ЧЯД. Глава 8. 1

              ЧАСТЬ III. О ЧЕМ НАМ РАССКАЗАЛ ЯЩИК?

                ГЛАВА 8. ПУБЛИКУЙ ИЛИ ПОГИБНЕШЬ.

                ЖУРНАЛ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ЭВОЛЮЦИИ

В главах с третьей по седьмую я показал, что никто не объяснил происхождение сложных биохимических систем, о которых я говорил. Однако в Соединенных Штатах есть десятки тысяч ученых, которые интересуются молекулярными основами жизни. Большинство из них тратят свое время на тяжелую работу по выделению белков, анализу структур и выяснению деталей того, как работают лилипутские вещи. Тем не менее, некоторые ученые интересуются эволюцией и опубликовали большое количество работ в профессиональной литературе. Если сложные биохимические системы не объяснены, то какой тип биохимических работ был опубликован под заголовком «эволюция»? В этой главе вы увидите, что было изучено, а что нет.

Когда была открыта молекулярная основа жизни, эволюционная мысль стала применяться к молекулам. По мере увеличения числа профессиональных исследовательских работ в этой области был создан специализированный журнал «Журнал молекулярной эволюции». Основанный в 1971 году, ЖМЭ занимается исключительно исследованиями, направленными на объяснение того, как возникла жизнь на молекулярном уровне. Им руководят видные деятели в этой области. Среди более чем пятидесяти человек, составляющих редакцию и совет, около десятка члены Национальной академии наук. Редактором является человек по имени Эмиль Цукеркандль (Emile Zuckerkandl), который (вместе с Лайнусом Полингом) первым предположил, что различия в аминокислотных последовательностях похожих белков разных видов могут быть использованы для определения времени, когда у вида в последний раз был общий предок.

Каждый ежемесячный выпуск ЖМЭ содержит около десяти научных статей по различным аспектам молекулярной эволюции. Десять статей в месяц означают около ста статей в год и около тысячи статей за десятилетие. Обзор тысячи статей в определенной области может дать вам довольно хорошее представление о том, какие проблемы были решены, какие проблемы решаются, а какие проблемы игнорируются. Взгляд на последнее десятилетие показывает, что статьи в ЖМЭ можно довольно легко разделить на три отдельные категории: химический синтез молекул, считающихся необходимыми для возникновения жизни, сравнение последовательностей ДНК или белков и абстрактные математические модели.

                В НАЧАЛЕ

Вопрос о происхождении жизни чрезвычайно важен и интересен. Биология в конечном итоге должна ответить на вопрос: даже если жизнь эволюционирует путем естественного отбора, воздействующего на изменчивость, как жизнь вообще появилась? Публикации, посвященные химическому синтезу молекул, считающихся необходимыми для возникновения жизни, составляют около 10 процентов всех статей в ЖMЭ.

История Стэнли Миллера – одна из самых известных во всей современной науке. Будучи молодым аспирантом после Второй мировой войны, работающим в лаборатории нобелевского лауреата Гарольда Юри в Чикагском университете, Миллер хотел определить, какие химические вещества могли присутствовать миллиарды лет назад на древней безжизненной Земле. Он знал, что водород является преобладающим элементом во Вселенной. Когда водород вступает в реакцию с углеродом, азотом и кислородом – обычными элементами на Земле, – он образует метан, аммиак и воду. Поэтому Миллер решил посмотреть, какие химические вещества могут быть произведены в смоделированной атмосфере, содержащей метан, аммиак, водяной пар и водород.

Метан, аммиак, водяной пар и водород обычно неактивны. Миллер знал, что для того, чтобы газы стали производить потенциально интересные химические вещества, ему придется закачать в систему немного энергии, чтобы все перемешать. Один из источников энергии, который был бы доступен на древней Земле – молния. Поэтому Миллер сконструировал в своей лаборатории аппарат, содержащий газы, которые, как он предполагал, присутствовали на ранней Земле, а также бассейн с водой и искровые электроды для имитации молнии.

Миллер кипятил воду и искрил смесь газов около недели. За это время на стенках колбы образовалась маслянистая, нерастворимая смола, а лужа с водой становилась все более и более красноватой по мере накопления в ней материала. В конце недели Миллер проанализировал смесь химических веществ, растворенных в воде, и увидел, что она содержит несколько видов аминокислот. Результат наэлектризовал мир. Поскольку аминокислоты являются строительными блоками белков, на первый взгляд казалось, что материалов для создания машин жизни будет в изобилии на ранней Земле. Взволнованным ученым не составило труда представить, что естественные процессы могут побудить аминокислоты объединиться в белки, что некоторые из белков будут катализировать важные химические реакции, что белки попадут в ловушку внутри небольших клеточных мембран, что нуклеиновые кислоты будут производиться аналогичным образом и что постепенно родится первая по-настоящему самовоспроизводящаяся клетка. Как и в случае с вымышленным «Франкенштейном» Мэри Шелли, казалось, что электричество, проходящее через неодушевленную материю, действительно может породить жизнь.

Другие экспериментаторы поспешили развить плодотворную работу Стэнли Миллера. В своем эксперименте он обнаружил несколько различных типов аминокислот, но живые организмы содержат двадцать различных видов. Другие исследователи варьировали условия эксперимента Миллера. Изменялась смесь газов в моделируемой атмосфере, менялся источник энергии с электрической искры на ультрафиолетовое излучение (для имитации солнечного света) или очень сильные импульсы давления (для имитации взрывов). Более сложные аналитические методы обнаружили химические вещества, которые присутствовали в очень малых количествах. Постоянные усилия ряда работников в конечном итоге окупились: почти все из двадцати встречающихся в природе типов аминокислот были обнаружены в экспериментах по происхождению жизни.

Сообщалось и о других успехах в первые годы исследований происхождения жизни. Возможно, наиболее заметные достижения были в лаборатории Хуана Оро. Там показали, что простой химический цианистый водород реагирует сам с собой, образуя ряд продуктов, включая аденин, который является компонентом одного из строительных блоков нуклеиновых кислот. Результат показал, что и молекулы ДНК и РНК могут быть мишенью для химических исследований происхождения жизни. С годами другие компоненты нуклеиновых кислот – другие «основания», а также сахар рибоза, входящий в состав РНК, – были получены в результате экспериментов по химическому моделированию.

В свете этих широко разрекламированных успехов можно простить стороннего наблюдателя за то, что он испытывает чувство шока, когда натыкается на пессимистические обзоры исследований по происхождению жизни в профессиональной литературе, например, на обзор Клауса Дозе (Klaus Dose), выдающегося исследователя в этой области. В своей оценке состояния проблемы Доза не стесняется в выражениях:

«Более 30 лет экспериментов по происхождению жизни в области химической и молекулярной эволюции привели скорее к лучшему пониманию масштабности проблемы происхождения жизни на Земле, чем к ее решению. В настоящее время все обсуждения основных теорий и экспериментов в этой области либо заканчиваются тупиком, либо признанием некомпетентности».

Что приводит профессионала в этой области к такому мрачному взгляду, особенно после прогресса в пьянящие дни после новаторского эксперимента Миллера? Оказывается, что успехи, хотя и реальные, скрывают множество проблем, которые можно оценить, только когда вы выходите за рамки простого химического производства некоторых голых компонентов жизни. Давайте рассмотрим некоторые из этих проблем.

Создать молекулы жизни с помощью химических процессов вне клетки на самом деле довольно просто. Любой компетентный химик может купить некоторые химикаты у компании-поставщика, взвесить их в правильной пропорции, растворить в соответствующем растворителе, нагреть в колбе в течение заранее определенного времени и очистить желаемый химический продукт от нежелательных химических веществ, образующихся в результате побочных реакций. Можно не только получить аминокислоты и нуклеотиды – строительные блоки, но и опираясь на них произвести сами здания: белки и нуклеиновые кислоты. И на самом деле, процесс этот уже автоматизирован, и машины, в которых смешиваются и реагируют химические вещества с образованием белков и нуклеиновых кислот, продаются рядом коммерческих фирм. Любой студент может прочитать инструкцию и создать длинный кусок ДНК – например, ген, кодирующий известный белок, – за день или два.

Большинство читателей быстро увидят проблему. Четыре миллиарда лет назад не было химиков. Не было ни химических складов, ни дистилляционных колб, ни многих других устройств, которые современный химик ежедневно использует в своей лаборатории и которые необходимы для получения хороших результатов. Убедительный сценарий происхождения жизни требует, чтобы разумное направление химических реакций было сведено к минимуму, насколько это возможно. Тем не менее, участие некоторого интеллекта неизбежно. Разумные предположения о том, какие вещества были доступны на ранней Земле – такие, как сделал Стэнли Миллер, – являются необходимой отправной точкой. Хитрость для исследователя заключается в том, чтобы выбрать вероятную отправную точку, а затем держать руки подальше.

В качестве аналогии предположим, что известный шеф-повар сказал, что случайные естественные процессы могут произвести шоколадный торт. В  попытках доказать это ему не позавидуешь.  Он возьмет целые растения, включая пшеницу, какао и сахарный тростник, и поместит их рядом с горячим источником в надежде, что нагретая вода извлечет нужные материалы и приготовит их. Но мы бы немного насторожились, если бы шеф-повар купил в магазине рафинированную муку, какао и сахар, сказав, что у него нет времени ждать, пока горячая вода извлечет компоненты из растений. Мы бы покачали головами, если бы он затем перенес свой эксперимент с горячего источника на электрическую печь, чтобы «ускорить процесс». И мы бы ушли, если бы он тщательно отмерил количество компонентов, смешал их в миске, положил на сковороду и запек в духовке. Результаты не имели бы ничего общего с его первоначальной идеей о том, что естественные процессы могут производить торт.

Эксперимент, о котором Стэнли Миллер сообщил в 1952 году, ошеломил мир. Однако, как с готовностью объяснил Миллер, этот эксперимент был не первым подобным экспериментом, который он пытался провести. Ранее он настроил свой аппарат несколько иным образом и обнаружил, что образовалось немного масла, но не аминокислоты. Поскольку он считал, что аминокислоты будут самыми интересными химическими веществами, которые можно найти, он покачал аппаратом в надежде получить их. Конечно, если бы условия на древней Земле действительно напоминали неудачные попытки Миллера, то в действительности никаких аминокислот создано не было.

Более того, соединение многих аминокислот вместе для образования белка с полезной биологической активностью является гораздо более сложной химической проблемой, чем изначальное образование аминокислот. Основная проблема в объединении аминокислот заключается в том, что с химической точки зрения это подразумевает удаление молекулы воды из каждой присоединенной к растущей белковой цепи аминокислоты. Наоборот, присутствие воды сильно препятствует образованию белков. Поскольку воды на Земле так много, а аминокислоты легко растворяются в воде, исследователи происхождения жизни были вынуждены предложить необычные сценарии, чтобы обойти эту проблему. Например, ученый по имени Сидни Фокс (Sidney Fox) предположил, что, возможно, некоторые аминокислоты были выброшены из первичного океана на очень горячую поверхность, такую как край действующего вулкана. Там они нагревались выше точки кипения воды. Когда вода исчезала, аминокислоты могли соединиться вместе. К сожалению, другие исследователи ранее показали, что нагревание сухих аминокислот дает вонючую темно-коричневую смолу, но не дает белка. Фокс, однако, продемонстрировал, что если добавить сверхбольшую порцию одной из трех различных аминокислот к смеси очищенных аминокислот и нагреть в лабораторной печи, то аминокислоты действительно соединяются. Но даже в этом случает белок не образуется. Структура, которую они образуют, химически отличается. Поэтому Фокс и его коллеги назвали эту структуру «протеиноидом», а затем показали, что протеиноиды обладают некоторыми интересными свойствами, в том числе небольшими каталитическими способностями, напоминая настоящие белки.

Научное сообщество глубоко скептически относится к этим экспериментам. Как и в случае с нашим воображаемым пекарем, над протеиноидами витает тяжелый запах участия исследователя. Особые обстоятельства, необходимые для их создания – жаркие, сухие условия (предположительно представляющие редкие места, такие как края вулканов) с точным количеством уже очищенных аминокислот, взвешенных заранее, – бросают мрачные тени на актуальность экспериментов. Хуже того, поскольку протеиноиды на самом деле не являются белками, остается значительная проблема производства подлинных белков. В своей книге, посвященной трудностям теорий происхождения жизни, Роберт Шапиро (Robert Shapiro) отмечает, что работа над протеиноидами привела к поразительному единодушию мнений:

«[Теория протеиноидов] привлекла множество яростных критиков, от химика Стэнли Миллера... до креациониста Дуэйна Гиша. Пожалуй, ни в одном другом вопросе теории происхождения жизни мы не могли бы найти такой гармонии между эволюционистами и креационистами, как в противодействии релевантности экспериментов Сидни Фокса».

Другие исследователи предложили некоторые другие способы, с помощью которых аминокислоты могли бы соединяться, образуя белки. Все они в большей или меньшей степени страдают от проблем, которые преследуют протеиноиды, и ни один из них не получил большой поддержки со стороны научного сообщества.


                МИР РНК

В 1980-х годах ученый по имени Томас Чех (Thomas Cech) показал, что некоторые РНК обладают скромными каталитическими способностями. Поскольку РНК, в отличие от белков, может действовать как матрица и, таким образом, потенциально может катализировать свою собственную репликацию, было высказано предположение, что именно РНК, а не белок, положила начало жизни на Земле. С тех пор, как была опубликована работа Чеха, энтузиасты визуализировали время, когда мир был пропитан РНК на пути к жизни. Эту модель окрестили «миром РНК». К сожалению, оптимизм, окружающий мир РНК, игнорирует известную химию. Во многих отношениях мода на мир РНК 1990-х годов напоминает феномен Стэнли Миллера в 1960-х годах: надежда, отважно сражающаяся с экспериментальными данными.

Представить реалистичный сценарий, в котором естественные процессы могли бы создать белки на пребиотической Земле – хотя это и чрезвычайно сложно – это прогулка в парке по сравнению с представлением образования нуклеиновых кислот, таких как РНК. Большая проблема заключается в том, что каждый нуклеотидный «строительный блок» сам построен из нескольких компонентов, а процессы, которые образуют эти компоненты, химически несовместимы. Хотя химик может легко создавать нуклеотиды в лаборатории, синтезируя компоненты по отдельности, очищая их, а затем рекомбинируя компоненты для реакции друг с другом, ненаправленные химические реакции в подавляющем большинстве случаев производят нежелательные продукты и бесформенную слизь на дне пробирки. Джеральд Джойс (Gerald Joyce) и Лесли Оргел (Leslie Orgel) – два ученых, которые долго и упорно работали над проблемой происхождения жизни, – называют РНК «кошмаром химика-пребиотика». Они предельно откровенны:

«Ученые, интересующиеся происхождением жизни, похоже, четко делятся на два класса. Первые, обычно, но не всегда, молекулярные биологи, считают, что РНК должна была быть первой реплицирующейся молекулой, и что химики преувеличивают трудности синтеза нуклеотидов. Вторая группа ученых настроена гораздо более пессимистично. Они считают, что появление de novo олигонуклеотидов на примитивной Земле было бы почти чудом. (Авторы придерживаются этой последней точки зрения). Время покажет, кто из них прав».

Однако, даже если произойдет совпадение подобное чуду, и РНК будет произведена, Джойс и Оргел не видят впереди ничего, кроме препятствий. В статье под названием «Очередной парадокс курицы и яйца» они пишут следующее:

«Эта дискуссия ... в каком-то смысле сосредоточилась на соломенном чучеле: мифе о самовоспроизводящейся молекуле РНК, возникшей de novo из супа случайных полинуклеотидов. Такое представление не только нереалистично в свете нашего нынешнего понимания химии пребиотиков, но и должно подорвать доверие оптимистов к каталитическому потенциалу РНК... Без эволюции кажется маловероятным, что мог бы возникнуть самовоспроизводящийся рибозим*, но без какой-либо формы самовоспроизводства нет способа провести эволюционный поиск первого, примитивного самовоспроизводящегося рибозима».

Другими словами, чуда, которое произвело химически неповрежденную РНК, было бы недостаточно. Поскольку подавляющее большинство РНК не обладают полезными каталитическими свойствами, потребовалось бы второе чудесное совпадение, чтобы получить именно нужную химически неповрежденную РНК.

Химия происхождения жизни сильно страдает от проблемы убийства на дорогах, обсуждавшейся в предыдущей главе. Точно так же, как нет абсолютного барьера для сурка, пересекающего тысячеполосное шоссе в час пик, так же нет абсолютного барьера для производства белков, нуклеиновых кислот или любых других биохимических веществ с помощью воображаемых, естественных химических процессов. Однако бойня на шоссе невыносима. Решение некоторых химиков-пребиотиков простое. Они выпускают тысячу сурков на обочине дороги и замечают, что один из них успевает пересечь первую полосу. Затем они сажают тысячу свежих сурков в вертолет, доставляют их в начало второй полосы и выпускают на шоссе. Когда один из них выживает при переходе со второй полосы на третью, они вертолетом переправляют еще тысячу на край третьей полосы. Сторонники мира РНК, которые начинают свои эксперименты с длинной, очищенной, синтезированной исследователями РНК, выгоняют сурков на 700-ю дорожку и наблюдают, как один из них пересекает 701-ю дорожку. Это отважные усилия, но если они когда-нибудь достигнут другой стороны, победа будет весьма ничтожной.

Ученые, работающие над происхождением жизни, заслуживают большой похвалы. Они подошли к решению проблемы с помощью эксперимента и расчета, как и положено науке. И хотя эксперименты оказались не такими, как многие надеялись, благодаря их усилиям мы теперь имеем ясное представление об ошеломляющих трудностях, с которыми может столкнуться происхождение жизни в результате естественных химических процессов.

В частном порядке многие ученые признают, что у науки нет объяснения зарождению жизни. С другой стороны, многие ученые считают, что, учитывая происхождение жизни, ее последующую эволюцию легко представить, несмотря на основные трудности, описанные в этой книге. Причина этого странного обстоятельства заключается в том, что в то время, как химики пытаются проверить сценарии происхождения жизни экспериментально или расчетно, эволюционные биологи даже не пытаются что-то проверять. В результате эволюционная биология застряла в том же самом состоянии ума, которое доминировало в исследованиях происхождения жизни в начале 50-х годов, до того, как было проведено большинство экспериментов. Биохимия, по сути, открыла молекулярный мир, который упорно сопротивляется объяснению той же теорией, которая так долго применялась на уровне всего организма. Ни одна из отправных точек Дарвина – происхождение жизни и происхождение зрения – так и не была объяснена его теорией. Дарвин никогда не представлял себе, насколько глубокая сложность существует даже на самых базовых уровнях жизни.

На протяжении многих лет Journal of Molecular Evolution публиковал исследования о происхождении жизни, касающиеся многих вопросов, таких как: могут ли быть получены и другие аминокислоты, не обнаруженные Миллером? Что, если бы в древней атмосфере преобладал углекислый газ вместо метана? Могли ли нуклеотиды, отличные от современных, начать жизнь? Такие вопросы рассматривались в журнале в статьях с такими названиями, как «Пребиотический синтез в атмосферах, содержащих CH4, CO и C02», «Радиолиз водных растворов цианистого водорода (pH 6): соединения, представляющего интерес в исследованиях химической эволюции»,  «Альтернативные основания в мире РНК: пребиотический синтез уразола и его рибозидов» и «Циклизация аналогов нуклеотидов как препятствие для полимеризации». Это интересные вопросы для ученых, но они не дают ответа на вызов эволюции, брошенный свертыванием крови, клеточным транспортом или борьбой с болезнями.

*Рибозим (рибонуклеиновая кислота+энзим) – это молекула РНК, обладающая каталитическим действием. Рибозимы естественного происхождения катализируют расщепление самих себя или других молекул РНК. Присутствует, например, внутри рибосомы.

Иллюстрация: Стенли Миллер

Продолжение http://proza.ru/2024/08/28/1809