Некоторые учёные считают, что первые формы жизни возникли из самокопирующихся молекул, способных мутировать и даже эволюционировать. Но этого могло быть недостаточно.

На Земле почти не осталось уголков, где жизнь не смогла бы закрепиться. Живые организмы влияют на облака, климат и даже горные породы. Однако вопрос о том, как жизнь впервые появилась на безжизненной планете около четырёх миллиардов лет назад, остаётся одной из величайших загадок науки. Многие исследователи считают, что самая фундаментальная способность жизни — самовоспроизведение, то есть способность надёжно хранить и копировать генетическую информацию. Если это так, то самым первым формам жизни, предположительно, требовались биомолекулы, подобные тем, которые современные организмы используют для хранения и копирования генетической информации.

Главную роль в этом процессе играет молекула ДНК: она кодирует структуру белковых молекул, обеспечивающих химические реакции в клетках. Чтобы преобразовать генетическую информацию ДНК в химическую структуру белков, клетки используют РНК. Проблема в том, что в современных клетках белки участвуют на каждом этапе этого процесса: они удваивают ДНК при делении клеток, транскрибируют ДНК в РНК и помогают использовать РНК для производства новых белков. Возникает проблема курицы и яйца: полезные белки не могут образовываться в клетках без ДНК, но для создания самой ДНК необходимы белки.

Открытие, связанное с РНК, сделанное в конце 1980-х годов, казалось, позволило выйти из этого тупика. Исследователи обнаружили, что некоторые молекулы РНК способны не только помогать преобразовывать генетическую информацию в белки, но и действовать как катализаторы, обеспечивающие протекание химических реакций. Их назвали рибозимами, по аналогии с белковыми катализаторами, известными как ферменты. Существование рибозимов позволяло предположить, что РНК способна одновременно хранить информацию о генетической последовательности и выступать в роли катализатора, выполняя таким образом функции как ДНК, так и белков. Это делает правдоподобным предположение, что на самых ранних этапах существования жизни сама жизнь или предшествовавшая ей сложная химия основывалась исключительно на РНК. Согласно этой концепции, — одним из главных сторонников которой стал физик, впоследствии занявшийся биологией, Уолтер Гилберт, — жизнь зародилась в мире РНК.

Представим, что где‑то на добиологической Земле появились отдельные молекулы нуклеотидов, которые начали самопроизвольно и случайным образом соединяться в цепочки. Однажды по счастливой случайности одна из этих цепочек приобрела подходящую последовательность, позволившую ей действовать как рибозим, способствующий образованию других молекул РНК. Такой добиологический рибозим мог даже стать автокатализатором, способным воспроизводить самого себя. В 1996 году эта теория получила дополнительное подтверждение, когда исследователи создали рибозим, который действительно мог соединять отдельные нуклеотиды, образуя РНК. Это открыло перспективу существования РНК, способной к самовоспроизведению.

Поскольку такое копирование было бы подвержено случайным воздействиям молекулярного мира, неизбежно возникали бы ошибки. Некоторые копии РНК имели бы последовательности, немного отличающиеся от родительских. С появлением таких мутаций становится возможной дарвиновская эволюция: естественный отбор благоприятствовал бы мутантным молекулам‑репликаторам, способным быстрее создавать свои копии.

Сами по себе эти примитивные эволюционирующие молекулярные системы ещё не были бы «живыми». Однако нетрудно представить, как некоторые молекулы РНК могли эволюционировать в формы, катализирующие метаболические процессы или создающие другие сложные биомолекулы. Отсюда уже просматривается путь к первым по‑настоящему живым протоклеткам.

Концепция, получившая название «мир РНК», теоретически выглядит убедительно. Но у этой гипотезы есть проблемы. В 2019 году биолог Джеральд Джойс из Института Солка и его коллеги исследовали метод создания новых рибозимов в лаборатории. Сначала они создали синтетические рибозимы, способные производить другие молекулы РНК. Затем исследователи немного изменяли последовательности рибозимов, позволяя им искусственно эволюционировать. Хотя в конце концов им удалось обнаружить рибозим, способный синтезировать ту самую РНК, из которой он «эволюционировал», Джойс и его коллеги выяснили, что мутации, вносимые на каждом этапе эволюции, обычно уничтожали каталитическую активность. В каждом последующем поколении лишь очень немногие мутанты сохраняли способность вообще создавать другие молекулы РНК. В целом эксперименты показывают, что поддерживать устойчивую эволюцию самовоспроизводящихся РНК, по‑видимому, непросто.

Кроме того, все рибозимы Джойса были большими и состояли примерно из нескольких сотен связанных нуклеотидов. Однако в современных экспериментах удалось добиться самопроизвольной сборки лишь относительно небольших молекул РНК длиной около 10–15 нуклеотидов. Между случайным образованием маленьких фрагментарных РНК и миром РНК, в котором способны формироваться большие молекулы, не говоря уже об их самовоспроизведении и эволюции, лежит огромная пропасть. Вероятность того, что подобные функциональные молекулы случайным образом соберутся, а затем смогут поддерживать своё существование в каком‑нибудь первичном водоёме, кажется ничтожно малой.

Однако у убеждённых сторонников гипотезы мира РНК всё же есть основания сохранять надежду. Недавняя работа биолога Филиппа Холлигера из Лаборатории молекулярной биологии Совета медицинских исследований Великобритании и его коллег показала, что самовоспроизводящиеся РНК необязательно должны быть такими же большими, как рибозимы Джойса. В собственных экспериментах по искусственной эволюции РНК команда Холлигера искала каталитическую активность у небольших молекул РНК длиной от 20 до 40 нуклеотидов, допуская небольшие изменения длины в каждом цикле мутаций. Исследователи обнаружили молекулу из 45 нуклеотидов, которую назвали QT45 (quite tiny, то есть «совсем крошечная»). Она могла захватывать другую цепочку РНК и копировать её. «В принципе, она способна копировать любую последовательность», — сказал Холлигер. А самопроизвольное появление молекулы из 45 нуклеотидов, добавил он, «не кажется чем‑то невероятным». Более того, по словам исследователей, каталитическая активность может сохраняться, даже если разделить QT45 на два фрагмента, поскольку её части должны оставаться способными выполнять свои функции.

Исследователи также обнаружили ещё две молекулы РНК сопоставимого размера с аналогичной активностью в исходной смеси, содержавшей около 10 триллионов различных молекул. Учитывая, что это количество составляет лишь одну стомиллиардную часть всех возможных последовательностей РНК такой длины, результат на самом деле весьма неплохой, сказал Холлигер. Это позволяет предположить, что способность к самокопированию у небольших молекул РНК может встречаться достаточно часто, чтобы такие молекулы сравнительно легко возникали среди случайных последовательностей РНК в каком‑нибудь первичном бульоне.

Однако слово «могли» здесь несёт на себе огромную смысловую нагрузку. Неизвестно, существовали ли на ранней Земле подходящие условия для мира РНК, будь то определённое место или определённый период времени. Холлигер и его коллеги показали, что циклы репликации РНК, приводящие к экспоненциальному росту их количества, могут запускаться периодическими изменениями кислотности в сочетании с циклами замерзания и оттаивания раствора. Такой сценарий вполне возможен в ледяных полярных областях молодой Земли. Но любая потенциальная среда обитания должна была сохранять благоприятные для жизни условия достаточно долго, чтобы искра жизни успела разгореться.

И, пожалуй, самое главное: неясно, можно ли вообще считать мир РНК по‑настоящему живым. Жизнь не сводится к самовоспроизводящимся носителям генетической информации. Для неё необходимы и другие компоненты, в частности та или иная форма метаболизма, позволяющая получать энергию из окружающей среды и использовать её для создания полезных молекул. Как бы ни зародилась жизнь, вероятно, ей требовалось нечто большее, чем просто цепочка нуклеотидов.