Шлагбаум на пути

"А и Б сидели на трубе. А упало, Б пропало, кто остался на трубе? А осталось на трубе И". Эта детская загадка процитирована... в журнале "Вопросы философии", в статье академика В. А. Энгельгардта, выдающегося советского биолога. Живое существо, скажем человека, можно оценить как сумму многочисленных А, Б, В - простых элементарных веществ. Его можно оценить как сумму веществ более высокого ранга - белков, нуклеиновых кислот и т. д. И каждая такая сумма, если отбросить все составляющие ее слагаемые, будет содержать некое "И", отсутствующее в исходном наборе. Все живое "копошится", причем со смыслом, с целью. А ведь весь этот многообразный, целесообразный мир родился из мертвого камня, тошнотворных газов первичной земной атмосферы, воды и сияния солнечных лучей. Как же это произошло?

И вот, соревнуясь друг с другом в простоте исходной химической утвари, в максимальном приближении к возможным на первичной Земле химическим и физическим условиям, биохимики получают одно сложное органическое вещество за другим. Углеводороды, жирные кислоты, порфирины - предшественники гемоглобина и хлорофилла, основания нуклеиновых кислот и наконец аминокислоты - практически все, даже самые сложные, вещества живого мира можно получить примитивными, "грубыми" способами. Например, пропуская электрические разряды или ультрафиолет через первичную атмосферу - смесь аммиака, метана и воды. Сейчас этот этап тотального синтеза веществ преджизни можно считать пройденным. Впереди самое трудное: белок, нуклеиновые кислоты, первое самовоспроизведение, размножение, первая матрица, строящая упорядоченные надмолекулы.

Ряды штурмующих загадку происхождения жизни разбились, как волны, о внезапно выросшее перед ними препятствие. Это препятствие - знаменитая "центральная догма молекулярной биологии", сформулированная выдающимися учеными - открывателями структуры ДНК и лауреатами Нобелевской премии Дж. Уотсоном и Ф. Криком:

ДНК -> РНК -> белок.

Иначе говоря, биосинтез возможен только в одном направлении. Сначала над каким-то участком гигантской молекулы ДНК собирается ее "отражение" - информационная РНК. Та из клеточного ядра, от ДНК, идет в рибосомы - клеточные фабрики белка, где двадцать (по числу аминокислот) транспортных РНК, этих грузчиков клетки, начинают подтаскивать к информационной РНК каждая свою аминокислоту, укладывают их на нее, как на конвейер, и с помощью ферментов (тоже белков!) "склеивают" строящуюся белковую молекулу.

Правило, установленное Уотсоном и Криком для живой клетки, некоторые ученые механически перенесли в прошлое, к моменту зарождения жизни. Так появилась проблема пра-ДНК. Миновав почему-то более простые и выполнимые стадии - РНК и белок, природа должна была случайно составить двойную спираль ДНК, невероятно сложную, до сих пор не поддающуюся синтезу. Пра-ДНК и должна, казалось бы, быть первым организмом на Земле.

Но гипотеза пра-ДНК вызывает массу новых вопросов, на которые трудно дать ответ. ДНК совершенно беспомощна без белков: она не может делиться и реплицироваться без особого белка-фермента. Значит, сначала строительство этого белка-фермента? Но это, по той же догме, невозможно без информационной и двадцати транспортных нуклеиновых кислот. А те в свою очередь требуют для своего биосинтеза новых ферментов-белков... Порочный круг разрастается. Получается, что первая ДНК должна быть уже очень сложной, включать в себя десятки кодовых распоряжений. Когда попробовали подсчитать вероятность возникновения такой ДНК, ахнули: 10~400! Времени существования Вселенной и всех ее атомов не хватало, чтобы осуществить такую вероятность - произвести случайно на свет одну-единственную молекулу ДНК. Значит, жизнь на Земле - это чудесная случайность или не менее чудесный чей-то разумный акт?

Это был тупик, и выход из него следовало искать в самом слабом месте - в догме. Природа не любит догм и не могла не предусмотреть исключения для волнующего момента возникновения жизни.

"Бомба в догму!" "Центральная догма молекулярной биологии под сомнением!" Подобные заголовки в 1970 году можно было увидеть в зарубежной печати. Вместо привычной формулы

ДНК -> РНК -> белок

появилась новая:

ДНК ⇔ РНК -> белок.

Советский биохимик член-корреспондент Академии наук Украины С. Гершензон и молодой американский вирусолог Г. Темин обнаружили: некоторые вирусы, заражая клетки животных, могут переносить информацию, закодированную в их молекулах РНК, на ДНК зараженных клеток. При этом они перестраивают наследственный аппарат клеток. Возникает опухоль. Невиданные горизонты открывались перед онкологией. Если раковая опухоль возникает именно так, то можно в принципе найти некий антифермент, вещество, блокирующее передачу информации от РНК к ДНК.

Для науки о происхождении жизни внезапный поворот стрелки от РНК к ДНК означает не меньшие потрясения и ожидания. Ведь вся она о том, как из простого получается более сложное. Некоторые виды РНК очень просты. Их синтез не требует такого чудовищно невозможного сцепления случайностей, как синтез ДНК. Весьма возможно, что РНК появилась раньше ДНК и отлично справлялась со своими обязанностями до определенного этапа развития.

Но... сказав "А", необходимо сказать и "Б". Если могла повернуть вспять одна из стрелок догмы Уотсона - Крика, не может ли то же самое сделать и другая? Короче говоря, не могла ли все же самовоспроизводящаяся жизнь возникнуть еще до нуклеиновых кислот, без ДНК и РНК, - на уровне белка? Так мы снова возвращаемся к "копошащемуся белку"...

Возможна ли белковая матрица?

Уже после того как было открыто свойство ДНК быть матрицей, шаблоном для синтеза самой себя, РНК, а через РНК белков, некоторые ученые продолжали задавать себе этот вопрос. Возник он и у авторов догмы - Ф. Крика и Дж. Уотсона.

Логика была простая: нуклеиновую кислоту можно уподобить форме, а белок - отливке. "Выступу" на нити нуклеиновой кислоты соответствует "паз" в белке, и наоборот^*. А что, ежели поменять их местами? Не может ли белок, хотя бы в исключительных случаях, стать формой, на которой будет "отлита" нуклеиновая кислота, которая в свою очередь вновь станет формой, уже законной, для бездны других молекул белка? Отличный выход из заколдованного круга!

^* (Не следует понимать слова "выступ" и "паз" буквально, механически. Взаимодействие белковых радикалов и нуклеиновых оснований идет на тонком химическом уровне.)

...Так делают фотографы, если утерян негатив ценного фотоотпечатка. Они переснимают отпечаток, получают репродукционный негатив, и, пожалуйста, можно изготовить хоть тысячу позитивов.

Да, такая идея возникла. Дж. Уотсон и Ф. Крик подробно эту идею рассматривают и... отвергают.

Основной довод: ДНК "избрана" природой на ее уникальную должность хранителя и носителя информации из-за высокой точности, которая обеспечивается ее "четырьмя кодонами", "четырьмя цветами наследственности". Белок в качестве матрицы давал бы слишком большую ошибку, пишет Дж. Уотсон. И поэтому: "Перенос информации идет только в одном направлении: белок никогда не может служить матрицей для синтеза РНК, а РНК - матрицей для синтеза ДНК".

Времена меняются. Открытия С. Гершензона и Г. Темина сокрушили вторую часть догмы - насчет РНК и ДНК.

Мы не знаем, чем объясняется непримиримость ученых. Сколько раз в истории науки рушились самые строгие запреты! Классики молекулярной биологии знают, разумеется, о последних событиях в своей науке. Знают - и стоят на своем.

Недавно в статье, вызывающе названной "Центральная догма молекулярной биологии", Ф. Крик лаконично признал, что в отдельных случаях переход РНК -* ДНК может "иметь место в очень специфических условиях", но тут же подтвердил основополагающее значение догмы, оставив ее в общем-то в силе. При этом он специально перечислил по-прежнему невозможные, с его точки зрения, переходы. Вот они:

белок -> ДНК

белок -> РНК

белок -> белок

ДНК -> белок (минуя РНК).

Смысл трех из этих четырех запретов: белок не может быть матрицей для синтеза чего бы то ни было. Основной аргумент тот же: малая точность предполагаемой белковой матрицы. Нельзя не согласиться: это делает ее непригодной на достаточно высокой ступени эволюции. Но вначале, у истоков жизни, слишком большая точность не только не нужна, она была бы просто помехой.

Чтобы вступил в действие первичный естественный отбор и выработал элементарно необходимые для жизни биополимеры, нужно было сырье для этого отбора, а значит, "разночтения" - мутации. Их нужно было намного больше, чем дает их нуклеиновый код. Нельзя поэтому не согласиться с выдающимся биохимиком Дж. Уолдом: сама "организация, упорядоченность, характерные для живых организмов, не были предрешены или приданы им заранее. Они возникли в результате случайных мутаций - процесс этот сродни редактированию. Таким образом, и мы с вами являемся результатом работы редактора, а не творца". Точность, о которой говорят классики, исходящие из современной картины жизни, появилась как преимущество каких-то видов жизни, дала им победу в первичной, почти чисто химической еще борьбе за существование. А это означает, что нуклеиновая кислота - основа современной жизни, возможно, включилась в уже начавшуюся эволюцию на ходу.