Разобраться, как именно возникли эти молекулы, непросто, однако эксперимент Миллера показал, что природа вполне могла самостоятельно достичь подобных результатов. Нет никаких оснований полагать, что в описанном ранее эксперименте Бенфорда задействовано нечто, не относящееся к стандартной химии, подчиняющейся обычным физическим и химическим законам. Мы можем рассказать вам непротиворечивую, с химической точки зрения историю о том, как соединяются и изменяются атомы и молекулы. Это происходит постоянно, благодаря чему и существует такая наука, как химия. Одним из ключевых моментов является то, что любая достаточно обстоятельная модель призвана охватить все основные этапы, однако реальность намного сложнее любых мыслимых моделей. То, что кажется трудным для нас, непроизвольно происходит в природе.
Исследователи, повторившие эксперимент во всевозможных модификациях земной атмосферы того периода, получили и другие органические соединения, в частности сахара и даже основания, соединения которых ведут к формированию ДНК и РНК – основополагающих молекул земной жизни. Мы уже упоминали о ДНК и её двойной спирали, в любом случае сегодня она всем хорошо известна. Рибонуклеиновая кислота (РНК) популярна гораздо меньше. Она, в общем-то, похожа на ДНК, только попроще устроена. За редкими исключениями РНК образует одну цепочку вместо двух. Определённые виды РНК весьма существенны для живых организмов.
Мы считаем, что обе эти молекулы могли легко образоваться на юной Земле. Даже более того, их появление было совершенно неизбежным. К тому же, как нам сейчас известно, многие метеориты несут на себе компоненты этих простых органических соединений – значит, последние могут образовываться в открытом космосе. Таким образом, метеориты являются вторым надёжным источником органической химии. Короче говоря, небольшие органические молекулы на молодой Земле имелись в изобилии. Дело только в том, что с живыми организмами они не имеют ничего общего.
Многообещающих на первый взгляд простых химических процессов недостаточно. Ведь ключевые молекулы живых организмов намного сложнее и включают в себя значительно больше атомов, расположенных довольно заковыристым образом. Грэм Кернс-Смит предположил, что молекулы глины могли бы быть идеальным катализатором для превращения простых органических соединений в полимеры, аналогичные имеющимся у живых организмов. При этом аминокислоты соединялись бы в пептиды и белки, а нуклеотидные основания, возможно, связывались бы с фосфором и сахарами, образуя короткие цепочки нуклеиновых кислот, в том числе РНК и ДНК. Как видите, для достижения цели снова не требуется ничего, кроме простой химии, никаких инопланетян. Напротив, было бы даже странно, если бы первобытные моря не кишели бы полимерами, ведь с их возникновением нет проблем. Может быть, проблемы с макромолекулами и возникнут у нас, у природы их не будет: она просто следует собственным правилам, неизбежным следствием которых является определённая сложность.
Однако макромолекулы – это ещё не жизнь. Они не размножаются, даже не реплицируются, разве что в особых ситуациях. (Под репликацией понимается создание точных копий; под размножением – создание копий не точных, но способных к дальнейшему размножению. Второй способ более гибкий, но и более сложный для понимания.) В любом случае и репликация, и размножение требуют не просто сложности, но сложности упорядоченной, а откуда берётся порядок, понять трудно. Тем не менее подобные ситуации могут возникать совершенно естественно в некоторых глинах, таких, которые сами по себе обладают способностью репликации. Во влажной среде небольшие слойки глины могут самостоятельно образовывать пачки почти одинаковых копий.
С конца 90-х годов поменялось многое. В предыдущих книгах «Науки Плоского мира» мы уделили особое внимание идеям Гюнтера Вахтершаузера. Он предложил идею, отличную от общепринятой теории первичного бульона Миллера-Юри, в котором предполагалась спонтанная репликация нуклеиновых кислот, а первичным проявлением жизни считалась наследственность. Взамен Вахтершаузер выдвинул гипотезу первичности метаболизма, то есть биохимического процесса. По его мнению, это могло случиться там, где много серы, оксида и сульфида железа, а также имеется источник тепла для поддержания химических реакций. Одним из возможных объектов, обладающих данными характеристиками, являются гидротермальные источники срединно-океанических хребтов, известные как «чёрные курильщики». Они располагаются в местах выхода расплавленных пород мантии на поверхность через разломы в расходящемся морском дне. Другими, чуть менее впечатляющими объектами являются подводные вулканы. Используя эту железо-кислородо-серную химию, Вахтершаузер придумал набор реакций, довольно точно имитирующих цикл Кребса, – основу биохимии почти всех живых организмов. В лабораторных экспериментах его задумка вроде бы работала, пусть и неидеально. Короче говоря, его теория возникновения жизни заменила первобытный «суп» первобытной «пиццей»: молекулы, вместо того чтобы резвиться в морских глубинах, плавают на поверхности. Тогда, в 1999 году, идея Вахтершаузера нам понравилась, поскольку она была альтернативой системе первичности наследственности. Мы не понимаем, зачем подобным структурам заниматься реплицированием, это совершенно не в их привычках. Кроме того, Вахтершаузер не только биохимик, но и юрист, а хорошие научные идеи, предложенные юристами, – чрезвычайная редкость.
Однако с тех пор набрала популярность другая идея: гипотеза Мира РНК. РНК и ДНК – нуклеиновые кислоты, названные так потому, что они находятся в ядрах (лат. nucleus) клеток. Помимо ДНК и РНК существуют другие нуклеиновые кислоты; некоторые проще, иные много сложнее. Обе макромолекулы представляют собой длинные цепочки, образованные четырьмя фрагментами – нуклеотидами, являющимися, в свою очередь, комбинациями оснований, то есть особенных молекул, похожих на сложные аминокислоты, связанные воедино сахарами и фосфатами. Ну как? Вам полегчало? Сомневаемся. За подробностями вы можете обратиться к другим источникам, а сейчас нам надо было всего лишь договориться о терминологии, относящейся к тому, что мы обсуждаем.
Нуклеиновые кислоты научились извлекать выгоду из своей замечательной способности образовывать двойные цепочки: каждая половина кодирует одну и ту же информацию взаимозависимым образом. Четыре основания, обозначенные буквенными кодами, образуют две связанные пары, а последовательность оснований одной цепочки комплиментарна по отношению к основаниям другой. Это делает возможной главную особенность этих пар: одна цепочка определяет происходящее во второй. Вот они расходятся, каждая половинка обзаводится новым «партнёром», прикрепляясь к комплиментарным основаниям, и… О, чудо! Только что у нас была одна двойная цепочка, а теперь их две, причём абсолютно идентичных. При наличии достаточного количества свободных оснований молекула реплицируется, и остановить её непросто.
У РНК другие «козыри». Она может функционировать как энзим, биологический катализатор, причём являться катализатором для собственной репликации. (Катализатор – это молекула, которая ускоряет химическую реакцию, но сама в ней не участвует: она «подстёгивает» другие вещества, а затем «отходит в сторону».) Таким образом, РНК катализирует многие химические реакции, полезные живым организмам. Молекула РНК – это «ремонтник-универсал». Если бы удалось объяснить, как РНК появляется из неживой материи, это стало бы большим шагом от неорганической химии к примитивным живым формам. К сожалению, понять, как РНК могла самостоятельно возникнуть в первобытном «бульоне», очень трудно. На протяжении многих лет теории Мира РНК не хватало важнейшего звена.
Недавно этот недостаток было устранён. Найдено множество разнообразных решений проблемы, включая те, которые работают не только в теории, но и на практике. Вначале получаемые цепочки были короткими, ведь цепочку из 6 оснований создать легко. Теперь их длина может доходить до 50 и больше, а это уже близко к настоящим биологическим энзимам, имеющим обычно от 100 до 250 оснований. Появилась надежда, что длинные цепочки РНК имелись в первобытном «бульоне». Всё это выглядит ещё более правдоподобно, если учесть, что в условиях, максимально приближенных к предполагаемой обстановке молодой Земли, были синтезированы жировые мембраны, весьма напоминающие мембраны клеток. РНК вполне могут соединяться с ними. Недавно было высказано предположение, что под воздействием высоких температур «чёрных курильщиков» цепочки РНК могли неоднократно разделяться на части (расходиться), а затем соединяться в более холодных водах конвекционных течений. Эта идея нам симпатична, ведь точно таким же образом мультиплицируют ДНК в полимеразной цепной реакции при анализе последовательности молекулы: чередованием высоких и низких температур заставляют цепочки ДНК расходиться и выстраивать новые комплиментарные связи, многократно удваивая число копий. Благодаря подобному естественному физико-химическому процессу вполне могла бы воспроизводиться и РНК.
