У истоков жизни

Живое только из живого — этот тезис победил в бурных дискуссиях XVIII века о возможности самозарождения жизни. В XIX веке был провозглашен еще более строгий принцип: клетка только из клетки. Молекулярная биология XX века пошла еще дальше. Все сложнейшие молекулы белков и нуклеиновых кислот, участвующие в жизненных процессах, создаются при участии тех же или не менее сложных молекул. Итак: omni molecula ex molecula — молекула только из молекулы. С чего же все началось?

Жизнь — круговорот. В двойных спиралях ДНК записана информация, необходимая для синтеза их самих и синтеза белков, помогающих этому синтезу. Программа направляет процесс, функционирование живой клетки. И в то же время без этого процесса не могла бы существовать и сама программа. Эйген пишет:

Вопрос о том, что здесь является причиной и что следствием, далеко не прост. «Функция» не может осуществляться никаким организованным способом, пока отсутствует «информация», однако такая информация приобретает смысл только через функцию, которую она кодирует.

Это похоже на замыкание петли. Хотя очевидно, что линия, образующая петлю, должна где-то начинаться, начальная точка теряет свое значение, как только круг замыкается. Существующее в настоящее время взаимодействие нуклеиновых кислот и белков в живой клетке соответствует такой замкнутой петле или даже сложной иерархии петель.

Как замкнулась петля? Этот вопрос равносилен вопросу о происхождении жизни. Начавшись, самоподдерживающийся процесс будет продолжаться до тех пор, пока он сможет черпать из окружающей среды необходимые вещества и энергию. Но этого еще мало. Замкнутая петля должна не замыкаться намертво, а развертываться спиралью развития. Жизнь не была бы такой, какой мы ее знаем, если бы она не обладала способностью не только к самоподдержанию, но и к саморазвитию. Этот заряд развития создает, словами Эйгена, отбор и эволюцию до такого уровня сложности, на котором система уже может расстаться с условиями своего возникновения и изменить окружающие условия для своей выгоды.

Путь, приведший к возникновению таких «систем» — нас с вами, пытающихся понять собственную невообразимую сложность, — начался с молекулярного хаоса неживой природы. Первая фаза развития была чисто химической: создание строительного материала, кирпичей, из которых могли бы быть составлены огромные полимерные молекулы живой клетки. Принципиальная возможность синтеза таких «кирпичей» — аминокислот и других органических молекул — в условиях, подобных тем, что существовали миллиарды лет назад на Земле, уже неоднократно доказывалась в лабораториях химиков. Кое-кто даже утверждал, что эти опыты решают загадку происхождения жизни. Это, разумеется, не так.

Раствор аминокислот — тот же молекулярный хаос, что и раствор неорганических солей. И если даже аминокислоты случайно полимеризуются, образовав неуклюжее подобие белковой молекулы, отсюда до жизни не ближе, чем до неба. Самое сложное соединение, созданное по капризу химической реакции, распадается, подчиняясь новому капризу.

«Мимолетный каприз» станет непреходящим только в том случае, если образовавшаяся молекула окажется способной к самовоспроизведению — будет создавать себе подобных или способствовать их созданию. «Кирпичи» должны соединяться в такой «дом», который будет одновременно «домостроительным заводом», строящим и надстраивающим самого себя из новых «кирпичей». С этого момента начинается вторая фаза — самоорганизации, ведущая начало от простейших автокаталитических (ускоряющих собственный синтез) химических, еще «неживых» систем к системам, химически настолько сложным, что их уже можно назвать биологическими — живыми. Где-то на этой стадии и происходит неуловимый переход от «сложнейшего из простых» к «простейшему из сложных» — возникает жизнь.

Третья фаза развития — это эволюция видов. До недавнего времени биологи интересовались почти исключительно ею. Поразительно совершенство и разнообразие живых организмов, созданных в ходе биологической эволюции. Но все же решающей следует признать вторую фазу, на которой оформился тончайший самоорганизующийся и саморегулирующийся механизм живой клетки, общий для всех живущих на Земле существ. Фаза самоорганизации в некотором смысле предопределила весь последующий ход эволюции жизни. Именно ей и посвящена в основном работа Эйгена.

Почему полезно ошибаться

Не будем пока спрашивать, где лежит исходная точка «линии, замыкающей петлю». Допустим, что петля самовоспроизведения уже существует. Что с ней будет дальше? Пусть машина крутится, делая новые, в точности такие же машины, которые тоже начинают крутиться, производя себе подобных. До каких пор? Пока вокруг хватит материала. После этого «расширенное воспроизводство» придется прекратить. Останется ограниченная популяция машин: ровно столько, сколько может «прокормиться» на поступающем извне материале и останках машин, пришедших в ветхость.

Все это пока неинтересно, потому что крутится впустую. Но стоит внести одну маленькую деталь — и картина сразу оживает. Предположим, что машина иногда производит несовершенные копии, хоть в чем-то отличающиеся от нее самой. Заодно стоит и отказаться от случайного слова «машина». Ведь машина оттого и тупа и мертва, что она совершенна: она все делает так, как указано. Все живое неправильно, хоть самую малость. Тем и живой язык с его неоднозначностью смысла отличается от мертворожденного эсперанто. Тем и ученый, растекающийся мыслью, отличается от запрограммированного на свою задачу робота. Все совершенное или претендующее на совершенство закостеневает. Все живое ошибается и совершенствуется благодаря своим ошибкам или же дорого платит за них.

Простейшей «самовоспроизводящей машиной», изготовляющей не вполне совершенные копии, может быть полимерная молекула, обладающая автокаталитическими или «самоинструктирующими» свойствами. Первое означает, что молекула способна ускорять синтез себе подобных — может быть, через какой-то каталитический цикл, включающий несколько промежуточных соединений. Второе — что она непосредственно «печатает» с себя, как с матрицы, собственные копии. Первый тип поведения типичен для белков, а второй — для нуклеиновых кислот. В обоих случаях копирование всегда будет несовершенным. Процессы, идущие на молекулярном уровне, подвержены действию случайных факторов. Автокатализ и самоинструкция определяют лишь основное направление реакции. «Ошибочные» реакции, в результате которых вместо нужного «кирпича» ставится другой из имеющегося под рукой запаса, менее вероятны, но полностью их подавить невозможно, и это неизбежно приводит к ошибкам при воспроизведении.

Различные молекулы будут конкурировать между собой за сырье и энергию окружающей среды. «Неудачники» будут распадаться, не успев снять с себя достаточное число копий. Напротив, те молекулы, которые будут успешней катализировать синтез себе подобных, умножат свой род и тем самым обеспечат себе победу в конкурентной борьбе. На высшем уровне организации те же явления происходят при естественном отборе живых организмов. В ходе конкурентной борьбы отбраковываются неудачные копии и закрепляются наследственные признаки, способствующие выживанию вида. В этом суть великой эволюционной теории Дарвина.

То, что сделал Эйген, на первый взгляд не содержит ничего особенного. Он сконструировал простейшую модель самовоспроизводящейся системы, подверженной случайным ошибкам при изготовлении копий и действующей в условиях ограниченного притока материала и энергии из внешней среды, и решил описывающие эту систему, уравнения. Но полученные им выводы (заметьте: полученные строго математическим путем) оказались чрезвычайно содержательными.

Эволюция по Эйгену

Модель Эйгена — прекрасный образец работы теоретика. В ней учтено все необходимое для эволюции и отбора и нет ничего лишнего. Вот ее основные черты:

• Имеется открытая система, обменивающаяся веществом с окружающей средой.
• Имеются полимерные молекулы, способные собирать, синтезировать свои копии из мономерных единиц — «кирпичиков».
• Возможно изготовление «ошибочных копий», также способных к дальнейшему самовоспроизведению.
• Скорость образования полимерных молекул превышает скорость их распада.
• Скорость поставки мономерных единиц и полное число полимерных молекул (или скорость их синтеза) ограничены.

Стоит отбросить хотя бы одно из перечисленных условий — и модель станет совершенно неинтересной. Необходимость первых двух понятна из сказанного выше. Понятна и необходимость «ошибок», иначе вся система застрянет на мертвой точке, лишившись разнообразия и способности к развитию. Чрезвычайно важно и четвертое условие. Если бы не оно, то число полимерных молекул даже в самых благоприятных условиях могло бы возрастать лишь до какого-то ограниченного уровня. Тогда, по словам Эйгена, система не обладала бы внутренним свойством роста, необходимым для селекции среди менее эффективных конкурентов. Такая система несла бы всю бесполезную информацию предыдущих мутаций, что, в конце концов, заблокировало бы любую дальнейшую эволюцию.

И, наконец, последнее условие ставит полимерные молекулы в тиски жесткого отбора. При полном изобилии материала для выживания рода достаточно было бы изготавливать за время жизни молекулы хотя бы одну ее правильную копию. Но если ресурсы ограничены, то на продолжение рода может надеяться лишь сильнейший. Законы эволюции поучительны. Голод останавливает функционирование открытой системы. Но и неограниченное изобилие ведет к застою. Точно так же развивающейся системе противопоказана и излишняя жесткость, и чрезмерная гибкость. Нет ошибок при копировании — нет и прогресса. Но если ошибки слишком часты, не будет ни преемственности, ни целостности рода. Все должно быть правильно — и чуть-чуть неправильно, всего должно быть в достатке — и чуть-чуть не хватать!

Для уравнений Эйгена очень важно условие ограничения ресурсов. Полимерные молекулы разного типа не размножаются независимо друг от друга, успехи одних лишают других «пищи». Раз пущенная в ход, модель Эйгена идет по пути эволюции и отбора. В ней появляется четкий порог скорости воспроизведения, зависящий как от внешних условий, так и от свойств самой «популяции» полимерных молекул. Превышение порога ведет к выживанию; все, что ниже порога, — гибнет. Но по мере гибели «неудачников» порог повышается и конкуренция становится еще жестче. В конце концов, выживает только один, наиболее приспособленный к условиям среды род молекул — обладающий наибольшей «селекционной ценностью».

Победивший в конкурентной борьбе род, вытеснив все остальные, сам продолжает изменяться. Те «неправильные копии», которые обладают большей селекционной ценностью, чем «основной вариант», размножаются с повышенной скоростью и постепенно вытесняют своих предшественников. При этом порог селекционной ценности, обеспечивающий выживание, непрестанно повышается. Модель Эйгена развивается по законам дарвиновской эволюции.

В биологической литературе теория Дарвина зачастую трактуется как тавтология — выживание наиболее приспособленного есть выживание выживающего. Теория Эйгена показывает, что это не так. Критерий селекции, непосредственно связанный с внешними условиями, дает физическое определение термина «наиболее приспособленный».

Пять перечисленных выше условий оказываются не только необходимыми, но и достаточными для эволюции. Если все они выполнены, то система неизбежно развивается в сторону повышения «селекционной ценности». Значит, ход эволюции заранее предопределен? Нет, дело в том, что мутант, «ошибочная копия», всегда возникает в единственном числе. Даже если он обладает селекционным преимуществом, он или его немногочисленное ближайшее потомство может случайно погибнуть в результате «флуктуационной катастрофы». Из двух удачных мутантов победит не обязательно сильнейший. Нужно еще немного удачи, чтобы новый род пережил трудный период от появления мутанта до того момента, когда копий станет так много, что им уже не будет грозить поголовное вымирание. Со случайным характером начального периода размножения связано и закрепление наследственных признаков, безразличных с точки зрения селекционной ценности. (Это — простейшая модель так называемой «недарвиновской эволюции».) Пути эволюции неисповедимы, но, каковы бы они ни были, в целом они ведут в одну сторону — лучшей приспособленности к условиям среды.

Нуклеиновые кислоты или белки?

С чего же началась химическая эволюция — с белков, нуклеиновых кислот? Если раскрутить двойную спираль ДНК, то на каждой одинарной нити будет синтезироваться из мономеров новая ей под пару. Сама полимерная цепь содержит программу собственного синтеза, и сама же она выполняет эту программу. Это и есть «самоинструкция». Но насколько успешно может выполнить ДНК свою задачу без посторонней помощи? Оказывается, ей придется нелегко.

Практически самоинструкция заключается в том, что благодаря особому взаимодействию азотистых оснований в новой цепи, навивающейся на исходную, против каждого основания встает дополнительное — «комплементарное» ему. Но это лишь преимущественное направление реакции. Может произойти и «ошибка» — на место нужного основания встанет другое.

Оценки показывают: если синтез идет без участия катализатора, ошибка произойдет по меньшей мере в одном случае из ста. Этот стандарт точности сборки слишком низок. Фактически он означает, что нельзя собрать без ошибок цепь длиной больше, чем в несколько десятков мономерных единиц. Такая самоинструктирующая система очень примитивна и лишена перспектив развития.

Повысить стандарт точности можно, применив катализатор, который будет ускорять именно нужную и никакую другую реакцию. Но каталитическими свойствами сами нуклеиновые кислоты не обладают. В живой клетке катализаторами служат белковые молекулы.

Посмотрим теперь, может ли возникнуть самоорганизующаяся система на основе не нуклеиновых кислот, а белков. Замечательное свойство белков — их способность складываться, образуя уникальную, свою для каждого белка, пространственную структуру. Такая структура способна «узнавать» молекулы определенных веществ и сводить их друг с другом, катализируя строго определенную химическую реакцию. В частности, белковая молекула может (без ДНК) сшить несколько аминокислот в определенном порядке, выстроив короткую цепочку. Другие белки-ферменты могут сшивать подобные цепочки друг с другом, доводя степень полимеризации, скажем, до нескольких десятков; так образуется новая белковая молекула.

Можно представить себе каталитический цикл, каждый из участников которого синтезируется с помощью других, входящих в тот же цикл белков-ферментов. Это будет самовоспроизводящаяся система, состоящая из одних только белков. Так как каждый белок создается при участии нескольких других, то, по крайней мере, некоторые ферменты должны быть полифункциональными — катализировать одновременно несколько реакций. Среди протекающих реакций могут быть и побочные, ведущие к образованию веществ, выпадающих из цикла.

Чем плох такой самовоспроизводящийся цикл? Беда в том, что он практически не способен мутировать, а значит, и развиваться. Если в цепь ДНК вкрадется ошибка — на место одного азотистого основания встанет другое, то получившаяся «ошибочная копия» будет по-прежнему способна к самовоспроизведению. Иное дело в белках. Их сложная пространственная структура зависит от состава всей молекулы в целом. «Ошибочная копия» ДНК — все равно двойная спираль. Белок, в котором нужная аминокислота заменена на другую, может иметь совсем иную пространственную структуру. Эта структура скорей всего будет «бессмысленной»: новый белок не сможет катализировать ни одной реакции, необходимой для поддержания цикла.

Но пусть даже «ошибочная копия» будет лучшим катализатором, чем «основной вариант». Что с того? Тогда он будет ускорять синтез белков, входящих в цикл; но этот цикл приведет снова к образованию исходного «правильного» фермента, а не мутанта. Чтобы цикл улучшился, должно одновременно произойти несколько мутаций в разных его звеньях, так, чтобы образовался новый, совершенно иной цикл с повышенной «селекционной ценностью». Но такое совпадение уже практически невероятно. Словом, и белки сами по себе не могут образовать развивающейся самоорганизующей системы.

И белки и нуклеиновые кислоты!

Порознь и белки, и нуклеиновые кислоты бессильны. Чтобы самовоспроизводящаяся система могла усложняться и набирать силу, необходимо сочетание способности нуклеиновых кислот к самоинструкции и каталитических свойств белков. Эйген строит модель самовоспроизводящегося «гиперцикла», использующего это сочетание свойств и потому обладающего практически неограниченной способностью к эволюции.

Гиперцикл включает нуклеиновые кислоты (нуклеотиды) с довольно короткими цепочками, способные к самоинструктивному воспроизведению и несущие информацию для синтеза одного-двух белков-ферментов, которые обеспечивают точность самовоспроизведения.

Участвующие в гиперцикле – белки могут выполнять и другие каталитические функции, например, способствовать синтезу других белков, регулировать протекающие химические реакции, а может быть, и синтезировать побочные, не входящие в цикл вещества.

Такая система уже сможет использовать мутации для направленной эволюции. Если ошибка при копировании какого-либо нуклеотида приведет к тому, что на нем будет синтезироваться белок, обладающий лучшими каталитическими свойствами, чем прежний, то такая мутация будет закреплена в потомстве, и для этого не понадобятся одновременные мутации других участников цикла. Понятие «лучший катализатор» может иметь много разных смыслов. Оно не сводится просто к ускорению синтеза следующего нуклеотида. Образование нового белка-фермента может привести, если это дает селекционные преимущества, к пропуску звена — сокращению гиперцикла (шаг вперед на пути к прямому самовоспроизведению!). Оно может обеспечить более точное регулирование химических реакций. Наконец, — и это самое главное — благодаря ему у всей системы могут развиться совершенно новые свойства.

Может, например, образоваться катализатор, способный связывать в единую цепь относительно небольшие молекулы нуклеиновых кислот — участников гиперцикла (цикл коллективных превращений приобретает индивидуальность!). Катализатор может обеспечить синтез из продуктов побочных реакций оболочки, которая изолирует всю систему от неблагоприятного воздействия внешней среды и позволит ей использовать все производимые ею вещества исключительно для собственной пользы. Фактически это означает уже образование какого-то подобия живой клетки. Чрезвычайно жесткая конкуренция различных циклов приводит к очень быстрому отбору и эволюции с наследственным закреплением малейших селекционных преимуществ. Таким образом, даже простой и первоначально не слишком эффективный гиперцикл с участием нуклеиновых кислот и белков-ферментов несет в себе мощный заряд развития.

Мы многого ждем

Все сказанное не дает еще ответа на один вопрос, как возникла первая самовоспроизводящаяся система, которая, как мы видим, должна уже находиться на довольно высоком уровне организации. Эйген убедительно показывает, что фаза самоорганизации действительно создает необходимые предпосылки для дальнейшей биологической эволюции. Но как протекает первая, химическая фаза эволюции?

Главная проблема первой фазы возникновения жизни — конкретный химический механизм возникновения систем не просто упорядоченных, а способных к самовоспроизведению и эволюции, таких, как гиперциклы Эйгена. На первой фазе, собственно, нет и эволюции. Пока отсутствует самоорганизация, никакое «накопление опыта» и целенаправленное усложнение невозможно. Природа набредает на цикл самовоспроизведения, двигаясь вслепую. Но если цикл самовоспроизведения в принципе возможен, то рано или поздно он осуществится. Здесь достаточно, чтобы повезло лишь раз: дальше все закрутится само собой.

Условия, необходимые для образования первичных белково-нуклеиновых гиперциклов, по всей видимости, существовали когда-то на Земле. Эйген указывает, что подходящей отправной точкой могли бы быть коацерватные капли органического вещества, впервые описанные еще академиком А. И. Опариным, или же микроскопические частички, защищенные оболочкой из поверхностно-активных веществ, которые, как было показано в лабораторных опытах, образуются при случайной конденсации аминокислот в условиях, близких к существовавшим в первобытном океане.

Эволюция могла начаться с коротких нуклеиновых цепочек, способных к устойчивому и самостоятельному воспроизведению, которые, вместо того чтобы уничтожать друг друга в конкурентной борьбе, объединились бы в каталитический гиперцикл с участием случайно оказавшихся поблизости примитивных белковых молекул. Скорее всего, существующий ныне состав нуклеиновых кислот и белков (4 типа азотистых оснований в ДНК и 20 аминокислот во всех белках всех живых организмов), а также соответствие между последовательностью азотистых оснований ДНК и аминокислотами белков, которые они кодируют, возникло в значительной мере случайно, и один из множества подходящих вариантов был впоследствии закреплен конкуренцией и отбором.

Теория Эйгена плодотворна своей физической содержательностью. Она опирается на конкретные химические механизмы самоорганизации и потому дает неизмеримо больше, чем все абстрактно-многозначительные, по существу, ничего в мире не моделирующие модели, расплодившиеся с легкой руки кибернетиков. Она конкретно показывает, как невообразимо сложное могло произойти естественным путем из относительно простого. Кружево само сплетается из нитей, обладающих прирожденным свойством сплетаться, и все, что есть удивительного в жизни, развивается, непрестанно усложняясь, без нарушения обычных физических законов. Сложность, «неведомое», возникает из известного, «простого», подчиняясь определенным — и тоже по существу простым — законам самодвижения эволюционирующих систем.

Автор: Л. Письмен.