закодированное сообщение. Эти «буквы» РНК на самом деле содержат генетическую информацию (подобно ДНК). В то же время молекулы РНК способны принимать самые сложные формы, которые обладают свойством катализировать важнейшие биологические реакции (подобно белкам). Именно молекулы РНК содействуют синтезу всех белков, передавая информацию и одновременно катализируя образование белков. Таким образом, из всех живых молекул именно РНК способна «сотворить все, что угодно».

Модель мира, основанная на РНК, предполагает, что некий, пока еще до конца не изученный химический механизм произвел бесчисленное количество нитей РНК или, возможно, похожей на нее информационно насыщенной молекулы. Почти все эти разнообразные нити ничего не делали: они либо выживали, либо постепенно распадались. Но небольшое количество отборных нитей РНК приобретали весьма полезные для себя свойства: они скручивались, обретая большую устойчивость, или крепко цеплялись за надежную неорганическую поверхность, или уничтожали соперничающие молекулы – в общем, еще один пример молекулярной конкуренции в добиологическом «бульоне».