Зато вот бор не слишком устойчив. Еще в недрах звезд значительная его часть превращается в углерод (и гелий), так что во Вселенной он встречается на много порядков реже, чем углерод или кислород. Это, соответственно, снижает и шансы на возникновение «боровой» жизни. Кремния в космосе вполне достаточно, но против него выступает уже химия: в присутствии кислорода он образует нерастворимые, инертные и очень устойчивые силикаты. Они способны сложить кору нашей планеты, но вряд ли подходят для активной жизни. Их мог бы растворить фторводород, в котором силикаты демонстрируют возможности довольно сложной химии, но фтор встречается в десятки тысяч раз реже, чем кислород. Так что если делать серьезные ставки, можно уверенно сказать: жизнь – это углерод и вода. Но вот дальше начинаются проблемы.

Глава вторая, в которой мы встречаем первые трудности

И углерода, и воды на просторах Вселенной предостаточно. Вода встречается на далеких планетах и складывает огромные ледяные глыбы комет. Простейший углеводород – метан – входит в состав атмосфер наряду с углекислым газом, а также ключевыми источниками других важнейших для жизни элементов – сероводородом, фосфатами и аммиаком (азот). Еще в 1920-х Александр Опарин и Джон Холдейн развили представления о том, как «первичный бульон» на молодой Земле мог стать источником ключевых соединений жизни. Тридцатью годами позже Стенли Миллер воспроизвел предложенную ими концепцию в лаборатории, имитировав в колбе гипотетическую атмосферу молодой Земли (бескислородную, богатую аммиаком, метаном, углекислым газом и сероводородом) над теплым водным океаном, через пару электродов подавая внутрь разряды-молнии.

Через несколько суток в воде стали появляться простейшие сахара, органические кислоты, аминокислоты. Слегка меняя условия работы установки, последующие поколения экспериментаторов сумели получить и другие важные для жизни «строительные блоки» – например, добавление синильной кислоты (HCN), также широко распространенной в космосе, открывает путь к синтезу пуриновых оснований нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), аденину и гуанину. Это впечатляет, но этого мало. Начать хотя бы с того, что в таких химических реакциях образуется смесь оптических изомеров аминокислот и сахаров.

Эти соединения могут существовать в двух формах – одинаковых, как зеркальные отражения друг друга, как правая и левая рука. Химически они равноценны, и в опытах Миллера и его последователей, действительно, появляются примерно в равных количествах. В живых организмах на Земле это не так: белки у всех нас, от кишечной палочки до премьер-министра (за экзотическими исключениями некоторых аминокислот у некоторых архей), построены только из одной формы, L-аминокислот; а РНК и ДНК – с использованием только D-рибозы и D-дезоксирибозы. Белковые ферменты оперируют не с химией, а с пространственной формой молекул, поэтому правая и левая форма для них – вещи совершенно разные, и раз начав с какой-то из них, перейти на другую уже невозможно. Но как начался этот «оптический шовинизм»? Невозможно представить, чтобы какой-то активный белок взял и сложился из 500 или 1000 L-аминоксилот, если в смеси присутствует одинаковое количество L и D. К этой проблеме нам еще предстоит вернуться, но и она оказалась далеко не единственной.

L- и D-изомеры аминокислот – зеркальные отражения друг друга

Глава третья, в которой трудности нарастают

Другая проблема возникла по мере улучшения наших знаний о Венере, Марсе и о прошлом нашей собственной планеты. Оказалось, что сегодняшние атмосферы соседей близки по составу к атмосфере молодой Земли, которая, видимо, почти целиком состояла из углекислого газа. Серьезных количеств аммиака в ней не было, азот существовал лишь в форме чистого молекулярного газа (N2), а сера – как инертный оксид (SO2). Этот набор очень далек от того, что представляли себе Опарин, Холдейн и Миллер, и прежде всего тем, что не содержит вещества, подходящего на роль восстановителя (как аммиак, например), необходимого для фиксации углекислого газа и получения из него хотя бы простейшей органики.

Ну и, наконец, главное – проблема, которая в философии называется «неупрощаемой сложностью». Она сопровождает любые споры о появлении и развитии жизни. Взять хотя бы птичий полет: перья и крылья, полые кости и отсутствие зубов. Без каждой из этих (и многих других) деталей полет был бы невозможен, но могли ли они появиться одновременно у еще нелетающего существа? Конечно, вряд ли. Сегодня показано, что перья служили средством теплоизоляции еще их предкам-ящерам, крылья позволили планировать с веток, ловко спасаясь от лазающих хищников, и так далее. Если же разобраться с деталями строения пусть и самой простейшей живой клетки, то они окажутся намного сложнее истории с полетом.

Даже у бактерий геном насчитывает миллионы нуклеотидов, которые кодируют тысячи белков. Его работа требует сложной машинерии, необходимой для копирования ДНК и чтения ее для превращения в РНК, а затем и в белок с помощью хитроумно устроенных рибосом, и т. д. Все это окружено мембраной, пронизанной постоянно работающими белками, обеспечивающими избирательный транспорт веществ в клетку и из нее. Здесь мало лишних деталей: без каждой из них клетка жить неспособна. А главное, она неспособна жить без инструкций, которые содержит ДНК и которые реализуют белки. Сама по себе ДНК неспособна ни катализировать химические реакции, ни удваиваться. Это довольно инертное вещество, служащее лишь удобным носителем информации. С другой стороны, белки не размножаются и не могут выступать в этой роли. Еще одна философская проблема – курицы и яйца – только, кажется, совсем неразрешимая?..

Глава четвертая, в которой появляется надежда на РНК

Дилемма с курицей и яйцом – то есть с ДНК и белком – разрешилась только в 1970-е, когда были обнаружены рибозимы, молекулы РНК, обладающие собственной каталитической активностью. РНК не так хорошо подходит для хранения и копирования информации, как ДНК, она далеко не так замечательна в катализе, как белки, но она может и то, и другое. Это привело к появлению гипотезы о «мире РНК», первичном бульоне, в котором мог стартовать отбор наиболее эффективных молекул и все большее усложнение, которое привело к использованию ДНК и белков, оставив РНК их современные, во многом посреднические, функции. Значит, проблему «первичной химии» можно свести к проблеме появления достаточного количества РНК из ее компонентов – сахара D-рибозы, содержащего пять атомов углерода, фосфата, а также четырех видов азотистых оснований – аденина, гуанина, урацила и цитозина.

Самым вероятным путем появления рибозы сегодня считается формозная реакция Бутлерова – нагревание водного раствора формальдегида. В присутствии гидроксида кальция и под действием ультрафиолета он образует сложную смесь разных сахаров, которые могли осаждаться на разных неорганических поверхностях. Например, силикаты накапливают (и выделяют из среды) лишние четырех- и шестиуглеродные сахара, а гидроксиапатит – так нужную нам рибозу. Более того, если в среде присутствуют цинк и аминокислота пролин, то они катализируют появление почти чистого продукта, «правых» сахаров.

Удалось химикам и решить проблему с появлением всех четырех азотистых оснований. Если использовать не синильную кислоту, а другое довольно распространенное в космосе и несложное соединение – формамид, – то в отсутствие воды под действием ультрафиолета и на поверхности частиц оксида титана он даст все нужные основания. И если в нашей жизни такие условия выглядят экзотикой, то в космосе они встречаются не так уж и редко; диоксид титана то и дело улавливается в верхних слоях атмосферы, где нет воды, зато ультрафиолетового излучения предостаточно.

Чтобы азотистые основания, фосфат и рибоза образовали РНК, они должны объединиться в нуклеотиды, а те, в свою очередь, в достаточно длинные цепочки. Аденин сравнительно легко присоединяет рибозу, а затем и одну за другой три фосфатные группы. Видимо, по этой причине аденозинтрифосфат (АТФ) стал универсальной молекулой-носителем энергии: остальные азотистые основания не удавалось запустить по этому пути несколько десятилетий. Решить эту проблему получилось только в 2009 г., когда Джон Сазерленд из Манчестерского университета нашел изящную и сложную реакцию, на входе которой используются не сами основания и рибоза, а их предшественники – гликольальдегид, глицеральдегид, цианамид, и т. д., – а на выходе получаются нужные нуклеотиды. Уже через несколько лет было показано, что в присутствии L-аминокислот такая реакция дает преимущественно соединения с D-рибозой.

Глава пятая, где РНК встречается с «цинковым миром»

Такие реакции должны были происходить на юной Земле непрерывно: вряд ли такой нестабильный источник веществ, как астероиды или кометы, могли принести их в достаточном количестве, постоянно обновляя запасы. Для этого требуется восстанавливать углекислый газ до простейших соединений углерода, как это делают растения, используя воду и солнечный свет. Другой способ демонстрируют метаногенные микробы, которые вообще не терпят присутствия кислорода и используют восстановитель – сероводород, поступающий из-под земной коры с богатыми минералами и горячими водными растворами.

Отсюда родилась первая из гипотез о происхождении молекул-предшественниц РНК, включая формальдегид, гликольальдегид, цианамид и другие знакомые нам соединения. Согласно идее Карла Ваштерхаузера, все происходило на океанском дне, в условиях, близких к современным гидротермальным источникам. Их до сих пор населяет чрезвычайно богатая, очень необычная и практически независящая от внешнего мира жизнь, которая питается «дымом» этих черных курильщиков – перегретой водой, богатой сероводородом и сульфидами, причем сульфиды цинка и марганца тут же осаждаются беловатым налетом. Как мы скоро убедимся, это особенно важно.

Как показали эксперименты, в этих условиях сероводород восстанавливает сульфид железа до пирита (FeS2), на поверхности которого удерживаются протоны, способные восстанавливать и азот до аммиака, и углекислоту до метилмеркаптана. Реализуются здесь и более сложные реакции, ведущие к появлению органических кислот и вообще целого спектра органики, более богатого, чем в реакциях Миллера.

Дальнейшие превращения могли протекать уже на свету, когда «черные курильщики» обнажались. Чрезвычайно плотная атмосфера молодой Земли создавала повышенное давление, которое позволяло воде не закипать и не испаряться даже при температуре намного выше 100 °С, а отрицательно заряженные молекулы – органические кислоты, включая РНК, – оставались связанными на положительно заряженной поверхности сульфида цинка, накапливаясь в достаточных количествах и продолжая реагировать друг с другом.

Важным подтверждением гипотезы о «цинковом мире» (как продолжении «мира РНК») служит состав внутренней среды живых клеток, их цитоплазмы, который близок не просто морской воде, а морской воде близ черных курильщиков, насыщен ионами калия, марганца, магния и цинка. Кроме того, показано, что рибозимы требуют для работы присутствия тех же металлов. Они же встречаются и у подавляющего числа древнейших белков и содержат цинк и марганец: в 2008 г. было показано, что из 49 каталитических доменов, которые содержатся во всех известных на тот момент организмах, 37 содержат цинк и 19 – марганец.

Глава шестая, в которой образуется рибосома

Итак, на дворе – архейская эра. Геотермальные источники – «черные курильщики» – накапливают отложения сульфидов цинка, марганца и других металлов, которые выносятся на поверхность и выносят с собой связанную органику. Здесь, в плотном и горячем воздухе, состоящем в основном из углекислого газа, абиогенный синтез продолжается под действием ультрафиолета, который проникает сквозь атмосферу, еще лишенную кислорода и озонового слоя. Формируются цепочки РНК, рибозимы, и некоторые из них могут катализировать определенные реакции, а избранные – образование собственных копий. При таких условиях они могут стремительно размножиться и мало-помалу выдавливать конкурентов, перехватывая их «строительные блоки». Но разве это жизнь?

В самом деле, хоть Энгельс и не был прав полностью, нам все-таки придется перейти к белкам, без которых не существует ни одна известная нам форма настоящей жизни. Сегодня синтез белка из отдельных аминокислот обеспечивается сложным молекулярным комплексом, рибосомой, а также примерно 40 транспортными РНК. Каждая из них доставляет определенную аминокислоту и присоединяется к определенной последовательности из трех нуклеотидов на матричной РНК. Реакции соединения аминокислот в белковую цепочку проводят рибосомы, которые включают в себя несколько десятков белков и три молекулы РНК.

Сегодня известно, что именно рибосомная РНК выполняет ключевые функции этой органеллы, а в самой РНК определены домены, фрагменты, более или менее важные для ее работы. В работах ученых, среди которых нельзя не упомянуть нашего бывшего соотечественника, работающего в Монреальском университете Сергея Штейнберга, показано, что рибосомная РНК могла «вырастать», добавляя к себе новые фрагменты, но некоторые из них должны быть ключевыми – и самыми древними.

Такой рибозим способен синтезировать белковые цепочки из отдельных аминокислот – неловко, неточно, не слишком быстро, особенно в сравнении с современными сложными биохимическими системами, которые отточены миллиардами лет эволюции, – но все-таки способен. Он мог походить на домен V рибосомной РНК и даже не использовать матрицу, синтезируя случайные пептидные цепочки. Лишь затем он научился связывать матричную и транспортные РНК. Но как это могло помогать самому рибозиму выжить и вытеснить конкурентов – даже тех, что катализировали появление собственных копий?

«Черные курильщики»

Глава седьмая, про генетический код

Тут нам придется вспомнить, что РНК не является таким удачным носителем информации, как ДНК – и прежде всего за счет своей довольно высокой химической лабильности. Ее больное место – та самая гидроксильная (2') группа рибозы, которой нет у дезоксирибозы ДНК. Предполагается, что некоторые белки могли связываться с РНК, закрывая – и защищая – опасный участок. Альфа-спираль, весьма обычная для белков структура, отлично для этого подходит. Остается, чтобы среди матричных РНК, кодирующих защитные белки, нашлись и другие, которые кодирут белки, расщепляющие другие РНК и поставляющие новые нуклеотиды, и третьи, для копирования самих РНК – дело у нас почти в шляпе.

Начинается размножение, изменчивость и отбор – гонка вооружений, которая зовется эволюцией. В этой системе генетическое кодирование обеспечивают молекулы транспортных РНК, которые связывают тройки соседних нуклеотидов (кодоны) с той или иной аминокислотой. Считается, что эта связь появилась более или менее случайно и, например, тройка аденин – урацил – урацил соответствует аминокислоте изолейцину.

С другой стороны, определенные закономерности в этом коде можно найти: скажем, изолейцин кодируют также кодоны аденин – урацил – цитозин и аденин – урацил – аденин, структурно довольно близкие и оставляющие пространство для ошибок. Даже при не очень точном связывании каждого отдельного нуклеотида близкие тройки обеспечивают появление нужной аминокислоты с достаточной точностью. У нас получился минимальный набор: матричные РНК белков для копирования РНК, прото-рибосомные РНК для синтеза белков и транспортные РНК.

Глава восьмая, где жизнь помещается в клетку и получает ДНК

Правда, до жизни мы еще не добрались: нам нужна клетка, а клетку делает мембрана, которая ограничивает ее от внешнего мира и обеспечивает контролируемый обмен веществ. Ограничившись мембраной, жизнь обрела форму и смогла объединять и накапливать внутри нужные молекулы РНК и вести синтез белков, покинуть плоскость сернистых отложений и перейти к трехмерному существованию в форме пузырьков в жидкости, расселяться и осваивать новое пространство.

Мембраны современных организмов устроены по общему принципу: это довольно длинные молекулы с полярными, стремящимися к воде, «головками» и гидрофобными «хвостами». Двойной слой их ориентируется в воде хвостами друг к другу, легко образуя пузырьки. Сравнение белков, необходимых для синтеза таких молекул у максимально непохожих друг на друга групп организмов, позволило определить те из них, которые максимально близки, а значит, имелись у последнего общего предка.

Эта работа была проведена под руководством московского биофизика Армена Мулкиджаняна. И действительно, среди таких ферментов нашлись те, что необходимы для синтеза терпеновых спиртов (подходящих для «хвостов» молекул мембраны), а также для того, чтобы присоединять к ним полярные фосфатные «головки». Благодаря этому мы прибыли к предпоследнему этапу. Наша протожизнь состоит из ограниченных мембраной клеток, внутри которых – коктейль из множества белков и разрозненных молекул РНК, легко переходящих из одной клетки в другую, кодирующих те или иные белки для синтеза РНК и липидов мембраны. Казалось бы, ДНК здесь и не пахнет. Но давайте приглядимся повнимательнее: в этом наборе уже вовсю размножились вирусы.

Внутриклеточные паразиты-вирусы терзают жизнь еще с эпохи «мира РНК». Сегодня они настолько разнообразны, что отличаются друг от друга больше, чем та же кишечная палочка от того же премьер-министра. Некоторые до сих пор используют РНК в качестве носителя информации, другие давно перешли на ДНК – и, видимо, сделали это первыми. Предполагается, что именно у них появились белки, способные получать РНК на матрице ДНК, – а с ними и сама возможность использовать эту устойчивую молекулу для хранения информации. Как и многое другое ценное (а также бесполезное и вредное) в нашем организме, ДНК была заимствована клетками у вирусов.

Строение типичной клетки прокариот

Глава девятая, последняя, но не последняя

С этого момента мы можем говорить уже о биологической эволюции в полном смысле этого слова. По мере того как атмосфера остывала и становилась менее плотной, протоорганизмы вовсю столкнулись с проблемой истощения старых запасов минеральных отложений. Одни из них ушли в изолированные, труднодоступные участки, став предками современных архей, до сих пор населяющих черные курильщики или гейзеры. Другие жили повыше и научились защищаться от солнечного ультрафиолета пигментами, а затем смогли использовать эти пигменты для фотосинтеза, став окончательно независимыми от своей геотермальной прародины. Им понадобилось развить системы транспорта минералов в клетку и из нее. Они слились с другими бактериями, которые освоили эффективный синтез АТФ из глюкозы и впоследствии стали митохондриями. Еще одна «гибридизация» привела к образованию ядра и появлению эукариот, но это будет когда-то в будущем. С образованием клетки, механизмов белкового синтеза и появлением ДНК предыстория жизни закончена и начинается ее история.