Молекула РНК структурно напоминает ДНК, но обычно имеет форму одиночной спирали. «Хребет» этой спирали в РНК и ДНК немного различается, и в РНК аденин стыкуется с нуклеотидом урацилом (У), а не с тимином. РНК не так стабильна в химическом отношении, как ДНК, но может нести эквивалентную информацию в своей последовательности нуклеотидов.

Информация выходит из ДНК, когда двойная спираль расплетается, и последовательности каждой спирали копируются сегментами РНК. Эти сегменты — так называемая матричная РНК — переносят генетическую информацию к особым клеточным органеллам — рибосомам. Рибосомы, открытые ещё в 1950-е годы, — это сложные структуры, принимающие информацию из РНК и на её основе собирающие белки. В ходе этого многоэтапного процесса из относительно стабильной системы хранения информации (РНК) конструируются полезные молекулы (белки), и при этом задействуются менее стабильные переносчики информации (РНК), а также совершенно отдельные сборочные цеха (рибосомы).

* * *

Точно так же, как компартментализация и метаболизм, репликация связана с проблемой «что откуда взялось?», когда мы соотносим сложнейшие структуры, характерные для современной биологии, с более простыми системами, которые могли бы иметь небиологическое происхождение. В случае с компартментализацией требуется понять, как жизнь пришла к фосфолипидным бислоям, причём ответ может быть связан с жирными кислотами. В случае с метаболизмом нужно выяснить, как возникла клетка, работающая на протондвижущей силе, и ответ может заключаться в пористых камерах, обнаруженных в щелочных источниках. В случае с репликацией нас интересует, как возникла ДНК, и в этом нам может помочь РНК.

РНК соотносится с ДНК как устная поэзия с письменной. Обе молекулы могут передавать одну и ту же информацию, но ДНК гораздо надёжнее и прочнее. Однако она достаточно сложна, поэтому нелегко понять, как она могла возникнуть сама собой. При копировании ДНК важную часть работы выполняют белки. Но белки должны конструироваться на основе информации, сохранённой в ДНК. Как же белки могут возникнуть без ДНК, и наоборот?

Излюбленный ответ сторонников абиогенеза — это отсылка к так называемому миру РНК. В 1960-е годы эту базовую идею высказывали многие учёные, в том числе Александр Рич, Френсис Крик, Лесли Оргел и Карл Вёзе. ДНК хорошо переносит информацию, белки здорово выполняют биохимические функции, а РНК может делать и то и другое, пусть и не так хорошо. РНК могла возникнуть до ДНК и белков и послужить основой примитивной и более уязвимой древней жизни прежде, чем эволюция постепенно перераспределила её функции между более эффективными ДНК и белками.

Роль РНК при извлечении информации из ДНК была распознана достаточно рано, но лишь много позже биологи убедились, что РНК также может действовать в качестве катализатора, регулирующего биохимические реакции и управляющего их скоростью. В частности, рибозимы, открытые в 1980-е годы, — это особая РНК, способная катализировать собственный синтез, а также синтез белков. Слово «рибозима» донельзя созвучно со словом «рибосома». Оказывается, важнейшая часть рибосомного комплекса состоит из рибозимной РНК. Таким образом, рибосома — это в основном рибозимы. (Именно из-за таких словес молодые учёные охотнее идут в физику и астрономию.)

Дальнейшие исследования показали, что существует ряд различных типов РНК, отвечающих за выполнение разнообразных внутриклеточных функций. Кроме матричной и рибосомной РНК также существует транспортная РНК, доставляющая аминокислоты в нужное место — туда, где из них можно будет сделать белки. Регуляторная РНК помогает управлять экспрессией генов. И этим список видов РНК не ограничивается. Эти открытия помогли популяризовать идею мира РНК. Если вы хотите описать возникновение жизни с точки зрения «сначала размножение», то вам нужна молекула, способная переносить генетическую информацию и самовоспроизводиться без участия каких-либо сложных механизмов. По-видимому, РНК пришлась для этого как нельзя кстати.

* * *

Идея о том, что РНК могла быть первым переносчиком генетической информации и могла как самовоспроизводиться, так и собирать другие полезные биохимические структуры, убедительна и красива. Как и любая качественная парадигма, сценарий мира РНК оказался хорош тем, что породил немыслимое количество интересных исследований.

Отметим тот факт, что РНК может выступать в качестве фермента: катализировать химические реакции, нужные как для самосборки, так и для синтеза белков. Откуда взялась такая возможность? Вполне понятно, как нуклеотидная последовательность может хранить информацию, но ферментирование кажется принципиально иной возможностью.

Для того чтобы прояснить этот вопрос, Дэвид Бэртел и Джек Шостак в 1993 году поставили интересный эксперимент. (В 2009 году Шостак получил половину Нобелевской премии за исследования о защите хромосом при делении ДНК.) В принципе они применили метод, который можно было назвать «дарвиновской эволюцией с участием человека». Для начала они взяли большой объём произвольной РНК: триллионы молекул, в которых не прослеживалось никаких характерных нуклеотидных последовательностей. Затем выбрали часть этих молекул — такие, которые обладали повышенным каталитическим действием, — и сделали множество их копий. Эту процедуру повторили несколько раз: поиск РНК, которая казалась катализатором определённых реакций, и получение её копий. На этапе копирования происходили случайные мутации, и в результате некоторых из них новая РНК становилась более сильным катализатором, нежели прежняя. Спустя десять итераций такой процедуры стало понятно: последний набор молекул катализирует реакции примерно в три миллиона раз лучше, чем исходный. Вот яркий пример того, как случайные, ненаправленные мутации могут кардинально улучшать пригодность тех или иных веществ для выполнения полезных биохимических функций.

Ещё один интересный опыт поставили биологи Трейси Линкольн и Джеральд Джойс в 2009 году. Им удалось создать систему из двух молекул РНК-ферментов — рибозим, которые вместе показали самоподдерживающуюся репликацию. Без какой-либо поддержки со стороны окружающих белков или каких-либо других биологических структур эти молекулы смогли полностью скопировать друг друга примерно за час. Более того, молекулы то и дело мутировали и, таким образом, претерпевали дарвиновскую эволюцию, при которой сохранялись более приспособленные структуры. Это ещё никакая не клетка, но сложно не заметить, что перед нами — один из этапов, который был пройден на пути от химии к жизни.

Даже если РНК и сыграла ключевую роль в возникновении жизни, мы пока не полностью представляем себе этот процесс. Понадобился суммарный эффект компартментализации, метаболизма и репликации. Возможно, между РНК и бислоями из жирных кислот сложился симбиоз: они помогли друг другу достичь расцвета в суровой и неспокойной экосистеме древней Земли. Мембрана может защитить хрупкую РНК от внешних потрясений, помочь ей просуществовать достаточно долго для того, чтобы размножиться. Тем временем молекула РНК может привлечь на мембрану другие биомолекулы, чтобы эта мембрана могла вырасти настолько, что затем естественным образом разделится надвое — примитивное клеточное деление.

Метаболизм вписывается в эту картину сложнее, однако Шостак не видит в этом серьёзной проблемы. Он считает, что существовала протоклетка — РНК, заключённая в простую мембрану. Эта протоклетка плавала в лужице, которая с одной стороны была тёплой, а с другой — холодной. Конвективные потоки толкали клетку от одного конца лужицы к другому. На холодном конце РНК обрастала теми нуклеотидами, которые успевала подобрать, и две спирали РНК окутывали друг друга, словно пытаясь согреться. Когда течение постепенно относит такую парочку на тёплый край водоёма, две нити постепенно расплетаются под действием тепла; мембрана обрастает ещё несколькими молекулами жирных кислот, пока не разделится надвое, и тогда у нас получаются две протоклетки (надеемся, что иногда так бывает), в каждой из которых оказывается по одной нити РНК. Обе они относятся на холодную сторону лужицы, и протожизненный цикл начинается заново.