Умный и сознающий. 4 миллиарда лет эволюции мозга

Считается, что ДНК возникла в результате изменений РНК, возможно, под влиянием вируса, превратившего ген РНК в ген ДНК. Приемлемость этой теории подтвердили исследования, продемонстрировавшие переход генов между вирусами на основе РНК и вирусами на основе ДНК в кислой воде – среде, которая, как полагают, близка по составу к жидкости в первых океанах, где зародилась жизнь.

Согласно теории, сторонники которой считают первичным воспроизведение, самовоспроизводящиеся молекулы РНК и ДНК изначально плавали свободно, но позже превратились в изолированные виды. В результате этого шага у белковых продуктов РНК и ДНК появилось преимущество – теперь они могли содержаться только внутри вмещавших их структур и использоваться исключительно этими структурами.

Возможно, изначально переход к изолированности выполнялся небиологическим переходным организмом – протоклеткой, сформированной, вероятно, внутри пор камней (об этом я подробно расскажу ниже). Но протоклетка в поре камня, даже содержащая ДНК, не смогла бы поддерживать сложную жизнь. Эволюция настоящих клеток зависела от определенной формы компартментализации за пределами таких ограниченных мест. Решением проблемы в итоге стала липидная оболочка (мембрана), установившая границы между РНК, ДНК и производимыми ими белками. В мембранах эти организмы могли продолжать свое свободное плавание в океанах, самовоспроизводиться, в том числе в различных формах (то есть эволюционировать), и в конечном итоге дать начало всем когда-либо существовавшим организмам.

Согласно другой теории, воспроизведение на основе нуклеиновых кислот (РНК и (или) ДНК) возникло после появления у биологических организмов способности к метаболизму. Согласно теории Гюнтера Вехтершойзера, который считал метаболизм первичным, горячая вода с вулканов попала на богатые минералами камни, выступив в роли катализатора и запустив химические реакции, в результате которых простые углеродные соединения сплавились в более крупные. Хотя каталитических ферментов – белков – на тот момент еще не существовало, содержавшиеся в камнях минералы могли играть роль добиологических катализаторов химических реакций. Согласно этой теории, посредством серии таких добиологических реакций произошло восстановление исходного соединения, и круг замкнулся. В результате этого процесса могли образоваться сложные биологические молекулы (белки, нуклеотиды, жиры и углеводы), которые и сформировали основу для простых протоклеток, способных образовывать энергию и воспроизводиться.

Идею Вехтершойзера критиковали на том основании, что температура теплых вулканических потоков, о которых речь шла выше, была слишком высокой и жизнь в них не могла просуществовать дольше нескольких секунд. Другой вариант теории, ставящей метаболизм на первое место, предложили Майк Рассел и Билл Мартин, а развил Ник Лейн. Она получила название «теория щелочного гидротермального выхода» и решала проблему своей предшественницы (рисунок 12.3)[21].

Рисунок 12.3. Теория происхождения жизни в результате щелочного гидротермального выхода

Эта удивительная, но сложная идея объясняется кратко и упрощенно означает следующее: отправная точка – это общепринятое предположение, согласно которому из-за избытка положительно заряженных химических веществ вода первых океанов была холодной и кислой (с низким уровнем pH). Через трещины в ложе океана холодная кислая вода просочилась к мантии Земли, где нагрелась, и поднялась обратно в океан через минерализованные выходы из карбоната и пирита. Проходя через эти выходы, нагретая жидкость стала щелочной, в результате чего вырос уровень pH и, следовательно, появился отрицательный заряд. Подобным образом карбонатное соединение «Алка-Зельтцера» повышает pH и гасит изжогу, которую вызывает кислый желудочный сок. Эта щелочная жидкость задерживалась в порах выходов; от положительно заряженной океанской воды ее отделяла пена, состоявшая из сульфида железа.

Для того чтобы сформировать протоклетки, нужно было всего несколько элементов. Водород (Н) вступал в добиологические химические реакции с диоксидом углерода (CO₂), в результате чего появлялись простые углеродные молекулы – такие, как формальдегид (CH₂O) или ацетат (CH₃O₂). Однако в такие реакции водород вступает только в присутствии какого-нибудь катализатора, и хотя белковых каталитических ферментов тогда еще не было, существовали другие соединения. В частности, отличным добиологическим катализатором является сульфид железа, ставший основой предполагаемого пенного барьера протоклеток. Он и сейчас используется в метаболизме клеток. Значит, метаболические циклы находящихся в порах протоклеток, о которых говорил Вехтершойзер, могли хранить энергию, необходимую для создания сложных биологических соединений, включая белки, жиры и реплицирующие нуклеотиды. Когда протоклетка наконец обзавелась липидной мембраной, она смогла покинуть поры, начать вести метаболически самодостаточную жизнь в океане и воспроизводиться.