Генетика на завтрак (Научные лайфхаки для повседневной жизни)

Сильная астероидная бомбежка на ранних этапах истории Земли могла стать тем самым толчком, послужившим причиной возникновения жизни. В результате на Земле оказалось не только множество будущих составляющих клетки, на нашу планету также было принесено огромное количество воды. Однако зарождению жизни может способствовать не только содержимое метеорита, но и мощный удар. В 2015 году ученые создали метеорит [7]. Это была замороженная мешанина из воды, аминокислот и силикатов, которые охлаждали до -196 °C. Чтобы смоделировать удар, космический снежный шар бомбардировали снарядами. В результате воздействия отдельные аминокислоты объединились, образуя короткие цепи, как это происходит и в клетках для формирования белков. Таким образом, сама сила удара может способствовать образованию сложных органических молекул, без которых не было бы никакой биологии. Чего не хватало первичному бульону для жизни, так это обособления от внешнего мира. Внешняя мембрана, подобная мембранам современных клеток, возникает спонтанно, когда амфифильные молекулы попадают в воду.
Метеориты, проносящиеся сквозь древние пылевые облака во время формирования Солнечной системы, могли собирать органические вещества.
Несмотря на свое название, амфифилия не имеет никакого отношения к лягушкам. Это слово описывает вещества, вступающие в сильное взаимодействие с водой, а также имеющие жирорастворимую часть. К ним относятся, например, фосфолипиды, из которых состоят мембраны клеток вашего организма. В метеорите Мерчисона были также выделены амфифильные молекулы, которые при контакте с водой продемонстрировали способность к спонтанному образованию мембраноподобных структур.
Таким образом, все компоненты, необходимые для возникновения жизни, имелись в наличии. Но разве тайна нашего происхождения была решена? Вероятно, на вашей кухне имеются все ингредиенты, необходимые для приготовления вкусного мраморного кекса, но заметьте, насколько непредсказуемо возникновение из них шедевра пекарского искусства. Вы будете разочарованы, поскольку мраморный кекс — это изысканный продукт. Тем не менее однажды может случиться так, что молочный пакет опрокинется в коробку с мукой и образует то, что может сойти за примитивного предшественника пирога. Живые существа, знакомые вам сегодня, — это продукт длительного развития, на которое ушли миллиарды лет. Случайные генетические мутации в сочетании с беспощадной борьбой за выживание, которая позволяет размножаться только лучшим представителям, являют собой безостановочный процесс оптимизации. В результате по прошествии чрезвычайно продолжительного периода времени из примитивной группки молекул может развиться что-то настолько же сложное, как кровожадная собака моих тетушек.
Эволюция не состоялась бы, если бы первая форма жизни не могла размножаться.
Чтобы эволюция смогла состояться, первая форма жизни должна обладать решающей способностью: она должна уметь размножаться.
Для современных клеток размножение — довольно трудоемкий процесс. Генетическую информацию современных клеток можно записать при помощи всего лишь четырех букв: А, Т, G, С. Так себе словарный запас, рядом с ним Ходор из сериала «Игра престолов» — просто самый настоящий поэт. Поразительно, но четырех букв вполне достаточно, чтобы закодировать всего человека. С другой стороны, компьютеру хватает всего двух символов, 0 и 1, чтобы проигрывать видео про котиков в режиме Full HD. В человеческой клетке имеется около трех миллиардов этих букв. Чтобы генетическая информация не лежала без дела, необходимо создать копии сегментов ДНК, так называемых генов. Эти копии называются РНК, в дальнейшем они переписываются в белки, которые затем берут на себя выполнение различных задач в клетке.
Стандартная генетическая схема выглядит так: ДНК (генетическая информация) — РНК (копия) — белок.
РНК — первая всегда
На первый взгляд может показаться, что РНК всего лишь играет роль посредника. Подобно почтальону, она переносит копии отдельных генов из клеточного ядра, чтобы из них могли образовываться белки. Это звучит довольно скромно, но те, кто любит смотреть любовные драмы, знают, что почтальоны часто бывают самыми настоящими пройдохами. Кроме того, РНК проказничает гораздо больше, чем первоначально полагали. Например, она сама может служить генетической информацией. Это мы знаем благодаря определенным вирусам, которые прописали свой генетический материал не в ДНК, а в РНК. К ним относятся риновирусы, которые регулярно проверяют, в порядке ли наши железы слизистой оболочки носа, награждая нас жутким насморком.
В человеческих клетках РНК также выполняет самые разнообразные функции. Она не только передает информацию о генах, но и самолично перезаписывает их в белки. Рибосомы, компоненты клетки, составляющие белки, в свою очередь, состоят из РНК. Самый настоящий мастер на все руки, Макгайвер среди макромолекул.
Принято считать, что первая форма жизни состояла всего лишь из мембраны, в которой содержалась последовательность РНК. Эта РНК была в состоянии копировать сама себя.
Первобытное поведение, которое можно наблюдать и по сей день, когда деятели науки, напившись на рождественской вечеринке, садятся голым задом на копировальный аппарат. Но в состоянии ли РНК делать что-то подобное в одиночку?
В 2009 году американскому биохимику Джералду Фрэнсису Джойсу удалось создать две цепи РНК, которые взаимно воспроизводили друг друга [2]. Для этого им были не нужны ни белки, ни другие составляющие нынешних клеток, а только первичный бульон из компонентов РНК. При этом буквенная последовательность обеих РНК не задавалась исследователями, а возникала из эволюционного эксперимента, при котором несколько РНК конкурировали друг с другом в борьбе за выживание, в результате чего последовательность букв РНК менялась в ходе эксперимента. Если вы пройдете достаточно далеко вдоль цепи отцов, то, вероятно, столкнетесь с подобными РНК, которые скажут вам, что прежде, когда еще можно было размножать себя самостоятельно, было лучше.
Считается, что первой формой жизни является мембрана с последовательностью РНК внутри, способной копировать себя.
Итак, на молодой Земле было почти все необходимое. Были белки и строительные блоки клеточных мембран. В условиях первичного бульона РНК также могла создаваться из простых молекул. Следует ожидать, что при спонтанном формировании мембран в них иногда оказывались включения РНК. То, что таким образом возникает примитивная, саморазмножающаяся клетка, звучит довольно неправдоподобно. Если это все так, то следует помнить, что для создания такой клетки на невообразимо огромной поверхности в распоряжении у Земли было невообразимо долгое время. В этом контексте крайне вероятным становится то, что где-то однажды может произойти что-то крайне маловероятное. В конце концов, ежедневно десятки людей оказываются пораженными ударом молнии, а где-то прямо сейчас слепой цыпленок подавился зернышком.
РНК не очень стабильна и имеет тенденцию менять свою буквенную последовательность. Поэтому клетки, чья генетическая информация состоит из РНК, очень быстро стали бы очень разными. Если последовательность букв изменяется таким образом, что положительно влияет на размножение, то эти клетки будут преобладать над другими. Именно с этого наконец началась эволюция, и вот тут стало можно впервые заговорить о биологии.
Со временем, когда клетки стали более сложными, задача долгосрочного хранения информации была передана от РНК к ДНК. Хотя обе молекулы химически практически идентичны, ДНК гораздо более стабильна и поэтому лучше подходит для такой работы. Белки были созданы для того, чтобы взять на себя выполнение сложных задач, с которыми не в состоянии справиться РНК. Некоторые клетки вбирали другие клетки. Это привело к появлению внутренних секций, которые могли взять на себя выполнение различных задач, как, например, клеточное ядро, которое заботится о ДНК, или митохондрии, которые отвечают за производство энергии.