Дмитрий Шабанов: Преджизнь Дмитрий Шабанов

Дмитрий Шабанов: Преджизнь

Дмитрий Шабанов

Опубликовано 05 октября 2011 года

Я искренне благодарен читателям, заинтересованным в том, что я излагаю. Раз вы просили, продолжаю разговор о происхождении жизни. Но, увы, перед конкретикой — общие рассуждения.

Вы помните о демоне Лапласа — гипотетическом сверхразуме, который по координатам и импульсам всех частиц во Вселенной способен вычислить всё её будущее и прошлое? Не буду обсуждать, почему он невозможен. Скажу лишь, что на доступном для нас уровне анализа одному и тому же настоящему могут соответствовать и разные варианты прошлого, и разные варианты будущего. Часть информации о прошлом исчезает. Вероятно, многие из деталей возникновения жизни на Земле уже невосстановимы.

В спорах вокруг прошлой колонки два креациониста разошлись во мнениях. Первый сказал, что в возможности возникновения жизни вследствие химической эволюции его убедит жизнь, сделанная в пробирке. Второй заранее заявил, что его не убедит и это, пока ему не докажут, что жизнь на Земле возникала именно таким способом, как ему показывают. Ну что, второй подстраховался: убедить его в его неправоте невозможно. Впрочем, скорее всего, не растеряется и первый. Увидев «жизнь из пробирки», он скажет, что это не то, чего он ждал...

А катастрофична ли потеря информации о предыстории? Рассмотрим аналогию. Перед нами — незнакомец. Его прошлое неизвестно, никаких документальных свидетельств о нём нет. Как он появился? Его родила мать, которая зачала его от отца. Откуда мы это знаем? Можем ли мы это доказать абсолютно надёжно? Всё, что мы можем сделать, — это изучить закономерности развития других людей, установить роль оплодотворения и родов в их становлении и сделать вывод о появлении этого человека по аналогии. А абсолютное доказательство? В науке оно недостижимо; именно поэтому наука ищет не абсолютное, а достоверное (заслуживающее доверия) знание. Абсолютная истина проходит по иному «ведомству» (по секрету, от себя лично скажу, что считаю её иллюзорной, принципиально недостижимой для человека).

Вероятно, конкретная информация об «оплодотворении» и «родах» жизни на Земле или утеряна, или ещё недоступна для нас. Мы знаем о событиях в истории Земли благодаря геологической летописи — последовательности осадочных пород. К тому моменту, когда эта машинка заработала, жизнь на Земле уже существовала! Но этот пробел не катастрофа, как и в примере с незнакомцем. Мы можем изучить процессы самоорганизации и отбора на доступных для нас примерах и перенести полученное знание на происхождение жизни по аналогии. Людей, которые ищут абсолютную истину, подкреплённую авторитетом Бога, эти рассуждения не убедят. Что поделать. Дело не в ущербности науки, дело в ненаучности их мышления.

Сторонники чудес потирают руки: но ведь мы-то и не видели возникновения жизни, всякое живое существо появляется от ему подобного! Однако факт возникновения жизни налицо; и понимать его надо не по аналогии с процессами размножения, а по аналогии с процессами самоусложнения, возникновения новых структур. По счастию, нам уже известны и факты переходных между не-жизнью и жизнью феноменов (сейчас расскажу), и механизм, который может создавать преджизнь и превращать её в жизнь (эволюция на основе отбора).

Да-да, я считаю, что мы уверенно можем предполагать, что люди, для которых отсутствует нотариально заверенное подтверждение «порочных» сношений родителей, появились вследствие того же закономерного процесса, что порождает и иных людей. Хотите — верьте в непорочное зачатие и безматеринские роды. Столь же уверенно я заключаю, что сложнейший феномен жизни возник в результате того самого закономерного процесса, что обеспечивает уже изученные процессы усложнения автокаталитических реакций вследствие эволюции на основе отбора.

Одна из сложностей в изучении абиогенеза состоит в том, что мы имеем дело с очень зрелой, долго совершенствовавшейся жизнью. Глядя на её нынешнее совершенство, мы не видим этапов, через которые проходило её становление. Креационисты любят говорить о так называемой неупрощаемой сложности («irreducible complexity»). Приведу пару примеров.

Пример № 1. Синтез белка по матрице РНК выполняют рибосомы — сложнейшие молекулярные роботы. Главная часть такого робота у кишечной палочки (классического объекта исследований) — молекула 23S-рРНК. Могла такая совершенная конструкция возникнуть сразу, одним скачком? Конечно, нет.

_{Вторичная структура 23S-рРНК кишечной палочки — совершенного молекулярного робота. Годится как пример «irreducible complexity»?}

Пример № 2. Жизнедеятельность клетки основана на взаимодействии двух классов биополимеров — ДНК и белков. ДНК кодирует белки, белки строят ДНК — они создают друг друга примерно как две руки на картине Эшера. Мог какой-то из классов этих полимеров возникнуть и выполнять свои функции без другого? Конечно, нет.

_{ДНК созидают белки, белки созидают ДНК. Такая совершенная конструкция не могла возникнуть в результате случайного совпадения.}

Оба примера используют как доказательства сотворения жизни. И впрямь, решения обеих проблем нетривиальны. Мы бы их и не узнали, если бы поверили в чудо и вместо изучения закономерностей химической эволюции занялись бы трактовками замыслов Бога. Решили эти проблемы те, кто имел иммунитет к креационистской агитации.

Первое. Выяснено, что супермолекула 23S-рРНК имеет несколько уровней структуры, хранящих «память» о её предыстории и её постепенном совершенствовании.

_{Небольшая часть 23S-рРНК кишечной палочки (показана красным) обладает активностью того же типа, что и вся конструкция, только более слабой. Это самая эволюционно старая часть молекулы. Каждая из последующих добавок увеличивала эффективность работы этой молекулярной машины.}

Вторую проблему решают представления о первичности роли РНК. В ключевых взаимодействиях ДНК и белка между ними всегда оказывается РНК. РНК способна к матричному копированию, как ДНК, и обладает ферментативной активностью, как белок. Иногда молекулы РНК напоминают преджизнь.

Начну с опытов А.Б. Четверина, выполненных в Институте белка РАН. В чашку Петри (такую, в какой выращивают культуры бактерий) помещают гель, содержащий РНК-нуклеотиды (мономеры РНК) и белок (РНК-синтетазу), способный собирать их по матрице. Достаточно ненадолго приоткрыть чашку хоть в помещении, хоть на открытом воздухе, чтобы со временем на поверхности геля появились... колонии размножающейся РНК. Эти молекулы летают в воздухе. Попав на среду, позволяющую им самовоспроизводиться, они размножаются и конкурируют друг с другом! В конкретных условиях эксперимента преимущество будут иметь одни или другие типы последовательностей. При засевании новых чашек выращенными на среде культурами РНК эти культуры будут эволюционировать в сторону оптимальных для данных условий последовательностей.

_{Колонии РНК на поверхности двух чашек Петри. Иллюстрация из статьи А.Б. Четверина в сборнике «Проблемы присхождения жизни» (М.: ПИН РАН, 2009. — 258 с.). Сборник можно найти в сети; очень рекомендую...}

Интересный результат, полученный Четвериным и его коллегами, заключается в описании рекомбинации (обмена участками РНК), спонтанно происходящей в присутствии ионов Mg²⁺. А кроме того, метод колоний РНК перспективен для диагностики многих болезней...

На Западе чаще изучают эволюцию РНК в жидкости. С одной стороны в реактор втекает «пищевая» смесь, с другой — выходит отработанная жидкость с молекулами РНК. Конечно, «пища» для этой РНК-овой преджизни очень особая: её важный компонент — белки РНК-синтетазы. Зато в таких условиях можно по-настоящему изучать закономерности отбора и изменчивости на уровне автокаталитических реакций.

_{Пример эволюции трёх культур РНК в направлении повышения эффективности использования изменённого (по сравнению с предшествовавшими условиями культивирования) реагента. Красная и синяя линии описывают популяции РНК, которые имели заранее накопленный резерв изменчивости вследствие мутаций при самокопировании. Чёрная линия соответствует популяции из идентичных молекул.}

Рибозимы, которые синтезируют любые РНК в любых условиях, ещё не известны, но те, что синтезируют некоторые последовательности в определённых условиях, уже найдены (кроме прочего — в результате отбора). А ещё известны пары молекул РНК, каждая из которых способна собирать другую из её фрагментов. Знаете, прямо как далай-лама вместе с панчен-ламой: далай-лама ищет реинкарнацию панчен-ламы и воспитывает его в новой жизни; панчен-лама делает то же самое для далай-ламы...

Эти и многие другие результаты подтверждают концепцию «мира РНК» — этапа химической эволюции (или, если угодно, преджизни), основанного на самовоспроизведении РНК.

Реконструкция «мира РНК» ещё не закончена. Временами кто-то из исследователей абиогенеза сообщает о какой-нибудь существенной нестыковке. Раз за разом то, что казалось нестыковками, находит свое объяснение (как в примере с синтезом цитидина в прошлой колонке). Помогает ли в этой работе критика со стороны креационистов? Нет, конечно: те заняты своим. Вычисляют вероятность случайного спрыгивания атомов в живую клетку, трубят о ниспровержении научных представлений о возникновении жизни и рапортуют о неоспоримых доказательствах Божественного вмешательства.

Но всё-таки «мир РНК» очень непрост. Как он мог возникнуть? Как компоненты для синтеза РНК могли достичь нужной концентрации?

Одно из возможных решений этой проблемы — гипотеза «мира ПАУ», предшествовавшего «миру РНК». В этой гипотезе (и многих её возможных альтернативах) в качестве фактора, обеспечивающего концентрирование и закономерное размещение определённых веществ, рассматривается их связывание на упорядоченных поверхностях (как на кристаллических решетках минералов). Исследователи абиогенеза искали основу, которая собирала бы азотистые основания и размещала их на том расстоянии друг от друга, на каком они находятся в РНК и ДНК, — 0,34 нм. Нашли.

Помните миссию Deep Impact по бомбардировке кометы Темпеля 1 в 2006 году? В выбитом из кометы веществе зарегистрировали соединения, которых должно было быть много и на поверхности молодой Земли, — полиароматических углеводов, ПАУ. В воде ПАУ химически модифицируются и образуют стопки, способные связывать азотистые основания. Согласно этой гипотезе пре-РНК, синтезированные на стопках ПАУ, соединялись не сахарофосфатным остовом (как РНК), а полиформальдегидным. С изменением кислотности среды такие пре-РНК освобождались...

_{Стопки ПАУ связывают и ориентированно располагают азотистые основания, которые могут связываться в пре-РНК формальдегидными цепочками. Так возникал «мир РНК»?}

Исследование закономерностей происхождения жизни продолжается. Не слабеет и пропаганда, нацеленная на разрушение научно обоснованной картины мира. Что интереснее Вам, читатель: новооткрытые закономерности самоорганизации и эволюции или демагогия о бессилии науки и необходимости чудес?

К оглавлению