Как любое здоровое поле исследований, теория эволюции Дарвина порождала споры и дорабатывалась на протяжении многих десятилетий. С какой скоростью развиваются биологические виды? Сильно ли меняется эта скорость со временем? Существуют ли длительные периоды стабильности, за которыми следуют короткие периоды более стремительных перемен? Или изменения всегда происходят постепенно? Как следует относиться к признакам, которые снижают, возможно, шансы организма на выживание, но повышают вероятность того, что ему удастся оставить потомство? Каков полный список механизмов, посредством которых гены могут изменяться от поколения к поколению? Как нам следует реагировать на пробелы в эволюционной летописи? Некоторые из этих вопросов породили горячие научные схватки, но — и в этом главное — ни один из них не бросил ни тени сомнения на саму теорию эволюции. Детали любой объяснительной схемы могут и должны быть — и будут — уточняться со временем, но основание дарвиновской теории прочно, как скала.
А это дает нам основание задаться вопросом: не может ли предложенная Дарвином схема работать и на более широкой арене, чем жизнь? В конце концов, главные составляющие — размножение, изменчивость и конкуренция — относятся не только к живым существам. Принтеры размножают печатные страницы. Оптические искажения порождают изменения в копиях. Беспроводной приемник принтера конкурирует за ограниченную пропускную способность канала связи. Но давайте представим себе контекст более близкий к жизни, чем офисные принтеры, но при этом совершенно неодушевленный: молекулы, которые обрели способность к репликации — самовоспроизведению. Самый очевидный пример такой молекулы — ДНК, так что будем иметь ее в виду. Но репликация ДНК — расщепление спиральной лестницы и последующая достройка каждой нити до полной молекулы с получением двух полноценных дочерних молекул ДНК — опирается на армию клеточных белков, то есть требует наличия уже действующих жизненных процессов.
Представьте лучше молекулу, которая обрела способность к самостоятельной репликации задолго до появления какой бы то ни было жизни. Нам нет нужды останавливаться на каком-то конкретном механизме репликации, но если вам удобнее представлять себе что-то определенное, то скажем, что молекулы этого типа, плавая в густом химическом бульоне, действуют как молекулярные магниты, с силой притягивая те самые компоненты, которые входят в их состав, и обеспечивая шаблон для сборки из них собственных двойников. Представьте также, что процесс репликации, как и все прочие процессы в реальном мире, несовершенен. По большей части синтезированная молекула идентична оригинальной, но иногда это не так. В результате на протяжении огромного множества молекулярных поколений мы выстраиваем экосистему, в которой обитает целый спектр молекул, представляющих собой вариации оригинала.
В любой среде количество ресурсов и сырья всегда ограничено. Так что чем дольше наша экосистема из молекул продолжает репликацию, тем больше в ней будет тех молекул, которые копируются наиболее эффективно и точно — быстро, дешево, но вовсе не бесконтрольно. Такие молекулы заслуживают звания самых приспособленных, и со временем именно они будут доминировать в нашей молекулярной популяции. Каждая следующая мутация, возникающая из-за несовершенного копирования, предлагает новые модификации молекулярной приспособленности. Таким образом, то, что всегда происходит в живой природе, бывает и в неживой: те модификации, которые повышают молекулярную приспособленность, берут верх над теми, которые этого не делают. Повышенная плодовитость более приспособленных молекул сдвигает демографические показатели в их же пользу.
Я описал здесь молекулярную версию эволюции — молекулярный дарвинизм. Он показывает, как группы беспорядочно сталкивающихся частиц, подчиняющихся исключительно законам физики, могут постепенно повышать свою способность к размножению — качество, которое мы обычно связываем с жизнью. В плане поисков истока жизни предполагается, что молекулярный дарвинизм, возможно, был существенным механизмом развития в эпоху, предшествующую появлению первого живого организма. Один из вариантов этого предположения, далеко не общепринятый, но имеющий все же немало последователей, ставит в центр происходящего особую молекулу, обладающую множеством талантов, — РНК.
На пути к истокам жизни
Еще в 1960-е гг. видные исследователи, в том числе Фрэнсис Крик, химик Лесли Орджел и биолог Карл Вёзе, привлекли внимание к близкой родственнице ДНК, называемой РНК (рибонуклеиновая кислота), которая около 4 млрд лет назад, возможно, дала начало фазе молекулярного дарвинизма, ставшего предтечей жизни.
РНК — необычайно разноплановая молекула, необходимый компонент всех живых систем. Ее можно представлять себе как более урезанную одинарную версию ДНК; это одиночная нить, вдоль которой закреплена цепочка оснований. РНК, помимо прочих клеточных ролей, является химическим посредником, который снимает отпечатки с отдельных небольших секций «расстегнутой» нити ДНК — примерно так же, как дантист делает слепок с ваших зубов, когда вы раскрываете рот, отделяя нижнюю челюсть от верхней, — и переносит эту информацию в другие части клетки, где она управляет синтезом конкретных белков. Как и ДНК, молекулы РНК становятся, таким образом, воплощением клеточной информации и являются, следовательно, частью «программного обеспечения» клетки. Но между РНК и ДНК есть существенная разница: если ДНК вполне устраивает в клетке роль этакого прорицателя, источника премудрости, управляющего активностью клетки, то РНК не боится замарать ручки грязной работой и готова заниматься непосредственно химическими процессами. В самом деле, рибосомы клетки — миниатюрные фабрики, в которых аминокислоты соединяются между собой, образуя белки, — в основе своей имеют определенную разновидность РНК (рибосомную РНК).
Таким образом, РНК является одновременно и частью «программного обеспечения», и исполнительным механизмом. Она может как направлять химические реакции, так и служить их катализатором. Среди этих реакций имеются и такие, что обеспечивают репликацию самой РНК. Если в молекулярном механизме, который делает копии ДНК, используется хитроумный набор химических винтиков и шестеренок, сама РНК может обеспечивать синтез пар оснований, необходимых для ее собственной репликации. Представьте, что это означает. Молекулы РНК, совмещающие в себе функции программы и исполнительного механизма, потенциально способны обойти парадокс курицы и яйца: как собрать молекулярный исполнительный механизм, не имея готовой молекулярной программы, то есть инструкции по сборке? Как синтезировать молекулярную программу, не имея готового молекулярного исполнительного механизма, то есть инфраструктуры, которая должна выполнять синтез?
РНК, воплощая в себе обе функции, представляет собой сплав курицы и яйца и поэтому способна положить начало эпохе молекулярного дарвинизма.
Так выглядит гипотеза РНК-мира. Речь в ней идет о том, что до появления жизни существовал мир, полный молекул РНК, которые средствами молекулярного дарвинизма эволюционировали на протяжении почти непредставимого числа поколений в химические структуры, составившие в конечном итоге первые клетки. О подробностях можно спорить, но ученые смогли в общих чертах представить себе, как могла выглядеть эта фаза молекулярной эволюции. В 1950-е гг. нобелевский лауреат Гарольд Юри и его аспирант Стэнли Миллер смешали газы (водород, аммиак, метан, водяной пар), составлявшие, по их мнению, атмосферу ранней Земли, пропустили через газовый коктейль электричество, чтобы имитировать удары молний, и сделали знаменитое заявление о том, что получившаяся в результате бурая слизь содержит аминокислоты — кирпичики, из которых строятся белки. Хотя дальнейшие исследования показали, что первоначальные газовые смеси, которые изучали Миллер и Юри, не отражали корректно химический состав ранней атмосферы Земли, в аналогичных экспериментах с другими газовыми смесями, которые его отражали (включая смесь, составленную Миллером и Юри для имитации токсичных выбросов действующих вулканов, которые, как ни странно, оставались неисследованными на протяжении более чем полстолетия33), аминокислоты были получены не менее успешно. Более того, аминокислоты с тех пор обнаружены даже в межзвездных облаках, кометах и метеоритах. Так что весьма вероятно, что химический бульон на юной Земле вполне способен был произвести самокопирующиеся РНК-молекулы с самыми разными наборами аминокислот.
