Преджизнь. Колонка в КомпьютерреOnline #28

Я щиро вдячний читачам, зацікавленим у тому, що я викладаю. Раз ви просили, продовжую розмову про походження життя. Але, на жаль, перед конкретикою - загальні міркування.

Ви пам'ятаєте про демона Лапласа - гіпотетичний надрозум, який за координатами та імпульсами всіх частинок у Всесвіті здатний обчислити все його майбутнє й минуле? Не буду обговорювати, чому він неможливий. Скажу лише, що на доступному для нас рівні аналізу одному й тому самому сьогоденню можуть відповідати і різні варіанти минулого, і різні варіанти майбутнього. Частина інформації про минуле зникає. Імовірно, багато з деталей виникнення життя на Землі вже невідновні.

У суперечках навколо минулої колонки два креаціоністи розійшлися в думках. Перший сказав, що в можливості виникнення життя внаслідок хімічної еволюції його переконає життя, зроблене в пробірці. Другий заздалегідь заявив, що його не переконає і це, поки йому не доведуть, що життя на Землі виникало саме таким способом, як йому показують. Ну що, другий підстрахувався: переконати його в його неправоті неможливо. Утім, найімовірніше, не розгубиться й перший. Побачивши «життя з пробірки», він скаже, що це не те, чого він чекав...

А чи катастрофічна втрата інформації про передісторію? Розглянемо аналогію. Перед нами - незнайомець. Його минуле невідоме, жодних документальних свідчень про нього немає. Як він з'явився? Його народила мати, яка зачала його від батька. Звідки ми це знаємо? Чи можемо ми це довести абсолютно надійно? Усе, що ми можемо зробити, - це вивчити закономірності розвитку інших людей, установити роль запліднення та пологів у їхньому становленні й зробити висновок про появу цієї людини за аналогією. А абсолютне доведення? У науці воно недосяжне; саме тому наука шукає не абсолютне, а достовірне (гідне довіри) знання. Абсолютна істина проходить по іншому «відомству» (по секрету, від себе особисто скажу, що вважаю її ілюзорною, принципово недосяжною для людини).

Імовірно, конкретна інформація про «зачаття» і «пологи» життя на Землі або втрачена, або ще недоступна для нас. Ми знаємо про події в історії Землі завдяки геологічному літопису - послідовності осадових порід. До того моменту, коли ця машинка запрацювала, життя на Землі вже існувало! Але цей пробіл не катастрофа, як і в прикладі з незнайомцем. Ми можемо вивчити процеси самоорганізації та добору на доступних для нас прикладах і перенести отримане знання на походження життя за аналогією. Людей, які шукають абсолютну істину, підкріплену авторитетом Бога, ці міркування не переконають. Що вдієш. Річ не в ущербності науки, річ у ненауковості їхнього мислення.

Прихильники чудес потирають руки: але ж ми й не бачили виникнення життя, усяка жива істота з'являється від подібної до неї! Однак факт виникнення життя наявний; і розуміти його треба не за аналогією з процесами розмноження, а за аналогією з процесами самоускладнення, виникнення нових структур. На щастя, нам уже відомі і факти перехідних між не-життям і життям феноменів (зараз розповім), і механізм, який може створювати переджиття й перетворювати його на життя (еволюція на основі добору).

Так-так, я вважаю, що ми впевнено можемо припускати, що люди, для яких відсутнє нотаріально завірене підтвердження «порочних» зносин батьків, з'явилися внаслідок того самого закономірного процесу, що породжує й інших людей. Хочете - вірте в непорочне зачаття й безматеринські пологи. Так само впевнено я роблю висновок, що найскладніший феномен життя виник у результаті того самого закономірного процесу, що забезпечує вже вивчені процеси ускладнення автокаталітичних реакцій внаслідок еволюції на основі добору.

Одна зі складнощів у вивченні абіогенезу полягає в тому, що ми маємо справу з дуже зрілим, довго вдосконалюваним життям. Дивлячись на його нинішню досконалість, ми не бачимо етапів, через які проходило його становлення. Креаціоністи люблять говорити про так звану неспрощувану складність («irreducible complexity». Наведу пару прикладів.

Приклад № 1. Синтез білка за матрицею РНК виконують рибосоми - найскладніші молекулярні роботи. Головна частина такого робота в кишкової палички (класичного об'єкта досліджень) - молекула 23S-рРНК. Чи могла така досконала конструкція виникнути одразу, одним стрибком? Звісно, ні.

Вторинна структура 23S-рРНК кишкової палички - досконалого молекулярного робота. Годиться як приклад «irreducible complexity»?

Приклад № 2. Життєдіяльність клітини заснована на взаємодії двох класів біополімерів - ДНК і білків. ДНК кодує білки, білки будують ДНК - вони створюють одне одного приблизно як дві руки на картині Ешера. Чи міг якийсь з класів цих полімерів виникнути й виконувати свої функції без іншого? Звісно, ні.

ДНК створюють білки, білки створюють ДНК. Така досконала конструкція не могла виникнути в результаті випадкового збігу.

Обидва приклади використовують як докази створення життя. І справді, розв'язання обох проблем нетривіальні. Ми б їх і не дізналися, якби повірили в диво й замість вивчення закономірностей хімічної еволюції зайнялися б трактуваннями задумів Бога. Розв'язали ці проблеми ті, хто мав імунітет до креаціоністської агітації.

Перше. З'ясовано, що супермолекула 23S-рРНК має кілька рівнів структури, що зберігають «пам'ять» про її передісторію та її поступове вдосконалення.

Невелика частина 23S-рРНК кишкової палички (показана червоним) має активність того ж типу, що й уся конструкція, тільки слабшу. Це найеволюційно старіша частина молекули. Кожна з наступних добавок збільшувала ефективність роботи цієї молекулярної машини.

Другу проблему розв'язують уявлення про первинність ролі РНК. У ключових взаємодіях ДНК і білка між ними завжди опиняється РНК. РНК здатна до матричного копіювання, як ДНК, і має ферментативну активність, як білок. Іноді молекули РНК нагадують переджиття.

Почну з дослідів А. Б. Четверина, виконаних в Інституті білка РАН. У чашку Петрі (таку, у якій вирощують культури бактерій) поміщають гель, що містить РНК-нуклеотиди (мономери РНК) і білок (РНК-синтетазу), здатний збирати їх за матрицею. Достатньо ненадовго прочинити чашку хоч у приміщенні, хоч на відкритому повітрі, щоб з часом на поверхні гелю з'явилися... колонії РНК, що розмножується. Ці молекули літають у повітрі. Потрапивши на середовище, що дозволяє їм самовідтворюватися, вони розмножуються й конкурують одна з одною! У конкретних умовах експерименту перевагу будуть мати одні чи інші типи послідовностей. При засіванні нових чашок вирощеними на середовищі культурами РНК ці культури будуть еволюціонувати в бік оптимальних для даних умов послідовностей.

Колонії РНК на поверхні двох чашок Петрі. Ілюстрація зі статті Б. Четверина у збірнику «Проблеми походження життя» (М.: ПІН РАН, 2009. - 258 с.). Збірник можна знайти в мережі; дуже рекомендую...

Цікавий результат, отриманий Четвериним та його колегами, полягає в описі рекомбінації (обміну ділянками РНК), що спонтанно відбувається в присутності іонів Mg²⁺. А крім того, метод колоній РНК перспективний для діагностики багатьох хвороб...

На Заході частіше вивчають еволюцію РНК у рідині. З одного боку в реактор втікає «харчова» суміш, з іншого - виходить відпрацьована рідина з молекулами РНК. Звісно, «їжа» для цього РНК-ового переджиття дуже особлива: її важливий компонент - білки РНК-синтетази. Зате в таких умовах можна по-справжньому вивчати закономірності добору та мінливості на рівні автокаталітичних реакцій.

Приклад еволюції трьох культур РНК у напрямку підвищення ефективності використання зміненого (порівняно з попередніми умовами культивування) реагенту. Червона й синя лінії описують популяції РНК, які мали заздалегідь накопичений резерв мінливості внаслідок мутацій при самокопіюванні. Чорна лінія відповідає популяції з ідентичних молекул.

Рибозими, які синтезують будь-які РНК у будь-яких умовах, ще не відомі, але ті, що синтезують деякі послідовності в певних умовах, уже знайдені (крім іншого - у результаті добору). А ще відомі пари молекул РНК, кожна з яких здатна збирати іншу з її фрагментів. Знаєте, прямо як далай-лама разом з панчен-ламою: далай-лама шукає реінкарнацію панчен-лами й виховує його в новому житті; панчен-лама робить те саме для далай-лами...

Ці та багато інших результатів підтверджують концепцію «світу РНК» - етапу хімічної еволюції (чи, якщо завгодно, переджиття), заснованого на самовідтворенні РНК.

Реконструкція «світу РНК» ще не закінчена. Часом хтось із дослідників абіогенезу повідомляє про якусь суттєву нестиковку. Раз за разом те, що здавалося нестиковками, знаходить своє пояснення (як у прикладі із синтезом цитидину в минулій колонці). Чи допомагає в цій роботі критика з боку креаціоністів? Ні, звісно: ті зайняті своїм. Обчислюють імовірність випадкового зстрибування атомів у живу клітину, сурмлять про повалення наукових уявлень про виникнення життя й рапортують про незаперечні докази Божественного втручання.

Але все-таки «світ РНК» дуже непростий. Як він міг виникнути? Як компоненти для синтезу РНК могли досягти потрібної концентрації?

Одне з можливих рішень цієї проблеми - гіпотеза «світу ПАВ», що передував «світу РНК». У цій гіпотезі (і багатьох її можливих альтернативах) як фактор, що забезпечує концентрування й закономірне розміщення певних речовин, розглядається їх зв'язування на впорядкованих поверхнях (як на кристалічних ґратках мінералів). Дослідники абіогенезу шукали основу, яка збирала б азотисті основи й розміщала їх на тій відстані одна від одної, на якій вони перебувають у РНК і ДНК, - 0,34 нм. Знайшли.

Пам'ятаєте місію Deep Impact з бомбардування комети Темпеля 1 у 2006 році? У вибитій з комети речовині зареєстрували сполуки, яких мало бути багато й на поверхні молодої Землі, - поліароматичних вуглеводнів, ПАВ. У воді ПАВ хімічно модифікуються й утворюють стопки, здатні зв'язувати азотисті основи. Згідно з цією гіпотезою пре-РНК, синтезовані на стопках ПАВ, з'єднувалися не сахарофосфатним остовом (як РНК), а поліформальдегідним. Зі зміною кислотності середовища такі пре-РНК звільнялися...

Стопки ПАВ зв'язують і орієнтовано розташовують азотисті основи, які можуть зв'язуватися в пре-РНК формальдегідними ланцюжками. Так виникав «світ РНК»?

Дослідження закономірностей походження життя триває. Не слабшає й пропаганда, націлена на руйнування науково обґрунтованої картини світу. Що цікавіше Вам, читачу: нововідкриті закономірності самоорганізації та еволюції чи демагогія про безсилля науки й необхідність чудес?