Загадки космоса. Планеты и экзопланеты

С одной стороны, нам нужны ферменты, чтобы создать ДНК, и РНК, а с другой – нам нужна ДНК, чтобы создать эти ферменты. Эту дилемму пытались решить множеством способов, но все попытки оказались безуспешными. Перелом наступил, когда в начале 1980-х годов Томас Чех и Сидней Альтман обнаружили, что РНК может также выступать в роли фермента (за это они получили Нобелевскую премию 1989 года). Эта двойственная функция РНК, участвовать в синтезе белков и действовать как фермент, позволила найти элегантное решение – создать концепцию РНК-мира.

Томас Чех

Впервые идею РНК-мира озвучил американский ученый Александр Рич в 1962 году¹²⁷. Он полагал, что в течение какого-то времени именно РНК была молекулой, переносящей генетическую информацию, то есть являлась основой жизни. Когда Рич высказал эту гипотезу, никаких доказательств у него и его коллег не было. Бурное развитие концепции РНК-мира началось лишь после публикации работ Чеха и Альтмана. Теперь от ученых, занимавшихся проблемой происхождения жизни, требовалось понимание того, как из «первичного бульона» создать молекулу РНК, которая будет производить ферменты для протекания химических реакций в протоклетке и в то же время выполнять функцию переносчика информационного кода. Макромолекула РНК, хоть и имеет достаточно сложную структуру, проще ДНК. Остальные сложности внутреннего устройства клетки предлагалось оставить естественному отбору.

Тем не менее не все ученые согласны с этой концепцией, поскольку она предполагает возникновение сложности и порядка, не предлагая правдоподобный и эффективный способ управлять энергией в системе¹²⁸. В общем, дискуссия на тему РНК-мира все еще далека от завершения¹²⁹.

Сидней Альтман

Помимо вопроса о первичности метаболизма или генетики, существует и еще ряд подобных фундаментальных вопросов. Например, была ли первая жизнь самоподдерживающейся системой или использовала для функционирования химически сложную среду (как предполагал Опарин)? Даже появление границы клетки, мембраны, до сих пор вызывает споры. Было ли это ранним или поздним явлением в процессе развития жизни?

Внутренняя среда клетки химически и физически отличается от внешней, а следовательно, клеточная мембрана принимает активное участие в регуляции потоков вещества и энергии. Это достаточно сложная структура, и трудно представить, как она могла эволюционировать в РНК-мире. С другой стороны, наличие мембран, ограничивающих распространение продуктов реакций, в которых участвуют катализаторы, – необходимое условие для разделения на свое и чужое, а значит, и возникновения естественного отбора¹³⁰. Некоторые ученые полагают, что первые мембраны представляли собой неорганические структуры. Например, в местах, где продукты вулканической деятельности просачиваются на дно океана, железосерные минералы образуют трубчатые структуры и пористые отложения. Такие пузырьки и трубочки в геотермальных источниках могли быть первыми мембранами для первых клеток¹³¹.

После своего возникновения жизнь сотни миллионов лет почти не давала о себе знать: ее влияние на геологические процессы на Земле было минимальным вплоть до следующего эона. 2,5 миллиарда лет назад начался протерозой – эон примитивной жизни, самый долгий эон в истории нашей планеты, продлившийся почти 2 миллиарда лет. В начале этого эона, примерно 2,3 миллиарда лет назад, океан, а потом и атмосфера стали интенсивно обогащаться кислородом, что привело к так называемой кислородной катастрофе¹³². Очень резко уровень кислорода в атмосфере вырос с 0 до почти 1 % от современного уровня. Причиной послужил фотосинтез: реакция, в ходе которой молекулы воды и углекислого газа, взаимодействуя с молекулой хлорофилла при участии фотонов света, преобразуются в глюкозу и молекулярный кислород. Считается, что аноксигенный фотосинтез (то есть тот, в результате которого не вырабатывается кислород) возник еще в архее. Появление молекулы хлорофилла сделало фотосинтез еще более эффективным, но в качестве побочного продукта реакции высвобождался кислород. Изменение атмосферы неминуемо сказалось на биоразнообразии: кислород – это смертельный яд даже для современных анаэробных организмов (для их жизнедеятельности им не требуется кислород), и он был им для древней бескислородной жизни. Возможно, в этот период произошло первое крупнейшее вымирание в истории нашей планеты. К сожалению, следы этой катастрофы до нас не дошли.

Гораздо более революционным событием и, пожалуй, самым радикальным эволюционным переходом со времен последнего общего предка стало появление эукариот. Эукариотические клетки принципиально отличаются от клеток бактерий и архей практически на всех уровнях организации. Во-первых, у бактерий нет ядра. Во-вторых, размер генома (то есть совокупности всех генов) у бактерий гораздо меньше, чем у эукариот (общее количество ДНК у эукариот в сотни тысяч раз больше, чем у бактерий[79]). К тому же ДНК эукариот устроено гораздо сложнее по сравнению с простыми, замкнутыми в кольца хромосомами бактерий.