Первичные супы и прочая кухня

 Строители РНК-мира заложили очередной кирпичик. Поскольку не раз приходилось встречать мнение среди народа, что, мол, эта гипотеза уже превращается в почти целостную теорию, с прочным графом научных знаний, то хотелось бы написать чего-нибудь отрезвляющего.

Начнем с того, что даже если завтра будет создан РНК-мир в пробирке, работающий по всем правилам (наследственность, дарвиновская динамика), это отнюдь не докажет, что жизнь на Земле появилась именно так. Это докажет, что таким образом можно создать РНК-жизнь в пробирке.

Это касается не только РНК-мира, но и всех других моделей возникновения жизни, основанных на методе "снизу вверх" - когда пытаются создать простейшую живую систему из неживой материи (а определений "живой системы" примерно столько же, сколько исследователей в этой области). По этой причине я считаю более адекватным противоположный метод - "сверху вниз", когда от живых систем спускаются до неживой материи. Этим занимаются спецы по микроископаемым и биомаркерам, например Вильям Шопф и Мартин Брэйзер. Здесь чем дальше назад во времени, тем сложнее и неопределеннее. Но пока самые древнейшие из найденных микроископаемых ( ~3,5 млрд лет назад) указывают на все ту же известную нам клеточную форму жизни. Есть еще более древние биомаркеры (до ~3,8 млрд лет назад), но невозможно определить, принадлежат ли они тому же нашему типу жизни, или уже предшествующему. Да и сами биомаркеры под сомнением - возможно, это следствие неорганических процессов.

Я не хочу сказать, что подход "снизу вверх" не имеет ценности. Но он отнесен к области "Origins of Life on Earth" по недоразумению. Это, скорее, "Creation of Life in a Lab".

Но вернемся все же к моделям этого подхода. Одной из самых больших трудностей в проблеме возникновения жизни является то, что функционирование клетки базируется на неразрывном сотрудничестве белков и нуклеиновых кислот (в первую очередь ДНК). Это не просто сотрудничество. Белки не могли бы существовать без ДНК, а ДНК не могла бы существовать без белков. Предпосылкой для гипотезы РНК-мира стало открытие молекул РНК, которые умеют реплицироваться (выполнять функцию ДНК) и в то же время служить катализаторами (выполнять функции белков). Еще одним плюсом в пользу РНК-мира является тот факт, что в состав основных молекул-носителей энергии (АТФ, НАД, Acetyl-CoA и др.) входит нуклеозид (обычно аденозин) - составная часть РНК. Признаться, мне бы этих фактов не хватило, чтобы заняться попыткой воссоздания РНК-мира. Угу, не так давно удалось абиогенно синтезировать пиримидины. Угу, сейчас вот удалось создать рибозимы с РНК-полимеразной активностью (см. начало). Это пример двух шагов вперед модели РНК-мира, да. Но продвижение-то идет не по линейной, а по логарифмической шкале в сторону увеличения сложности (в конце шкалы - простейшая живая клетка). Пара шагов в начале логарифмической шкалы - это все равно, что остаться на месте :)
Кстати, справедливости ради надо заметить, что самореплицирующиеся пептиды тоже бывают. А если учесть, что аминокислоты намного проще синтезируются абиогенно, чем нуклеотиды...

Вообще, РНК-мир - далеко не единственная модель. Но она особенно популярна среди молекулярных биологов. Многие химики, например, придерживаются другой точки зрения: первой реплицирующейся системой была не молекула типа РНК или ПАУ, а метаболический цикл реакций, типа цикла Кребса - центральной части метаболизма аэробных организмов. Некотороые строители РНК-мира соглашаются, что сначала появились реплицирующиеся химические циклы, а потом появились РНК и начали служить катализаторами в этих циклах; однако как и зачем шло сопряжение молекул РНК с химическими циклами, и как это способствовало отбору РНК - неясно.

В общем, никакого прочного графа знаний в области происхождения жизни нет. Есть набор разрозненных экспериментальных данных и спекуляций. Одни считают, что жизнь началась с образования первой реплицирующейся молекулы, другие - с реплицирующегося цикла реакций. Одни считают, что все началось с образования липидных мембран, заключивших в себя эти реплицирующиеся молекулы/реакции, другие полагают, что все происходило на поверхностях минералов, а мембраны - более поздняя добавка. Одни считают, что первые организмы были автотрофами, другие - гетеротрофами. И т.д. и т.п.

Показательно, что некоторые авторы моделей "снизу вверх" впадают в крепкий научный догматизм. Стэнли Миллер, прославившийся абиогенным синтезом аминокислот в ставшем классическом эксперименте Миллера-Юри, не стеснялся резких высказываний в адрес других моделей. Особенно в адрес гидротермальных источников. А то! Всю жизнь посвятить тому, как аминокислоты образуются на поверхности первичного бульона под действием атмосферных разрядов, а тут, с открытием в 1977 году экстремофилов и литотрофов (прекрасно живущих без солнечной энергии даже в косвенном виде) заявляют, что жизнь возникла глубоко, в полной темноте, при высокой температуре и давлении. (Кстати, первым синтезировал аминокислоты искровым рязрядом Walter Löb за полвека до Миллера, только он делал это не с целью имитации предполагаемых условий на молодой Земле). Или вот Сидней Фокс - автор протеноидного мира - считал полученные им протеноиды уже примитивной формой жизни, а вопрос происхождения жизни - решеным. Тут уместны слова Стюарта Кауфманна - тоже занимающегося происхождением жизни - "Утверждающий о том, что он знает как жизнь появилась на Земле, является наивным человеком или глупцом".

Я скептически отношусь ко всему подходу "снизу вверх". Но если бы мне пришлось выбирать между всеми этими моделями, то я бы выбрал модель Вехтерсхойзера. Это единственная самосогласованная модель происхождения жизни, разработанная с целью соответствия требованиям к любой научной модели. Не удивительно, ведь Вехтерсхойзер находился под влиянием философии Карла Поппера, которого он знал лично (того самого, который ввел понятие фальсифицируемости в философию науки). Его модель относится к типу "metabolism first", а не "genetics first" (ведь Вехтерсхойзер - химик). Химия метаболизма в своей основе проще химии генетической машинерии, поэтому логично, что метаболизм предшествовал появлению молекул типа РНК. Для простейшего метаболизма необходимо относительно немного небольших молекул, работающих в химическом цикле, и с каждым циклом дуплицирующихся. Более того, такой цикл не просто копирует себя, но его побочные продукты являются отправной точкой для синтеза более сложных молекул (в том же цикле Кребса некоторые продукты являются предшественниками в синтезе аминокислот, нуклеотидов, холестерина). Почти каждый химический этап в модели Вехтерсхойзера может быть проверен экспериментально. Вехтерсхойзер отвергает классический миллеровский "первичный суп", т.к. просто-напросто он слишком разбавлен - концентрации нужных молекул явно недостаточно для образования чего-то жизнеподобного. Поэтому те органические вещества, которые появляются в экспериментах типа Миллера-Юри, не имеют никакого отношения к возникновению жизни. По этой же причине первые (полу-)живые системы должны были возникнуть в сильно неравновесных условиях и быть автотрофами, т.е. производящими всю органику с нуля из неорганики. Причем используя не энергию Солнца, а химическую энергию на поверхности нестабильных минералов, которые имеются в достатке на дне океана (сульфиды железа/никеля, отсюда название модели - Iron-Sulfur World). А высокая температура гидротермальных источников и высокое давление ускоряют реакции. В качестве одного из подтверждений такого "начала" можно указать на то, что в активных центрах некоторых современных энзимов находятся атомы железа или серы. Ну и, конечно, на то, что такие экосистемы действительно существуют на глубинах в несколько километров и успешно живут на одной химическо-минеральной энергии.
В модели Вехтерсхойзера нет места случайностям, на которых основан, например, РНК-мир (случайно заменился нуклеотид в РНК, она стала лучше выполнять какую-то функцию, пошел отбор и т.п.). Каждый новый более сложный химический этап у Вехтерсхойзера является логическим следствием предыдущего. Эта модель детерминистична: при выполнении определенных условий жизнь появляется с необходимостью так же, как железо, например, с необходимостью ржавеет в коррозионной среде. В общем и целом, некоторые этапы этой модели уже подтверждены экспериментально, но полноценный воспроизводящийся цикл реакций все еще не был получен.

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

Как бы там ни было, в происхождении живой клетки существует этап, на котором спотыкаются все модели. Это - появление генетического кода. С натяжкой можно представить, как в РНК-мире стали появляться первые пептиды, и как пошло разделение труда между ними и РНК. Но невозможно представить, как это разделение труда сопровождалось созданием метода шифрования (не говоря уже о его точности цифрового характера), связывающего два разделившихся мира - РНК/ДНК-ого и белкового. Ведь генетический код - это именно шифр (еще Крик писал, что "код" - не совсем удачное название, оно больше подходит для самой геномной последовательности; "шифр" было бы более адекватным). Это единственный шифр из всех известных, который не создан человеком. Но как и в искусственных шифрах, не существует физической причины, почему кодон TTC, например, должен соответствовать аминокислоте фенилаланину, а не глицину или аланину. Точно так же, как нет никакой причины, чтобы "точка тире тире точка" соответствовало букве "П", а не другой букве в азбуке Морзе. Одна из моделей возникновения кода - стереохимическая - пытается утверждать, что такая физическая причина когда-то была (когда кодоны взаимодействовали с аминокислотами напрямую, якобы, а не через тРНК). Однако ее данные крайне слабые (да и как возможно, чтобы единственный водород боковой цепи глицина специфически взаимодействовал с определенным триплетом нуклеотидов? Это все равно, что спаривать муху и слона). Вообще, если вокруг РНК-мира много просто спекуляций, то вокруг немногочисленных моделей возникновения кода спекуляции возведены в квадрат. Соответственно, я отношусь к ним со скептицизмом в квадрате. Да и не только я. Вот, например, из достаточно свежего - критический обзор трех основных моделей возникновения/эволюции кода.

- Ну и что? - спросит читатель. - Лучше дохлые идеи, чем совсем без идей.

Ну почему без идей? Неужели кроме двух вариантов "земная жизнь возникла сама" и "земная жизнь создана всевышним" ничего быть принципиально не может? Как минимум, есть еще один вполне себе мыслимый вариант - та самая намеренная панспермия, предложенная Криком и Оргелом. Я этой гипотезе тоже не симпатизирую. Но если выбирать между ней и спекуляциями о том, как код возникал сам, через какие-то менее точные и дублетные предшественники, то я выберу первое, как более простое объяснение. Если уж один из крестных отцов генкода усомнился в его случайном земном происхождений, то неужели мне нельзя? (В качестве одного из аргументов Крик с Оргелом выдвинули универсальность генкода; однако вовсе не обязательно притягивать для этого намеренную панспермию, хватило бы и обычной. Поэтому вряд ли только универсальность кода смутила великих мужей).

- Но это же просто перенос проблемы в другое место. Ведь там, в другом месте, генкод в любом случае должен был произойти сам.

Это совсем не обязательно. У той первичной формы жизни изначально могло и не быть никакого кода. Например, это был тот самый РНК-мир, только уже развившийся до уровня продвинутого сознания. А код - это уже изобретение той формы жизни.

- Но ведь это же непроверяемая гипотеза! Единственный способ проверить - это найти тех самых РНК-овых ребят, взять их за грудки и допытываться "Это вы сделали генкод?!". А если их уже давно нет, то эта гипотеза принципиально непроверяема.

Я так не думаю. Я думаю, что она может быть проверяемой не хуже, а возможно даже лучше, чем остальные традиционные модели, причем никуда уходить с Земли для этого не нужно. Но это тема для отдельного разговора.

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

Неважно, правы Крик с Оргелом или нет, но хотелось бы указать на такую вещь. Практически все исследователи в области происхождения жизни надеются (а некоторые даже уверены), что рано или поздно мы сможем создать жизнь в лабораторных условиях. Вот, например, Александр Марков здесь пишет (я просто цитирую, без осуждения, чтобы не подумали): "Судя по всему, уже не за горами тот день, когда ученые смогут экспериментально воспроизвести все этапы превращения косной материи в простейший живой организм". Но при этом нисколько не подвергается сомнению то, что мы-то (т.е. наша земная жизнь) - такие особенные - уж точно произошли сами по себе. Как антропоцентризм рулил в религиях, так теперь он рулит в науке :)