Вместо вступления (разминка).
Как это принято писать в начале научных статей, несмотря на очевидный прогресс в области понимания механизмов происхождения жизни, в данном вопросе по-прежнему существует много белых пятен. В данной статье я попытаюсь прояснить некоторые из них, ну а уж как у автора это получится, судить читателям. Для начала стоит отметить, что несколько упрощая, можно выделить два базовых подхода к решению проблемы понимания процесса происхождения жизни. В одном из них учёные сначала сами разбивают весь этот сложный процесс на ряд более простых (с их точки зрения, естественно) этапов, а потом пытаются воспроизвести эти этапы в, так сказать, "идеальных лабораторных условиях". По другому этот подход можно сформулировать как попытку вначале, исходя из некоторой внутренней логики, убрать из каждого предполагаемого этапа всё лишнее, мешающее добиться предполагаемого результата, а уже потом, когда результат на каждом отдельном шаге будет успешно достигнут, начать попытки соединения всех этих этапов в единую непрерывную цепь от исходной смеси на входе до искомого продукта на выходе. В общем, такой своеобразный "научный дизайн". Альтернативный, так сказать, "синергетический" подход основан на принципе исходного воспроизводства процесса в условиях, максимально приближенных к боевым реальным (хотя, по правде говоря, каковы были эти "реальные условия" у учёных до сих пор тоже нет единодушия). То есть, даже если некий элемент "бульона" кажется лишним, или даже мешающим, но, судя по всему, он был широко представлен в той среде, в которой зарождалась жизнь, не убирать его оттуда, что бы "помочь" процессу зарождения жизни, а оставить в качестве её компонента, авось пригодится. Любопытно отметить, что именно второй подход относительно недавно помог
Почему вообще стало возможным зарождение жизни и её последующая эволюция? (по большей части философия, желающие могут пропустить этот раздел без ущерба для понимания последующего текста).
Теперь давайте немного отвлечёмся от биохимии и чуть-чуть коснёмся проблем комбинаторики. Дело в том, что количество вариантов, которые должна была перебрать природа, прежде чем выпало "счастливое число", давшее ей входной билет на сцену дарвиновской эволюции, уже давно является предметом яростных споров между креационистами всевозможного рода и последователями уникальности земной жизни во Вселенной (в данном случае они сидят в одной лодке) с одной стороны, и сторонниками широкой распространённости в ней живых систем с другой стороны. Итак, предположим, что мы хотим оценить вероятность реализации некой уникальной последовательности событий. Если количество исходов для конкретного события равно M, а длина цепочки равна N, то в случае независимости между собой указанных необходимых событий итоговая вероятность может быть вычислена по формуле Pfinal= M-N. Как эту сухую формулу пощупать руками? Предположим, что мы оцениваем вероятность сборки конкретной пептидной цепочки длиной в 10 аминокислотных остатков (это близко к минимальной длине крошечных белков, которые всё ещё способны проявлять некоторую каталитическую акивность). Подставляя в формулу M= 20 (количество реально используемых всеми земными организмами универсальных аминокислот) получим Pfinal= 20-10≈ 10-13. Число действительно не сильно воодушевляет, конечно, не "ужос-ужос", но всё таки... Но не всё на самом деле так плохо, во многих случаях активность фермента может сохраняться и при замещении одних аминокислот другими. Например, как выяснилось в процессе исследований, в активных центрах наиболее древних пептидов встречаются консервативные мотивы, для которых важно не столько то, какая конкретно аминокислота находится в данной позиции, сколько такое её химическое свойство, как полярность (она же гидрофобность). Таким образом, для таких случаев имеем Pfinal= 2-10≈ 10-3. Что называется, почувствуйте разницу, тысяча это уже вполне, так сказать, нестрашное, бытовое число. Примерно такая же ситуация с вариантами встречаемости уникальных цепочек полинуклеотидов. Если исходить из того, что для кодирования сразу же стали использоваться все 4 "теперешних" нуклеотида, то цепочка длиной в 10 оснований может быть закодирована 410≈ 106 способами. Может, выглядит и не так страшно, как для аминокислот, но нужно учитывать, что при увеличении длины цепочки данное число будет быстро увеличиваться. Однако и здесь, как и в случае с первыми пептидными цепочками, всё можно в конечном итоге свести к бинарному случаю. Действительно, каталитическая активность рибозима в значительной степени определяется его вторичной структурой, которая, в свою очередь, во многом зависит от того, как чередуются в ней "стебли" и "петли", то есть, склеенные между собой и разъединённые (свободно "висящие") фрагменты. При "классической" схеме соединяются между собой пары гуанин - цитозин и урацил - аденин, а все остальные сочетания пар не образуют (в реальности всё, конечно, несколько сложнее, но нам пока важно понять генеральную концепцию). Таким образом, пусть и несколько загрубляя, можно сказать, что и здесь, в принципе, всё можно глобально свести к бинарному случаю - пары нуклеотидов либо "склеиваются", либо нет. Мораль сей басни, думается, ясна, если изначально жизнь в своих "вычислениях" использовала преимущественно двоичную систему исчисления, структуры с аналогичным количеством элементов нижнего уровня могли быть достигнуты методом случайного перебора за на порядки меньшее время эволюции, чем следует из оценок некоторых креационистов.
Поехали дальше. За счёт чего жизнь сохраняется на нашей планете вот уже миллиарды лет? Ответ (естественно, несколько упрощённый) - за счёт автокаталитических реакций, непрерывно воспроизводящих составляющие её материальные элементы, и эффективного отбора, позволяющего элиминировать (редкие) ошибки копирования и адаптироваться к изменениям в окружающей среде. Но как ни крути, а самосборка прямо из "органического бульона" систем репликации ДНК-РНК и транскрипции-трансляции белков, даже если изначально они были намного проще, всё равно представляется достаточно фантастичной (если, конечно, не учитывать модель мультиверса и инфляционной Вселенной, подразумевающую одновременное существование огромного (возможно, даже бесконечного) количества альтернативных Вселенных, принципиально невидимых для нас, см. книгу Е. Кунина "The logic of chance"). Тем не менее, на мой взгляд, всё же существует вполне реалистичный путь от "бульона" до первых самореплицирующихся систем. Задумаемся, если не учитывать непрерывно самокопирующиеся системы, что ещё более-менее долго сохраняется в нашем мире? Очевидно, либо что-то "крепкое", находящееся в высокоэнтропийном состоянии с минимальной свободной энергией (для разрушения такого объекта приходится использовать достаточно большую внешнюю энергию), либо нечто, постоянно синтезирующееся, запасы которого непрерывно пополняются. Например, из всех химических элементов в нашей галактике наиболее широко представлены по своей массовой доле (в порядке убывания) водород, гелий, кислород, углерод, неон и железо. Водород и гелий присутствуют там ещё со времён так называемого Большого Взрыва, когда они синтезировались в массовом порядке. Кислород и углерод постоянно производятся внутри звёзд в результате термоядерных реакций. Неон тоже активно синтезируется в ядрах массивных звёзд на поздних стадиях их эволюции. А вот железо (точнее, его изотоп 56Fe) является элементом с самой низкой массой в расчёте на один нуклон, что в соответствии с известной формулой E= mc2 говорит о том, что у него самая большая удельная доля массы составляющих его ядро нуклонов конвертирована во внутриядерную энергию. Неудивительно, что этот "крепкий орешек" столь широко распространён во Вселенной. Если те же универсальные принципы и следующие из них результаты применить к эволюции живой природы, то очевидный вывод заключается в том, что представление о равновероятности встречаемости элементов нижнего уровня при оценке количества различных вариантов объектов верхнего уровня, которые могут быть из них собраны, в корне ошибочно. Например, разные химические элементы таблицы Менделеева представлены во Вселенной крайне неравномерно. Этот факт, а так же физико-химические законы, ограничивающие возможные сочетания атомов в молекулах, в свою очередь, диктуют очень неравномерное распределение различных веществ во Вселенной. Каких-то молекул, например, молекулярного водорода или монооксида углерода в ней много, а огромное количество формально возможных сочетаний атомов практически отсутствует вообще. Таким образом, исходная посылка, из которой часто неявно исходят при всевозможных оценках вероятности самозарождения жизни, а именно, тезис о равновероятности встречаемости элементов нижнего уровня, из которых затем строятся элементы следующего уровня иерархии, очевидно неверна. По факту на каждом уровне существует весьма ограниченное количество "выживших" в жёсткой конкурентной борьбе элементов, из которых, в свою очередь, конструируется ограниченное число перспективных в плане выживаемости элементов следующего уровня и так далее, до самого верха условной пирамиды. Таким образом, благодаря всё тому же естественному отбору элементов, ужасного комбинаторного взрыва, которым так часто кошмарят своих противников сторонники интеллектуального дизайна, по сути не происходит. В этом свете вполне естественной представляется и возможность постепенного усложнения органических систем даже на том этапе биологической эволюции, на котором ещё не заработала схема мутации при репликации плюс отбор. До определённого предела отбор может действовать в направлении облегчения процесса усложнения предбиологических систем и в одиночку. Так, вполне определённые короткие пептидные цепочки, состоящие изначально из очень ограниченного количества аминокислот, могли отбираться по признакам устойчивости к деградации в исходной среде и способности к катализу синтеза некоторых других пептидных цепочек (включая самих себя), а так же (что особенно важно) небольших цепочек РНК. В свою очередь, и вполне конкретные небольшие РНК, состоящие всего из пары десятков нуклеотидов, могли отбираться по точно таким же принципам. На следующем уровне иерархии, отобранные на предыдущем этапе короткие пептидные и полинуклеотидные цепочки, в свою очередь, могли собираться во взаимодействующие между собой структуры (включая гибридные образования, состоящие из коротких РНК "прошитых" короткими пептидными цепочками) и т.д. По сути процесс можно наглядно сравнить с постепенным появлением разговорной речи, когда вначале из всего звукового ряда формируются устойчивые образования нижнего уровня - фонемы, потом на основе сформированного ограниченного множества фонем формируется (опять же ограниченный) набор слов, которые, в свою очередь, формируют набор осмысленных предложений и т.п.
Так с чего же всё начиналось?
Всё изложенное в предыдущем разделе, это пока лишь достаточно абстрактные теоретические рассуждения, как же конкретно они могли реализоваться в процессе зарождения жизни? Начнём с очевидного предположения, что в самом низу эволюционной пирамиды должны лежать наиболее просто синтезируемые органические молекулы. С другой стороны, в силу принципа эволюционного консерватизма, предполагающего сохранение эволюционно более древних элементов нижнего уровня в составе эволюционно более "продвинутых" элементов высших уровней, можно ожидать, что химический состав базовых химических элементов жизни был выбран ещё на самых ранних этапах её эволюции. Судя по составу липидов, белков, коферментов, а так же нуклеиновых кислот, таковыми были углерод, кислород, азот, водород, фосфор, а так же (в существенно меньших количествах) сера, железо, никель и ряд других металлов. Белки состоят из легко синтезируемых в восстановительных условиях аминокислот, в составе которых встречаются все вышеперечисленные элементы кроме фосфора и металлов. Липиды, представляющие из себя достаточно простые цепочки атомов, состоящие из углерода и водорода с содержащим кислород "хвостом" на одном конце тоже легко синтезируются абиогенно. Коферменты (активные центры) как правило представляют собой либо фрагменты природных минералов (грейгит и т.д.), либо что-то вроде небольших нуклеотидно-аминокислотно-липидных комплексов. Сложнее с нуклеиновыми кислотами, каким образом они были синтезированы абиогенно до сих пор нет особой ясности. Попробуем поискать ответ в строении современных клеток. Как было недавно
Так что же такое полифосфаты? Это цепочки соединённых посредством атомов кислорода остатков молекул ортофосфорной кислоты различной (от двух до сотен единиц) длины. Если обозначить одну молекулу остатка ортофосфорной кислоты как P, то первичную структуру полифосфатов можно условно представить следующим образом: PPPPPPP.... Как будет описано ниже, в присутствии апатитов из простого органического вещества формальдегида (CH2O) при определённых (довольно мягких) условиях с хорошим выходом синтезируется рибоза. Это уже интересно, так как она (наровне с ортофосфоной кислотой) входит в состав нуклеотидов, кирпичиков, из которых состоят нуклеиновые кислоты. Исходя из указанного факта можно заключить, что в богатой кальцием и фосфатами среде при наличии простых органических веществ вполне вероятно присутствие ощутимого количества молекул рибозы. Соответсвенно, вполне естественно предположить, что какая-то часть из них будет встраиваться в цепочки полифосфатов, "разбавляя" их рибозой. Если обозначить молекулу рибозы как R, то получающиеся при этом молекулы можно представить примерно вот таким образом: PPPPPRPPPPRPPP..... Остались ли в современных клетках какие-нибудь "воспоминания" об этих самых ранних этапах эволюции? Пожалуй, на этот вопрос можно дать осторожный утвердительный ответ. Сейчас "с нуля" все нуклеотиды в любых клетках собираются на основе молекулы под замысловатым названием 5-фосфорибозил 1-пирофосфат (сокращённо PRPP). Как, видимо, уже догадались некоторые читатели, общепринятая сокращённая форма этой молекулы в точности соответсвует предложенным выше обозначениям (хотя стоит отметить, что дифосфат в ней прикреплён к рибозе не стандартным для полинуклеотидных молекул образом). Если пойти ещё дальше, и ввести обозначения для азотистых оснований в виде надстрочных символов (A, U, С, G для аденина, урацила, гуанина и цитозина соответсвенно), то легко заметить, что и на этом уровне по видимому видны следы цепочек полифосфатов, на базе которых могли строиться органические молекулы на начальных этапах эволюции. Скажем, основная энергетическая молекула клетки - АТФ при таком способе обозначений предстанет перед нами в виде PPPRA, а одна из основных сигнальных молекул бактериальных клеток (гуанозин 5-дифосфат 3-дифосфат) будет выглядеть так: PPRGPP. Другая важная сигнальная молекула клетки - циклический аденозинмонофосфат (изомер АМФ) в такой записи выглядит как PRA. Если к этому добавить ещё и тот факт, что сам по себе ион кальция Ca2+ тоже является важной сигнальной молекулой, а интенсивный синтез полифосфатов по сути является стандартным ответом клетки на многие стрессовые условия, сам собой напрашивается вывод, что упомянутая выше асидокальцисома является прямо-таки складом сигнальных молекул и их заготовок. Но вернёмся к нашему "алфавиту молекул жизни". Обозначив в нём буквой N дополнительное неканоническое азотистое основание, тем не менее, очень распространённое в живой природе - никотинамид, мы легко разглядим "полифосфатный скелет" и в ещё двух незаменимых для любой клетки кофакторах - НАД и НАДФ, которые в этом случае можно будет записать, соответсвенно, как RNPPRA и RNPPRAP.
Итак, есть определённые основания полагать, что первые простейшие органические молекулы были построены на различных сочетаниях таких структур как аминокислоты, азотистые основания, рибоза, ортофосфат, липиды. И действительно, именно они, в основном, входят в состав таких широко распространённых в клетке молекулярных "машинок", как коферменты. Про основной переносчик энергии в клетке, молекулу АТФ, состоящую из аденина, рибозы, и трёх остатков ортофосфорной кислоты, а так же основной кофермент окислительно-восстановительных реакций в клетке (дегидрогеназу) НАД(Ф) (аденин, никотинамид, две рибозы, два или три остатка ортофосфорной кислоты) мы выше уже писали. Важнейший кофермент SAM (S-аденозилметионин), являющийся переносчиком метильной группы для более сорока метаболических реакций в клетке, состоит из аденина, рибозы и аминокислоты метионина. Несколько более сложно, но на примерно похожих "идеях" основаны и многие другие важнейшие для жизни коферменты - витамин B12, коэнзим А, FAD. Всех их объединяет одно обстоятельство - они состоят из двух основных частей: аденозина (то есть, связки аденина и рибозы) и соединённого с ним (через остатки ортофосфорной кислоты или напрямую) собственно катализирующего необходимые реакции молекулярного блока. При этом важно отметить, что, насколько мы можем судить, аденозин сам по себе никакого участия в происходящих реакциях не принимает. Зачем же он нужен? Обычно принято считать, что он является своего рода маркером, необходимым для узнавания этих молекул другими органическими молекулами, взаимодействующими с ними. Данный сорт объяснения соответствует так называемой концепции "замороженной случайности". Несомненно, многие важные события в эволюции являются результатом фиксации случайной флуктуации, навечно "вмороженной" в механизмы жизнеобеспечения клетки. Но не мог ли уже на ранних этапах эволюции играть существенную роль и отбор? Представляется, что, по крайней мере, в случае с аденозином именно так и было. Дело в том, что аденин способен активно поглощать энергию в ультрафиолетовой части спектра. Эта энергия может быть оперативно использована для осуществления важных реакций биосинтеза. Например, как было показано ещё в середине прошлого века, упомянутая выше биомолекула НАД эффективно поглощает ультрафиолет своей адениновой частью, а полученная энергия переносится на её никотинамидную половину, где и переизлучается в результате флюоресценции. Представим, что в момент поглощения света аденином второй нуклеотид НАД был химически присоединён к какой-либо другой органической молекуле. В такой ситуации вполне можно ожидать, что вместо переизлучения энергия поглощённого кванта света могла быть использована для осуществления какой-либо полезной эндотермической реакции. Можно вспомнить и про проводимые в 60-х годах прошлого века опыты Поннамперума, в которых при облучении ультрафиолетом смеси АДФ и метил-матафосфата происходил синтез основной энергетической биомолекулы - АТФ. Известный отечественный специалист по биоэнергетике В.П.Скулачёв в своё время предложил
Кстати говоря, тут есть ещё одна проблема. Исходя из той универсальной роли, которую играет молекула АТФ для всех без исключения клеточных форм жизни, можно предположить, что в той среде, в которой зарождалась жизнь, аденин должен был быть представлен достаточно широко. Но его выход в опытах по лабораторной имитации абиогенного синтеза органики обычно весьма незначителен. Например, в экспериментах того же Поннамперума был зафиксирован выход аденина лишь на уровне 0.01% от соответствующего количества содержащегося в исходном растворе метана. А ведь для сборки полноценных молекул АТФ аденин нужно ещё объединить с рибозой (получив аденозин), а потом фосфорицировать. Кстати, по поводу абиогеного синтеза рибозы среди химиков тоже долгое время царил достаточно сильный скептицизм. Рибоза является типичной молекулой класса моносахаров, широкий спектр которых, как показал Бутлеров ещё во второй половине IXX века, легко синтезируются при комнатной температуре в слабощелочной водной среде из такой простой молекулы, как формальдегид в присутствии ионов кальция или магния. Более того, реакция является автокаталитической, то есть, чем больше концентрация синтезированных сахаров, тем быстрее она идёт. Некоторое число "затравочных" сахаров могло быть получено простым облучением водного раствора формальдегида ультрафиолетовым светом (похоже, этот источник энергии является критически важным для многих ключевых событий на ранних стадиях эволюции жизни). В частности, одним из основных продуктов обсуждаемой реакции, синтезируемых с неплохим выходом, является глюкоза, этот важнейший, а вполне возможно, что и вообще первый источник энергии нарождающихся живых систем. Казалось бы, ура! Но не всё оказалось так просто. Среди достаточно широкого спектра сахаров, синтезируемых в данной реакции, рибоза практически отсутствовала. А ведь именно её, в большинстве своём, и чаяли получить химики. И опять учёным неожиданно помог отказ от попыток собрать какие-то элементарные кирпичики жизни в результате ряда последовательных, логически продуманных шагов, когда вначале из продуктов A и B при определённых условиях синтезируется C, потом полученный продукт заставляют вступать в реакцию с D и так далее вплодь до полной победы коммунизма получения финального продукта. Видимо, по крайней мере в области органической химии, пора отказываться от линейного мышления, предпологающего лишь последовательные бинарные взаимодействия химических веществ. Жизнь явление синергетическое, во многих случаях надо, образно говоря, просто кинуть в горшочек сразу несколько веществ, содержащих химические элементы, которые мы ожидаем обнаружить в конечном продукте, и природа сама замутит клубок химических реакций, ведущий к желаемому результату. И действительно, если опыт удался несколько миллиардов лет назад, что мешает его повторению? Дополнительной иллюстрацией этого принципа стал
Рис. 1. Две базовые органические молекулы - рибоза (слева) и глюкоза (справа).
Тот факт, что у рибозы и глюкозы есть много общего, подтверждается ещё и тем обстоятельством, что в процессе базовой реакции гликолиза, при которой за счёт расщепления глюкозы выделяется необходимая организму энергия, является её фосфорилирование, когда к "концевому" атому кислорода в левой верхней её части, присоединяется ортофосфорная кислота, причём, в точно такой же позиции, в которой она присоединена к рибозе в молекулах РНК, ДНК, АТФ и т.д. Возможно, этого говорит о том, что на самых ранних этапах эволюции жизни функции этих молекул ещё не были чётко разнесены, и они даже могли участвовать в схожих метаболических циклах, обслуживаемых одними и теми же рибозимами, а глюкоза даже могла иногда замещать рибозу в цепочках органических молекул, которые можно условно назвать "пра-РНК"! Возможность абиогенного синтеза глюкозы подтверждается так же её обнаружением в составе вещества метеорита Мерчисон. Заодно можно упомянуть и ещё об одной химической реакции в результате которой синтезируются углеводороды, составляющие основу таких важнейших биологических молекул, как жирные кислоты. Речь о так называемом процессе Фишера-Тропша. Суть данной реакции - образование цепочек углеводородных молекул из монооксида углерода и молекулярного водорода, причём в качестве побочного продукта реакции полимеризации выделяется вода. Данная реакция лучше всего идёт при достаточно высоких (более 200 градусов Цельсия) температурах в присутствии катализаторов типа железа, никеля или кобальта, но и в упомянутых выше опытах Миллера углеводороды составляли существенную долю от всех синтезированных органических молекул.
Но вернёмся к нашим баранам, то бишь, к вопросам абиогенного синтеза нуклеотидов. Как было изложено выше, по крайней мере нуклеотиды с цитидином и уридином, несколько наиболее простых аминокислот, глюкоза (как эффективный источник энергии) и рибоза вполне могли быть синтезированы абиогенно в достаточно больших количествах при вполне реалистичных условиях. Для полного счастья нам нужно понять пути абиогенного синтеза пуриновых нуклеозидов, комплиментарных пиримидинам (цитидину и уриднину), особенно аденозина, так как факт его присутствия в большей части коферментов "голосует" за очень раннее появление данной молекулы на сцене эволюции. Пурины состоят из рибозы и, соответственно, аденина или гуанина. В принципе, оба эти нуклеиновые основания (как критически важные элементы аденозина и гуанозина) можно синтезировать в условиях умеренно восстановительной среды, примерно соответствующей по составу вышеупомянутым опытам Миллера, если в неё добавить ещё одну простую органическую молекулу - синильную кислоту (HCN). Вначале в результате её реакции с аммиаком получается цианид аммония, а потом, в результате полимеризации последнего, синтезируется некоторое количество молекул аденина и примерно на порядок меньше гуанина, см., например,
Далее, ещё в 60-70-х годах прошлого века Поннамперума в своих опытах показал, что при облучении ультрафиолетом разбавленных водных растворов аденина, рибозы и фосфорной кислоты при температуре около 40C синтезируется, хоть и с небольшим выходом, аденозин. Как видим, и здесь казалось бы, нужный лишь на последующих этапах фосфор оказывается критически важным. Последний этап - собственно фосфорилирование нуклеозидов и получение важнейших молекул энергетического обмена клетки - АДФ и АТФ может быть осуществлён, например, если продолжать "варить" синтезированные нуклеозиды в растворе фосфорной кислоты, причём если в неё добавить в качестве катализатора этилметафосфат, то выход реакции существенно повышается. Возможен и альтернативный путь синтеза мононуклеотидов -
Подводя промежуточный итог, можно констатировать, что в условиях умеренно восстановительной среды, в которой присутствуют достаточно простые молекулы, состоящие из наиболее распространённых во Вселенной химических элементов (фосфор в этом плане, пожалуй, является единственным исключением) при условии подвода энергии с ощутимым выходом может синтезироваться большинство критически важных для зарождения жизни органических молекул, включая несколько (до десятка) аминокислот, глюкоза, рибоза, некоторые нуклеотиды. Так же при благоприятных условиях возможно накопление в системе свободной энергии, как в виде АТФ и глюкозы, так и в виде полифосфатов (см. ниже). Таким образом, "сырьё" для дальнейшей эволюции вроде бы имеется, но что бы из указанных компонентов стали возникать и самоподдерживаться более сложные структуры типа белков и полинуклеотидов, нужны автокаталитические реакции, в результате которых самовоспроизводство указанных структур было бы поставлено на поток. Как это могло происходить на практике? Начнём с белков.
Итак, представим, что в результате абиогенных процессов у нас образовался пул протеиноидов, проявляющих ту или иную каталитическую активность. Действительно ли у такой системы принципиально невозможно появление хотя бы зачаточной памяти и возможности передачи накопленных признаков по наследству? Что бы ответить на этот вопрос, нужно для начала отметить, что, как выяснилось в последнее время, те трёхмерные структуры, в которые сворачиваются белки, в процессе эволюции сохраняются гораздо лучше, чем их аминокислотные последовательности (одна и та же структура может быть образована огромным числом различных последовательностей). Соответствующие исследования, проведённые на эту тему,
Что ещё, кроме укладки, определяет каталитические свойства белков? Последовательность аминокислот в их, так называемом активном центре, то есть окружающих пространство, внутри которого собственно и происходит катализируемая данным белком реакция. Данная последовательность как бы координирует взаимное расположение реагирующих компонентов, располагая их друг относительно друга таким образом, что вероятность реакции сразу увеличивается на порядки, а то и десятки порядков величины! Довольно часто в активном центре присутствует так же ион какого-нибудь металла (белки с такими активными центрами даже получили специальное название - металлопротеины) или даже что-то вроде небольшого фрагмента кристаллической решётки, как бы "захваченной" протеином (подробнее про это см. статью LUCA Минеральные корни современных ферметов). Так же иногда в активном центре находится относительно простая органическая молекула - коэнзим. Указанные как бы внешние для молекулы белка объекты удерживаются в нужной позиции и с нужной ориентацией аминокислотными остатками, расположенными в районе активного центра. Тем не менее, строго однозначная последовательность аминокислот для этого не нужна. Иногда, как уже было упомянуто выше, важна последовательность чередования гидрофобных и гидрофильных кислот, иногда - наличие в определённых позициях лишь 3-4 ключевых аминокислотных остатков, а какие аминокислотные остатки занимают остальные позиции несущественно. Итак, ключевыми для каталитических свойств того или иного белка во многих случаях являются тип его укладки и наличие в его активном центре на нескольких ключевых позициях определённых аминокислотных остатков. Предположим, что исходно было 100 возможных базовых типов укладки белков, а активность их каталитических центров обеспечивалась в среднем 4-мя ключевыми аминокислотами на определённых позициях. Пусть в нашем условном "органическом бульоне" так же исходно присутствовало 10 синтезированных абиогенно аминокислот. В этом случае, как легко посчитать, мы получим оценку числа принципиально возможных типов синтезированных абиогенно белков в 100*104= 106. Итого, вместо будоражащих воображение гуглообразных чисел с десятками, а то и сотнями нулей, которые так любят в виде своеобразных чёток перебирать сторонники интеллектуального дизайна, перед нами предстаёт всего лишь миллион вариантов. По меркам органической химии это совершенно "детское" число. Чего же после этого удивляться, что среди протеиноидов со случайной последовательностью аминокислотных остатков заведомо находятся молекулы, способные катализировать практическую любую реакцию, важную для функционирования метаболических цепочек клетки!
Но пора вспомнить и о том, что, как и для исправного функционирования любого механизма, кроме его правильной конструкции (пусть и случайно собранной из валяющихся под ногами деталей методом проб и ошибок) и исходного сырья, нужна ещё и энергия! Ведь даже для инициализации работы двигателя внутреннего сгорания, само предназначение которого заключается в добыче свободной энергии, нужен исходный затравочный источник в виде электроэнергии, запасённой в аккумуляторе. Представляется, что на самых ранних стадиях эволюции именно описанные выше полифосфаты при гидролизе которых выделяется энергия, могли играть роль её первичного поставщика. Это тем более вероятно, что у некоторых бактерий (например, пропионовых) как для активации процесса расщепления глюкозы (гликолиза), так и для запасения выделяющей при этом энергии, вместо АТФ используется полифосфат (подробнее см.
Рис. 2. Схема, поясняющая принцип синтеза нуклеотидов на базе молекулы PRPP.
Так как данная группа встречается у всех используемых в биологии аминокислот кроме пролина, можно сказать, что почти любая аминокислотная последовательность способна "пристыковаться" к фосфату, что, возможно, и явилось тем ключевым моментом, который определил выбор природы в пользу амино, а не каких-либо других органических кислот (кето и т.д.). Ведь именно взаимодействие аминокислотных цепочек и нуклеотидов лежит в самом основании всего сложного комплекса реакций, который мы именуем жизнью! В дальнейшем роль "штатного" поставщика энергии видимо перешла к молекулам АТФ. Одной из главных причин этого мог стать тот факт, что, как уже отмечалось выше, АТФ может синтезироваться из АДФ и фосфатов напрямую под действием ультрафиолетового излучения. Кроме того, при наличии соответствующих ферментов, АТФ может синтезироваться из АДФ и при расщеплении глюкозы (которая, напомним, тоже, скорее всего в достаточно больших объёмах синтезировалась в реакции Бутлерова). Таким образом, уже на ранних этапах эволюции жизни могла быть обеспечена возможность непрерывной энергетической "подпитки" предбиологических автокаталитических процессов как днём, так и ночью.
С учётом вышеизложенного, а так же наличия в некоторых коэнзимах как нуклеотидов, так и "пришитых" к ним аминокислот, или даже некого подобия коротких пептидных цепочек, представляется целесообразным рассмотреть вариант совместной параллельной эволюции структур, составленных из нуклеотидов и аминокислот. И на этом пути нас ждёт ещё много интересных открытий. Например, как было в своё время показано, особенности распределения аминокислот по кодонам генетического кода и исследование метаболических путей синтеза аминокислот в современных клетках позволяют выдвинуть достаточно обоснованную гипотезу о том, что изначально аминокислоты могли синтезироваться из кето-кислот (это близкие родственники аминокислот, у которых аминогруппа заменена кислородом) на динуклеотидах, причём каждой синтезируемой аминокислоте соответствовал свой динуклеотид, что и привело в итоге к зарождению первичного кода, вырожденного по третьему основанию. Подробнее об этом см., опять же, в соответсвующей статье LUCA. Действительно, исходное количество молекул аминокислот в среде, естественно, было ограниченным. Что бы не зависеть от "прихотей" природы, меняющихся в зависимости от изменения внешних условий, для зарождающейся биоты очень важно было взять под контроль процесс синтеза столь необходимых ей аминокислот, служащих строительным материалом для первых белков. И, похоже, именно с помощью нуклеотидов биоте удалось успешно решить эту задачу! Но, позвольте, могут спросить некоторые читатели, а откуда, собственно, взялись сами кето-кислоты, они ведь сами по себе тоже являются не такими уж простыми молекулами? Как выяснилось относительно недавно, при подходящих условиях кето-кислоты непрерывно синтезируются в так называемом восстановительном цикле трикарбоновых кислот, который, подобно циклу реакции Бутлерова является автокаталитическим. Другими словами, в процессе функционирования этого цикла концентрация молекул трикарбоновых кислот непрерывно увеличивается. При этом дополнительные кето-кислоты синтезируются за счёт энергии, поставляемой АТФ, из широко распространённого во Вселенной сырья - водорода и углекислого газа. Например, за один оборот цикла из каждой "затравочной" молекулы лимонной кислоты (цитрата) синтезируется в конечном итоге сразу две соответсвующие молекулы. Таким образом, куда ни посмотри, везде у самого основания дерева (можно образно сказать, под его корнями) биологической эволюции мы натыкаемся на автокаталитические циклы. В принципе, именно так и должно быть, ведь и сама жизнь, по существу, это, в конечном итоге, очень изощрённый процесс автокаталитической репликации.
Итак, даже синтезированные в случайном порядке цепочки аминокислот могут катализировать многие важные биологические реакции. Но дело, несомненно, пойдёт гораздо веселее, если не ждать милостей от природы, а целенаправленно влиять на процесс синтеза прото-протеинов, для начала размещая хотя бы несколько ключевых аминокислот в активном центре молекулы на тех позициях, в которых скорость катализируемой реакции ускоряется на порядки, что резко увеличит активность катализируемых процессов. Возможен ли в принципе такой промежуточный вариант синтеза белков на условной шкале, один конец которой оккупируют процессы сборки небольших белков с полностью случайными аминокислотными последовательностями, а другой - стопроцентно контролируемые рибосомой белки, содержащие сотни аминокислотных остатков? Оказывается, такой вариант есть, и, более того, он активно используется даже современными бактериями и некоторыми грибами! Речь идёт о таких пептидах, которые синтезируются вообще без участия рибосомы. Несмотря на всю разнородность данной группы аминокислотных молекулярных комплексов, у них есть некие общие черты, позволяющие предположить их очень древнее происхождение. Во-первых, все они достаточно небольшие по размерам, и содержат обычно от двух до дюжины аминокислот (например, один из самых известных нерибосомных пептидов циклоспорин состоит из 11-ти аминокислотных остатков). Во-вторых, в них очень часто присутствуют неканонические аминокислоты, отсутствующие в стандартном генетическом коде, либо аминокислоты с нестандартной (правой) хириальностью. В третьих, данные полипептидные комплексы, в отличии от белков, синтезируемых на рибосоме, часто имеют не линейную, а циклическую (как тот же циклоспорин) или разветвлённую (как
На основании всего этого, а так же результатов своих предыдущих исследований, авторы обсуждаемой статьи выдвинули гипотезу о том, что у истоков биологической эволюции мог лежать не мир РНК, а, условно говоря, "мир протеиноидов и кофакторов". В соответствии с этой идеей исходно синтезируемые в среде абиогенно короткие (длиной не более нескольких десятков аминокислотных остатков) пептидные цепочки со случайными последовательностями аминокислот исходно взаимодействовали с небольшими органическими молекулами (предтечами современных кофакторов). Данные кофакторы (типа современных CoA, NADP и т.д.) как правило, включали один или два нуклеотида (я бы лично добавил к предбиологическим кофакторам так же ионы некоторых металлов и растворённые в среде фрагменты минералов, обладающих сильной каталитической активностью, например, железно-серные кластеры). Из-за наличия в подобной среде многочисленных положительных и отрицательных обратных связей постепенно началась эволюция пептидных цепочек и отбор тех из них, которые проявляли наиболее сильные автокаталитические свойства. Так как они, в свою очередь, очень сильно зависят от местоположения на некоторых позициях специфических аминокислот, на определённом этапе эволюции постепенно начали появляться прото-протеины, способные в статистическом плане закреплять некоторые простые аминокислотные мотивы, благоприятные для надёжной фиксации коферментов в конкретной ориентации, обеспечивающей наиболее эффективный ход катализируемых ими реакций. Благодаря всё более эффективной работе прото-протеинов, в частности, появившейся у них способности удерживать некоторые ключевые коэнзимы за фосфатный "хвост" и узнавать некоторые динуклеотидные последовательности, начиная с какого-то момента начали так же целенаправленно синтезироваться и более длинные цепочки полинуклеотидов, некоторые из которых, в частности, и стали предками будущих молекул тРНК и рРНК. Поэтапное совершенствование всей этой всё более усложняющейся системы автокаталитических циклов привело в итоге к постепенному разделению метаболических цепочек рибосомного и нерибосомного синтеза. Описанный сценарий на взгляд автора выглядит вполне правдоподобно и позволяет объяснить некоторые трудные для классической модели РНК мира странности эволюции, например, почему несмотря на то, что даже простые рибозимы in vitro (то есть, в пробирке) часто выполняют операции узнавания конкретной тРНК гораздо лучше протеинов, они для этой цели in vivo (то есть, в реальных живых системах) всё равно не используются.
От себя могу добавить, что в рамках рассматриваемого сценария можно провести следующую аналогию с развитием технологий в процессе эволюции земной цивилизации. До внедрения мануфактур, и уж, тем более, конвейеров, все технологические операции выполнялись мастерами вручную, из-за чего общая производительность труда была низкой, а экземпляры одной и той же продукции могли заметно отличаться друг от друга в зависимости от доступных мастеру материалов, особенностей его индивидуального стиля работы и т.д. По мере усиления тренда на разделение труда, автоматизацию и унификацию, товары, производимые оставшимися ремесленниками были в значительной степени вытеснены из основного товарооборота, но, тем не менее, они не исчезли полностью, а заняли определённые узкие рыночные ниши, например, в области продажи туристам своей сделанной вручную продукции в качестве сувениров. Примерно так же и после "изобретения" универсального рибосомного синтеза белков цепочки внерибосомного синтеза небольших пептидов не исчезли вовсе, а переместились в те области, в которых ограничения, накладываемые "конвейерным способам производства" оказываются непреодолимыми. Например, при синтезе антибиотков часто необходимо на определённые позиции в итоговом мини-протеине включить "правые" аминокислоты, но таких белков на "рибосомном заводе" не делают, ибо нестандарт! Тут то и приходят на помощь "дедовские" способы сборки пептидных цепочек.
В заключение данного раздела можно так же отметить, что наиболее архаичные белки, скажем, суперсемейство протеинов, характеризующихся наличием укладки Россмана (что позволяет им связывать нуклеотиды и обеспечивать тем самым своеобразный мостик между ДНК/РНК и белками), как правило характеризуются и достаточно простой структурой, заключающейся в чередованиии стандартных элементов типа альфа-спиралей и бета-листов. При этом наличие строго определённых аминокислот на конкретных позициях критически важно всего лишь для нескольких аминокислотных остатков, расположенных вблизи активного центра. Можно предположить, что именно такого рода белки, позволяющие "подносить снаряды" (в виде АТФ и полифосфатов), необходимые для активации многих важных для биологии химических реакций (включая и те, которые помогали синтезироваться им самим), и формировались в ходе самых ранних предбиологических метаболических циклов. Их простая структура являлась залогом того, что они могли автокаталитически воспроизводиться ещё до появления рибосомы.
Но как всё-таки появились первые РНК?
Итак, некоторые, хотя пока ещё и довольно смутные, но всё же проступающие всё более чётко контуры возможного механизма появления рибосомного синтеза протеинов на переднем фронте современной науки постепенно начинают просматриваться. Это весьма приятный для большинства учёных факт, ибо отсутствие реалистичных сценариев этого процесса приводило бы к необходимости использования достаточно экзотических решений типа предложенной одним из наиболее известных молекулярных биологов современности Евгением Куниным гипотезы случайной самосборки прото-рибосомы и прото РНК-репликазы в результате очень маловероятного процесса, повторение (и уж, тем более, воспроизведение в лаборатории) которого в видимой нам части Вселенной совершенно исключено. Подобные гипотезы, которые очень затруднительно, если вообще принципиально возможно, проверить экспериментально, обычно вызывают у большинства учёных чувство глубокого неудовлетворения.
Выше автор пытался убедить своих читателей, что есть надежда на то, что тайна происхождения "мира протеинов" постепенно приподнимает свою завесу. Но можно ли сказать то же самое про тайну происхождения мира РНК? Это вторая из проблем, одним из возможных решений которой Евгений Кунин считает случайную самосборку макромолекулы-репликазы. Возможно, эта проблема даже важнее проблемы происхождения синтеза белков на рибосоме, ибо связана с самой базовой чертой всех живых систем - их способностью к саморепликации на основе схем дискретного кодирования, а так же изменчивости на основе мутаций с последующим отбором наиболее приспособленных. Итак, каково же состояние современной теории происхождения механизма репликации полинуклеотидных цепочек? Для начала можно отметить, что полимеризация смеси нуклеотидов в РНК-цепочку при определённых условиях идёт сравнительно легко. Например, при активации нуклеотидов имидазолом или метилированным аденином на поверхности достаточно распространённого минерала монтмориллонита (разновидность глины)
Следующий этап - синтез комплиментарных полинуклеотидных цепочек на абиогенно образовавшихся РНК-матрицах. В последние 10-15 лет в данной области очень активно велись исследования по получению каталитической РНК-цепочки (рибозима), способной синтезировать собственную копию. Думается, в случае успеха авторы решающего эксперимента могут смело рассчитывать на Нобелевку, ведь данная проблема по всеобщему признанию в настоящее время является центральной для теории РНК-мира. Тем не менее, несмотря на большое количество предпринятых попыток, результаты пока весьма скромны. Наилучшие из полученных к настоящему времени РНК-репликаз имеют длину около 200 но, и при этом могут воспроизвести лишь фрагмент произвольной РНК-цепочки примерно на порядок меньший собственной длины (подробнее см., например,
С учётом вышеизложенного представляется вполне логичным подумать и об альтернативных сценариях возникновения репликации РНК. Достаточно большое количество исследований на эту тему было осуществлено ещё в 80-е годы прошлого века (существенная часть из них была впоследствии свёрнута, так как начиная со второй половины 90-х годов более перспективной и амбициозной стала казаться задача получения универсальной РНК-репликазы). В частности, было показано, что на цепочке РНК, содержащей в качестве нуклеинового основания цитозин, при наличии в растворе всех четырёх нуклеиновых оснований, активированных близким родственником имидазола - 2-метилимидазолом, избирательно синтезируется комплиментарная ей цепочка с основанием в виде гуанина, причём точность синтеза комплиментарной копии превышала 99%. Тем не менее, если в молекуле олигонуклеотида, служащего исходной матрицей, существенный процент составляли нуклеотиды с другими основаниями (гуанином, аденином или уридином), то синтез комплиментарной копии молекулы практически прекращался из-за эффекта "слипания" различных фрагментов молекулы, подавляющего неферментативную полимеризацию. Любопытно, что в последнее время интерес к неферментативной репликации полинуклеотидных цепочек, похоже, начал возрождаться. Например,
Рис. 3. Типичный "узел", который может образоваться на одноцепочечной молекуле РНК, богатой гуанином. В центре схематически обозначен ион атома магния. Взято
Во-вторых, в отличии от гуанина, никотинамид может быть легко синтезирован из описанной выше предполагаемой смеси простых молекул (полифосфаты, рибоза, аминокислоты и т.д.), видимо, положившей начало предбиологической эволюции. Например, никотин мононуклеотид (содержащий никотинамид) неферментативно синтезируется из аспарагиновой кислоты, рибозы и вездесущего 5-фосфорибозил 1-пирофосфата (PRPP) являющегося, как мы помним, так же прекурсором и для синтеза "классических" мононуклеотидов. В третьих, при синтезе НАД, так же как и при синтезе пиримидиновых оснований, к PRPP присоединяется уже практически собранное азотистое основание, в то время как при синтезе пуриновых нуклеотидов азотистое основание поэтапно синтезируется на молекуле PRPP в результате достаточно сложного многоэтапного процесса. Данный факт может говорить о большей древности цепочки синтеза НАД и пиримидинов по сравнению пуринами. Наконец, в-четвёртых, у бактерий есть фермент, позволяющий полимеризировать молекулы никотинамид мононуклеотида в цепочку, в точности повторяющую структуру РНК, но с никатинамидом вместо "канонических" азотистых оснований (см. рис. 4.)! Приведённые выше факты, ровно как и следующий ниже рисунок, взяты из интересной работы Нади Рафаэлли "
Рис. 4. Синтезируемый бактериями полинуклеотид, включающий молекулы никотинамида, способные к комплиментарному спариванию с РНК, содержащей цитозин и аденин.
Но и этим способности "чудодейственного" кофактора НАД не ограничиваются. Оказывается, иногда клетка использует данную молекулу в качестве "затравки" при репликации цепочки нуклеиновых кислот, присоединяя её к первому нуклеотиду копируемой РНК. Таким образом, кроме всего прочего, наличие НАД на ранних этапах эволюции может по крайней мере частично решить отмеченную выше проблему "праймера", столь необходимого как для ферментативной, так и неферментативной репликации РНК. Ну и, наконец, вполне естественным выглядит предположение, что вдобавок ко всему прочему, миллиарды лет назад, на заре зарождения жизни, НАД, как и сегодня, мог служить эффективным агентом, обслуживающим первые окислительно-восстановительные реакции в органической среде. По видимому, на первых порах молекулы, подобно НАД бывшие "универсалами-многостаночниками", превалировали, а их диверсификация, более узкая специализация и специфическая настройка их функций произошла позже.
Итак, с учётом вышеизложенного, возможность осуществления на ранних стадиях эволюции неферментативной репликации РНК представляется вполне реальной. Тем не менее, не будем забывать, что данный процесс идёт весьма медленно, и с достаточно большим количеством ошибок. Для того, что бы не заснуть на этом этапе, эволюции нужно было рано или поздно перейти к чему-то более эффективному, то есть, без специализированных молекул-репликаз в конце концов было не обойтись. Другой вопрос, были ли эти молекулы РНК-цепочками (рибозимами) или пептидными цепочками (энзимами)? Второй вариант представляется автору более вероятным. Во-первых, как уже было упомянуто выше, ни одной РНК-репликазы в живой природе до сих пор не обнаружено, видимо, их попросту нет. В силу тенденции эволюции строить все свои последующие этапы на базе предыдущих, данный факт говорит не в пользу рибозимной гипотезы. С другой стороны, анализ существующих сегодня белковых репликаз позволяет сделать вывод, что в них критически важными для правильного функционирования активного центра фермента оказываются три находящихся там на определённых позициях остатка аспарагиновой кислоты (заодно вспоминаем, что та же аспарагиновая кислота нужна и для абиогенного синтеза НАД, а так же обоих пиримидиновых нуклеиновых оснований!), удерживающие ион магния в необходимой для катализа процесса репликации позиции. Невольно напрашивается мысль, что и небольшая по размерам пептидная цепочка, обеспечивающая аналогичное расположение остатков аспарата, тоже может (в союзе с ионом магния естественно) катализировать репликацию, пусть и с меньшей эффективностью. Так это или нет - предмет для дальнейших исследований.
Вместо заключения первой части (наброски некоторых идей относительно возможных механизмов запуска предбиогических этапов эволюции).
В данном разделе мы попытаемся связать изложенные выше фрагментированные лоскутки в некое подобие одеяла, сшивая их по возможности не белыми нитками. Основу той среды, в которой зарождалась жизнь, по видимому составляли достаточно простые вещества, состоящие из наиболее широко распространённых во Вселенной элементов, таких как H2, CO, CO2, H2O, CH4, NH3, CNH, СH2O, H2S. При условии подвода к этой среде энергии, например, в виде ультрафиолетового света или путём её нагревания, в ней синтезировались более сложные молекулы - углеводороды, жирные кислоты, кетокислоты, аминокислоты, причём при определённых условиях могла осуществляться их полимеризация. Несколько сложнее с фосфатами которые, скорее всего, тоже играли важнейшую роль уже на самых ранних этапах эволюции. Тем не менее, и здесь в последнее время достигнуты определённые успехи. Например, в проведённом недавно группой учёных из Великобритании исследовании
Рис. 5. Строение простейшего мембранного канала, состоящего из полифосфатов, полимерной цепочки бетаоксимасляной кислоты и катионов кальция (символически обозначены частично закрашенными шариками). Ножницы символизируют возможное отщепление (гидролиз) концевой фосфатной группы, за счёт чего высвобождается энергия, используемая для прокачки через канал необходимых клетке химических веществ. Взято с небольшими изменениями
Таким образом, складывается любопытная ситуация. Для синтеза одной группы важных биологических молекул (белки, жиры и т.д.) нужны восстановительные условия внешней среды, для синтеза других, обычно ассоциирующихся с концепцией РНК-мира (полифосфаты, рибоза, пиримидиновые нуклеотиды) предпочтительна нейтральная или даже умеренно подкисленная среда (дополнительные аргументы в пользу полезности повышенной кислотности внешней среды для РНК-мира см. так же
Итак, берём, наконец, быка за рога и переходим к описанию собственно гипотезы. В недавно вышедшей
На основании вышеизложенных рассуждений можно предположить существование в среде, которая положила начало эволюции жизни, полифосфатов, устойчивых к ультрафиолетовому излучению пиримидиновых нуклеотидов (монофосфат цитидин, монофосфат уридин) и некоторых других сравнительно простых органических молекул. При этом, взятие под контроль поведения обладающих существенными запасами свободной энергии полифосфатов, молекул типа PRPP, и обладающих определённой каталитической активностью коротких нуклеотидных цепочек, способных формировать простые вторичные и третичные структуры, было одним из основных факторов, способных придать какую-то направленность стихийным химическим процессам и их циклам. В решении этой задачи неоценимую помощь могли оказать короткие цепочки аминокислот - протеиноиды. Благодаря способности протеиноидов удерживать вышеперечисленные молекулы за их фосфатный "хвост", аминокислоты оказались селективно отобраны из всех многочисленных синтезируемых абиогенно органических молекул как обеспечивающие своеобразный механизм управления цепочками полифосфатов и их производными. При этом, функциональность первых протеиноидов по видимому изначально слабо зависела как от конкретной последовательности составляющих их аминокислот, так и от специфики удерживаемого ими в "гнезде" аниона. В скобках заметим, что этим, в частности, может объясняться и тот факт, что второй древнейшей метаболической цепочкой у бактерий считается сульфаторедукция. Сульфаты с химической формулой SO42- структурно похожи на фосфаты и, как правило, могут удерживаться теми же протеиноидными "гнёздами", что и они. Как бы там ни было, в итоге мог сложиться своеобразный симбиоз - протеиноиды направляли в желательном направлении синтез первичных цепочек РНК, а те, в свою очередь, помогали синтезироваться постепенно расширяющемуся набору всё более специализированных протеиноидов (см. выше про нерибосомный синтез протеинов). Реальность возможности существования сравнительно сложных форм жизни ещё до возникновения рибосомного синтеза белков косвенно подтверждается и тем фактом, что в базовый состав мембраны, отделяющей клетку от внешнего мира, "классические" протеины практически не входят, а при синтезе липидов, из которых они по большей части состоят, ключевую роль играет кофактор коэнзим А. Кстати говоря, в состав мембраны и клеточной стенки грам-положительных бактерий входят тейхоевые кислоты, по структуре иногда отдалённо напоминающие РНК у которых аналогом рибозы является глюкоза, а на месте нуклеинового основания присоединён остаток аминокислоты (см. Рис. 6) так что не исключено, что в начале и РНК могла попросту служить строительным материалом для какой-нибудь биологической структуры, и лишь позже начала использоваться в качестве катализатора некоторых химических реакций и синтеза первых "классических" протеинов. При этом изначально она могла включать лишь нуклеотиды с цитозином (под действием ультрафиолета частично превращающегося в уридин), а позже и с никотинамидом.
Рис 6. Структура одного элемента полимера глицеринтейхоевой кислоты клеточной стенки актинобактерий семейства Micrococcacrae (взято из Википедии).
Добавление никотинамида позволило РНК формировать вторичные и третичные структуры (так как никотинамид способен комплиментарно спариваться с пиримидинами, но не с самим собой) и начать целенаправленный синтез аминокислот на динуклеотидах. Правда, здесь, вроде бы, есть одна заковырка. Исходная версия гипотезы о синтезе аминокислот на динуклеотидах базировалась на предположении о "классической" четвёрке нуклеотидов. Нет ли тут противоречия? Как ни странно, по видимому, нет! Дело в том, что ключевым свойством гуанина, позволяющим ему активно участвовать в аминировании альфа-кетокислот, прикреплённых по второй позиции к рибозе, является возможность атаки его экзоциклического амина на карбонильную группу кетокислоты (см. рисунок Рис. 6 в соответствующей статье LUCA). Но ведь и никотинамид тоже имеет соответствующий экзоциклический амин примерно в том же месте своего азотистого основания (см. Рис. 4 выше)! Таким образом, отнюдь не исключено, что никотинамид мог первоначально замещать гуанин не только в качестве комплиментарного партнёра цитозина, но и в качестве катализатра при аминировании альфа-кетокислот. Добавление в химический репертуар РНК нуклеотидов с гуанином и аденином по-видимому произошло позже, именно поэтому генетический код проявляет ярко выраженную зависимость полярности кодируемых аминокислот и факта прикрепления их ко 2-му или 3-му атому углерода рибозы при аминацилировании тРНК от наличия в центре триплета цитидина и уридина, но не аденина и гуанина. Последние изначально, по-видимому, использовались только для доставки свободной энергии к реагентам химических реакций (см., выше про гипотезу Скулачёва о механизме синтеза АТФ из АДФ под действием ультрафиолета).
История человеческой цивилизации насчитывает не менее 10 тысяч лет, но лишь примерно начиная от середины этого промежутка оно стало обладать письменностью. Таким образом, многие тысячи лет культурные традиции, знания и навыки успешно передавались лишь с помощью устной речи. Появление письменности позволило, с одной стороны, зафиксировать уже накопленную информацию на более надёжном носителе, а с другой стороны, дало мощный импульс дальнейшему ускоренному развитию цивилизации. Представляется, что аналогичным образом и у биологической эволюции был достаточно длительный период, предшествовавший современной записи информации в геноме. В этот период времени применялись другие, более простые способы хранения и передачи информации, которые, тем не менее, уже позволяли поддерживать клеточные структуры на достаточно высоком уровне сложности, в частности, синтезировать полимерные молекулы и формировать из них липидную мембрану и полифосфаты, целенаправленно производить необходимые для метаболических циклов аминокислоты, воспроизводить синтезируемые нерибосомно короткие протеиноиды и кофакторы, запасать получаемую из окислительно-восстановительных реакций и облучения среды ультрафиолетовым светом свободную энергию. По-видимому, мы ещё только начинаем приоткрывать завесу над одним из самых интересных этапов эволюции жизни, её дорибосомным периодом, и на этом пути нас ещё ждёт масса интересных и неожиданных открытий.
| ||||||||||||