Ген. Очень личная история

Эксперимент Шостака наследовал работам Стэнли Миллера, химика-визионера[1060], который пытался приготовить «первичный бульон» из основных химических компонентов, предположительно существовавших в древней атмосфере. Работая в 1950-х в Чикагском университете, Миллер собрал систему из двух стеклянных колб, соединенных стеклянными трубками; в одну из колб он налил воду, а в отходящую от нее ко второй колбе трубку вакуумным насосом закачивал метан, аммиак и водород. Во вторую колбу, куда поступала газовая смесь с горячим водяным паром, Миллер внедрил электроды: электрические разряды должны были имитировать древние молнии. Затем он начал циклически нагревать и охлаждать колбу с водой, воспроизводя изменчивые условия древнего мира. В стеклянной установке теснились гром и молнии, рай и ад, газы и вода.

Прошло три недели, и ни один организм не выполз из установки Миллера. Но в колбе со смесью газов, теплого пара и электричества Миллер обнаружил следы аминокислот – строительных элементов белка – и небольшое количество простейших сахаров. В последующих вариациях эксперимента[1061] в колбу добавляли глину, базальт и вулканические породы, и в итоге ученым удалось получить зачатки липидов, жиров и даже строительных блоков РНК и ДНК.

Шостак верил, что гены появились в таком бульоне благодаря счастливой встрече двух маловероятных партнеров. Во-первых, липиды, созданные в бульоне, соединились друг с другом и образовали мицеллы – похожие на мыльные пузыри пустотелые сферы, окруженные мембраной, которая запирает жидкость внутри и имитирует оболочку клетки (некоторые жиры, смешанные в водном растворе, естественным образом склонны объединяться в такие пузырьки). В лабораторных экспериментах Шостак продемонстрировал, что подобные мицеллы[1062] могут вести себя как протоклетки: если добавлять в раствор все больше и больше липидов, то эти пустотелые «клетки» растут. Они увеличиваются, перемещаются и формируют тонкие выпячивания, похожие на волны клеточной мембраны. В конце концов они делятся, образуя две мицеллы из одной.

Во-вторых, одновременно с самосборкой мицелл, друг с другом объединялись нуклеотиды (А, Ц, Г, У или их химические предшественники), и так возникли цепочки РНК. Основная масса этих цепочек не обладала репродуктивной способностью: они не умели копировать себя. Но среди миллиардов нереплицирующихся РНК случайно возникла одна, та самая молекула, наделенная уникальной способностью создавать отражение себя – или, скорее, создавать свои копии по зеркальному отражению себя (сама химическая структура РНК и ДНК, напомню, предполагает производство зеркально подобных молекул). Эта молекула обладала невероятной способностью вытаскивать нуклеотиды из химической смеси и сшивать их друг с другом, формируя новую копию РНК. Это уже было самовоспроизводящееся вещество.

Следующим шагом был счастливый брак. Где-то на земле – Шостак считает, что это должно было случиться на краю пруда или болота – самокопирующаяся молекула РНК столкнулась с самоудваивающейся мицеллой. Это была, образно говоря, любовь с первого взгляда: две молекулы встретились, потеряли головы и вступили в длительную супружескую связь. Самокопирующаяся РНК поселилась в делящейся мицелле. Мицелла изолировала и защищала РНК, позволяя особым химическим реакциям протекать в своем надежном пузырьке. Молекула РНК, в свою очередь, начала кодировать информацию, дающую преимущества для умножения не только самой себя, но и целой РНК-мицеллярной единицы. Со временем информация, закодированная в РНК-мицеллярном комплексе, позволила производить больше таких же комплексов.

«Довольно просто представить[1063], как могли эволюционировать протоклетки на базе РНК, – писал Шостак. – Метаболизм, должно быть, складывался постепенно, по мере того, как <…> [протоклетки учились] синтезировать питательные вещества внутри себя из более простых и пребывающих в изобилии исходных материалов. А затем организмы смогли добавить в свою копилку химических трюков синтез белков». «Протогены» РНК, вероятно, научились заставлять аминокислоты собираться в цепочки и таким образом строить белки – универсальные и многообразные молекулярные машины, способные сильно повысить эффективность метаболизма, размножения и передачи информации.