Происхождение жизни
Самая фундаментальная черта живых систем — их способность сохранять упорядоченное и организованное состояние за счет процессов запрограммированной репликации и воспроизведения. Эволюция путем естественного отбора является автоматическим следствием этого. Но каким образом возникла такая система? Открытие того, как возникли органические молекулы, составляющие живое (с. 11), дает только частичный ответ на этот вопрос. Мы должны представить себе, как они организовались в самореплицирующиеся системы.
Углеродсодержащие молекулы, из которых состоят организмы, когда-то считали настолько специфическими и уникальными, что возможность их синтеза связывалась только с живыми существами. Таким образом проводилось разграничение между органическими (= из живого) и неорганическими веществами. Первая брешь в разделяющей их стене была пробита Велером, синтезировавшим в 1832 г. очень простую органическую молекулу (мочевины) из циа-ната аммония (неорганическая молекула) в результате простого ее нагревания. Это положило начало рациональному и научному подходу к химии живого, а тем самым — современной биохимии и молекулярной биологии. Хотя, конечно, контролируемый синтез мочевины — это еще очень далеко от спонтанного образования полисахаридов, липидов, белков и нуклеиновых кислот, необходимого для возникновения живых систем.
О первоначальной земной атмосфере известно очень мало, но, возможно, она возникла в ходе «дегазации» планеты и была очень похожа на газовую смесь, выделяемую вулканами. Если это так, то в ней почти наверняка не было кислорода (см. гл. 11). Эксперименты показали, что при этих условиях любое энергетическое воздействие — освещение, ударные волны, ультрафиолетовая радиация (поскольку отсутствовал кислород, не было и озонового экрана, отфильтровывающего волны этой длины из солнечного спектра) или тепло вулканического пепла привело бы к добиологическо-му синтезу разнообразных «органических» мономеров: Сахаров, аминокислот и даже нуклеотидов. При благоприятных обстоятельствах, например при высоких концентрациях неорганических полифосфатов, они могут объединяться в длинные цепочки, образуя, в частности, полинуклеотиды и полипептиды. Все эти вещества, вероятно, накапливались в древнем океане, образуя так называемый «первичный бульон».
Добиологический синтез органических полимеров
В этом добиолегическом мире шел своего рода отбор, поскольку молекулы, способные полимеризоваться быстрее других и/или оказавшиеся более стабильными, получали большее распространение. Но темпы таких изменений были медленными и вряд ли могли привести к возникновению принципиально новых структур, поскольку образование каждого полимера происходило независимо и не закреплялось в генетической памяти. Следующий за этим шаг не представлял особой трудности, поскольку некоторые полимеры, однажды образовавшись, могут влиять на образование других полимеров. Полинуклеотиды, в частности, способны определять последовательность нуклеотидов, действуя как матрица для полимеризации. Если один полинуклео-тид служит матрицей для комплементарного ему другого полинуклеотида, который в свою очередь является матрицей для первого, можно говорить о множестве молекул, связанных чем-то вроде генетической памяти. Полинуклеотиды, воспроизводящиеся наиболее эффективно, увеличиваются в количестве по сравнению с прочими, т.е. имеют селективное преимущество.
Происхождение и эволюция клеток
Следующий шаг по направлению к системам, иллюстрируемым рис. 1.1, представить труднее всего. При нормальной температуре спонтанная репликация, описанная выше, протекала бы медленно и с высоким процентом ошибок. Включение в этот процесс репликазы—белка, способного катализировать репликацию, существенно бы его ускорило. Каким образом это произошло—не ясно, но, возникнув, такая система получила преимущества. Более того, должны быть определенные преимущества в окружении матрицы и репликазы оболочкой, чтобы выгоды от их взаимодействия не могли использоваться другими, немного отличными матрицами-конкурентами. Так появилась клетка и разница между генотипом и фенотипом. На эти примитивные клетки отбор должен был действовать таким образом, что те из них, у которых взаимодействие между генотипом и фенотипом стимулировало скорость репликапии и ее точность, распространялись быстрее других. Хотя трудно точно представить себе ход событий, но именно в ходе взаимодействия и отбора возникли и совершенствовались сложные системы, включающие ДНК и различные формы РНК.
Первые клетки были мелкими и просто устроенными. Отчасти они напоминали современных бактерий, так называемых прокариот. В некоторых из них шло дальнейшее формирование мембран для отделения генетической информации от остального объема, что. вероятно, давало преимущества, поскольку обеспечивало лучшую защиту генетического материала от повреждений. Такие клетки, так называемые про-тоэукариоты, возможно, позднее приобрели цитоплазматические органеллы, из которых наибольшее значение имели митохондрии. Последние очень сходны со свободно-живущими прокариотами, напоминая их размерами, формой, наличием собственной ДНК и размножением путем деления надвое. Поэтому сейчас считается, что они возникли за счет симбиоза между мелкими прокариотами, похожими на ныне живущую бактерию Paracoccus, и более крупными, содержащими ядра протоэукариотами. Разрушая эукариотические клетки, можно показать, что весь механизм аэробного метаболизма связан именно с митохондриями, так что этот предполагаемый симбиоз развивался параллельно накоплению в земной атмосфере кислорода вследствие фотосинтетической активности древних циано-бактерий.
Почему самозарождение жизни не происходит все время?
Если крупные биомолекулы и даже клетки возникли однажды, правомерен вопрос, почему этого не происходит постоянно. Вероятно, ответ заключается в том, что живые существа сами создали условия, в которых самозарождение невозможно. Например, кислород, продукт их обмена веществ, образовавшись, должен разрушать органические молекулы, из которых построено живое. В его присутствии органические полимеры окисляются до простых неорганических составляющих. Следовательно, когда свободного кислорода накопилось достаточно много, существование «первичного бульона» стало невозможным. Кроме того, сложные органические молекулы в его составе, вероятно, были превосходным источником питания для первых организмов и поедались или разрушались скорее, чем синтезировались вновь.