Эволюция: от молекулы до клетки

Константин Терехин

Осмысление темы, обозначенной в заголовке, — яркий пример научного познания: решение одной проблемы тут же порождает следующую. Механизмы, понятные в целом, не стыкуются в частностях, а частности не выстраиваются в общую картину. Математики, биологи, химики, генетики по-разному смотрят на этот этап эволюции и формулируют противоречивые концепции. Как природе удалось пройти этап от простейших неорганических молекул до живых организмов?

Гипотеза Опарина

Существует несколько гипотез возникновения клетки. За основу возьмем гипотезу о «химической эволюции», предложенную академиком Александром Опариным в 1924 г. По сути, Опарин предложил классическую рациональную (рискну даже сказать тривиальную) научную идею: сложное образовалось в результате поэтапного развития простого. Итак, в чем же суть «химической эволюции» по Опарину?

Реконструкция условий, существовавших на Земле, показывает, что примерно 4 млрд лет назад сформировалась так называемая первичная атмосфера, содержащая метан, аммиак и, возможно, водород, азот, углекислый и угарный газы, сероводород. Из простейших неорганических соединений стали образовываться более сложные: формальдегиды, формамиды и др. Источниками энергии для химических преобразований могли служить солнце, космическая радиация, излучение радиоактивных пород Земли, электрические разряды в атмосфере, столкновения с метеоритами, вулканические процессы. В результате дальнейшего синтеза возникли четыре нуклеотида (аденин, тимин, гуанин, цитозин), белки и другие необходимые клетке «биомолекулы». На следующем этапе эволюции возник механизм размножения или, точнее, репликации (самокопирования), благодаря которому нуклеиновая кислота могла создать точную копию самой себя. Взаимодействие между возникшими нуклеиновыми кислотами и протеинами (белками) в конце концов привело к возникновению генетического кода. В дальнейшем образовались «протоклетки» — далекие предки современных.

Первые клетки были гетеротрофами, они не могли воспроизводить свои компоненты самостоятельно, и получали их из «бульона». Но со временем многие соединения стали исчезать из «бульона», и клетки были вынуждены воспроизводить их самостоятельно. Так клетки развивали собственный обмен веществ для самостоятельного воспроизводства. Благодаря процессу естественного отбора из этих первых клеток появились все живые организмы, существующие на Земле. Вот вкратце «этапы большого пути» «химической эволюции».

Эксперимент Миллера, или Жизнь из пробирки?

Основным доказательством этого сценария стал эксперимент, проведенный в 1953 г. американским химиком Стэнли Миллером.

Он создал аппарат, воспроизводящий атмосферу, предположительно существовавшую на древней Земле, а специальное устройство имитировало молнии — разряды около 60 тыс. вольт. Через неделю работы аппарата получили месиво случайных соединений, среди которых были обнаружены простейшие аминокислоты — глицин и аланин. Казалось, что разгадка возникновения жизни уже близка.

Тайна размножения, или Что же первично: курица или яйцо?

Жизнь невозможна без механизма ее передачи, осуществляемой путем репликации. В опытах Джулиуса Ребека было показано, что не только клетки, но и молекулы обладают свойством репликации. Для процесса репликации необходимы ДНК, РНК, как носители и переносчики информации, и ферменты (т. е. белки) для ускорения реакции. С точки зрения «химической эволюции» возникает вопрос: для появления белка необходима репликация ДНК и РНК, а для репликации ДНК и РНК необходимы белки — классический парадокс первичности курицы или яйца. Как разрешить эту проблему?

Американские ученые Оргел и Джейсон опытным путем показали возможность репликации сразу всей молекулы ДНК и РНК без участия ферментов (однако только в идеальных условиях). Швейцарский химик Эшенмоузер в своих опытах показал «пошаговую» (то есть звено за звеном) репликацию ДНК и РНК в природных условиях.

Итак, тайна возникновения жизни раскрыта?

Критика «химической» эволюции

Однако тщательный анализ вскрывает ряд проблем. Из многих биологических веществ, имеющихся в клетках, только два подобны тем, что получены в экспериментах типа миллеровских, — это глицин и аланин. Ни разу не были получены остальные вещества, составляющие живую клетку.

Несмотря на заявление Эшенмоузера, последующие расчеты показали невозможность создания цепочки длиной более 30 звеньев из-за накопления ошибок (в природе они устраняются белками-ферментами). Но ДНК из 30 звеньев не может содержать информацию о каком-либо функциональном белке. Для этого необходимо минимум 600 нуклеотидов.

Опыты Фокса и Егами показали возможность самосборки цепочки требуемой длины, но последовательность получалась случайная. Вероятность выстраивания «нужной» цепочки из 600 звеньев составляет порядка 10^–400. Для сравнения: число атомов во Вселенной составляет примерно 10⁵⁰. Получается, что генетический код еще не сформирован и не будет сформирован вообще за время жизни Вселенной!

Итак, основной на современном этапе остается гипотеза Опарина. Но она требует поиска механизмов, способных разрешить колоссальное противоречие между фактом существования жизни и крайне малой вероятностью ее случайного зарождения.