Машины создания

Кристаллы растут путём проб и удалением ошибок, путём варьирования и селекции. Никакие крошечные руки их не собирают. Кристалл может начинаться со случая молекул, собирающихся в группу: молекулы блуждают, сталкиваются, и собираются в группы случайным образом, но группа держится вместе лучше всего когда она упакована в правильную кристаллическую структуру. Далее в первоначальный маленький кристалл ударяются другие молекулы. Некоторые тыкаются в неправильные места или с неправильной ориентацией; они плохо прилипают и от колебаний вновь отваливаются. Другие по случаю попадают нужным образом; они лучше прилипают и часто остаются. Слой строится на слое, расширяя кристаллическую структуру. Хотя молекулы сталкиваются случайным образом, они не прилипают случайно. Порядок растёт из хаоса путём варьирования и селекции.

Эволюционирующие молекулы

В росте кристаллов, каждый слой образует шаблон для следующего. Однородные слои накапливаются и формируют твердый блок.

В клетках нити ДНК или РНК также могут служить в качестве шаблонов при помощи ферментов, которые действуют как молекулярные копировальные машины. Но элементы, из которых строятся нити нуклеиновых кислот, могут быть устроены во многих различных последовательностях, и нить шаблона может отделиться от копии. И нить, и её копия могут далее снова быть скопированы. Биохимик Сол Спиджельман использовал копировальные машины (белки из вируса) для экспериментов в испытательной пробирке. Говоря просто, безжизненная среда дуплицирует молекулы РНК.

Представьте себе нить РНК, плавающую в испытательной пробирке вместе с копировальными машинами и элементами РНК. Нить кувыркается и изгибается, пока она не наталкивается на копировальную машину в правильном положении, чтобы слипнуться. Элементы толкутся вокруг, пока один нужного вида не встретит копировальную машину в правильном положении, которая соответствует нити шаблона. Как только соответствующие элементы ухитряются попасть в нужное положение, машина захватывает их и привязывает их к растущей копии; хотя элементы сталкиваются случайным образом, машина связывает выборочно. В конце концов машина, шаблон и копия разъединяются.

В терминологии зоолога Ричарда Давкинса из Оксфорда, объекты, которые делают копии себя, называются репликаторами. В этой окружающей среде молекулы РНК подходят под определение: единственная молекула скоро превращается в две, потом четыре, восемь, шестнадцать, тридцать две, и так далее, умножаясь экспоненциально. Далее скорость репликации снижается: постоянный запас белковых машин может производить копии только с какой-то скоростьюРНК, независимо от того, сколько молекул шаблона соперничают друг с другом для их услуг. Ещё позже сырья для созданияРНК молекулы становится недостаточно, и репликация задерживается вплоть до остановки. Быстро растущее число молекул достигает предела росту и останавливает репродуцирование.

Копировальные машины, однако, часто копируют неправильно нить РНК, вставляя, удаляя, или неправильно сопоставив элемент нити. Получающаяся в результате нить с мутациями тогда отличается по последовательности элементов или длине. Такие изменения довольно случайны, и изменения накапливаются по мере того как скопированные с ошибкой молекулы снова копируются с ошибкой. По мере того как молекулы размножаются, они начинают отличаться от своих предшественников и друг от друга. Это может выглядеть как рецепт, приводящий к хаосу.

Биохимики нашли, что различающиеся молекулы РНК копируются с разными скоростями, в зависимости от их длин и структуры элементов. Потомки более быстрых репликаторов естественно становятся более распространёнными. Действительно, если один вид копируется только на 10 процентов быстрее чем его собратья, то после одной сотни поколений, каждый из более быстрого вида даст в 1000 раз большее число потомков. Малые различия в экспоненциальном росте накапливаются экспоненциально.

Когда в испытательной пробирке заканчиваются элементы, экспериментатор может взять пробу его РНК и "заразить" новую пробирку. Процесс начинается снова и молекулы, которые доминировали в первом раунде соревнования начинаются с некоторой форой. Появляются маленькие изменения, по прошествии времени вырастая в большие. Некоторые молекулы размножаются быстрее, и их вид доминирует в смеси. Когда ресурсы исчерпываются, экспериментатор может взять пробу РНК и начать снова (и снова, и снова), сохраняя условия стабильными.

Этот эксперимент показывает естественный процесс: независимо от того, с какой последовательности РНК начинает экспериментатор, кажущийся хаос случайных ошибок и копирование с систематическими ошибками выдвигает вперёд один вид молекул РНК (плюс-минус некоторые ошибки копирования). Его типичная версия имеет известную, четкую последовательность 220 элементов. Это – лучший РНК репликатор в этой среде, так что он перенаселяет другие и остаётся.