Рассказ предка

После этого отступления к катализу и ферментам мы теперь переходим от обычного катализа к особым случаям автокатализа, некоторая версия которого, вероятно, играла ключевую роль в происхождении жизни. Вспомните наш гипотетический пример, где молекулы A и B соединяются, чтобы создать Z под влиянием фермента abzase. Что, если сам Z – свой собственный abzase? Я имею в виду, что, если молекула Z имеет как раз подходящую форму и химические свойства, чтобы захватить один компонент A и один B, свести их вместе в правильной ориентации и соединить их, чтобы создать новый Z, точно такой же, как он сам? В нашем предыдущем примере мы могли сказать, что количество abzase в растворе будет влиять на количество произведенного Z. Но теперь если Z и abzase фактически – одна и та же молекула, мы нуждаемся только в одной единственной молекуле Z, чтобы начать цепную реакцию. Первый Z захватывает А и В и соединяет их, создавая больше Z. Затем эти новые Z захватывают больше А и В, образуя еще больше Z, и так далее. Это – автокатализ. При подходящих условиях популяция молекул Z будет расти по экспоненте – подобно взрыву. Такого рода вещи создают обнадеживающее впечатление как составляющие происхождения жизни.

Но это все гипотетически. Джулиус Ребек (Julius Rebek) и его коллеги из института Скриппса в Калифорнии сделали это реальностью. Они исследовали некоторые замечательные примеры автокатализа в реальной химии. В одном из их примеров Z был amino adenosine triacid ester (AATE), A был аминоаденозином, B был пентафторфенил эфиром, и реакция происходила не в воде, а в хлороформе. Само собой разумеется, ни эти специфические химические детали, ни длинные названия, конечно, помнить не обязательно. Важно то, что продукт химической реакции является своим собственным катализатором. Первая молекула AATE сформировалась с трудом, но, будучи однажды сформированной, немедленно запустила цепную реакцию, так как все больше синтезировалось самой AATE, служащей своим собственным катализатором. Словно этого было не достаточно, этот ряд блестящих экспериментов продолжал демонстрировать истинную наследственность в определенном здесь смысле. Ребек и его команда создали систему, в которой существовал больше чем один вариант автокатализируемого вещества. Каждый вариант катализировал свой синтез, используя свой предпочитаемый тип одного из компонентов. Это повысило перспективы истинной конкуренции в популяции образований, демонстрируя настоящую наследственность и поучительную начальную форму дарвиновского отбора.

Химия Ребека очень искусственна. Однако его сообщения красиво иллюстрируют принцип автокатализа, согласно которому продукт химической реакции служит своим собственным катализатором. Это – что-то вроде автокатализа, который необходим для происхождения жизни. Могла ли РНК, или нечто похожее на РНК, в условиях ранней Земли автокатализировать свой собственный синиез в стиле Ребека, и в воде, а не в хлороформе?

Проблема очень сложная, как объяснил немецкий Нобелевский лауреат в области химии Манфред Эйген (Manfred Eigen). Он указал, что любой процесс саморепликации подвергается вырождению в результате копирования ошибок – мутаций. Вообразите популяцию реплицирующихся образований, у которых есть высокая вероятность ошибки в каждом случае копирования. Если закодированное сообщение должно противостоять разрушительному действию мутации, то, по крайней мере, один член популяции в любом поколении должен быть идентичным своему родителю. Если, например, есть десять кодовых единиц («букв») в цепи РНК, средняя доля ошибок на одну букву должна быть меньше, чем одна десятая: мы можем тогда ожидать, что, по крайней мере, у некоторых членов следующего поколения будет полный комплект зачастую исправленных кодовых букв. Но если процент ошибок больше, произойдет неумолимое вырождение в течение поколений буквально из-за единственной мутации, независимо от того, насколько сильно давление отбора. Это называют катастрофой ошибок. Катастрофы ошибок в геномах составляют главную тему интересной книги Марка Ридли (Mark Ridley) «Демон Менделя», но нас в данный момент интересует катастрофа ошибок, которая непосредственно угрожала происхождению жизни.

Короткие цепочки РНК и даже ДНК могут спонтанно самореплицироваться без фермента. Но доля ошибок тогда намного выше, чем в присутствии фермента. И это означает, что прежде чем образовался бы ген достаточной длины, создающий белок для действующего фермента, растущий ген был бы разрушен мутацией. Это – заколдованный круг происхождения жизни. Ген, достаточно большой, чтобы описать фермент, был бы слишком большим, чтобы быть точно реплицированным без помощи фермента того типа, который он пытается описать. Таким образом, очевидно, система не может начать работать.