Молекулярные биологи десятилетиями стремились решить сложную фундаментальную задачу — интерпретацию парадокса «курицы и яйца». В современной клетке существует строгое функциональное разделение. ДНК хранит генетическую информацию, но не может быть скопирована без участия белков-ферментов, а белки отвечают за проведение биохимических реакций, но «инструкция» по их сборке закодирована в ДНК. Так возникает замкнутый круг: одно не могло появиться без другого. До 1980-х годов ученые отводили РНК достаточно пассивную посредническую роль, однако затем выяснили, что она, как и белки, имеет способность к биологическому катализу. Этот факт лёг в основу новой эволюционной хронологии: РНК → Белки → ДНК → Клетки. Давайте поговорим об этих гипотетических этапах зарождения жизни подробнее.
- Эра РНК. Условия для жизни сформировались задолго до появления белков, ДНК и тем более клеток. Первенство появления РНК вполне вероятно, так как она может и хранить генетическую информацию, и ускорять химические реакции. В специфических условиях ранней Земли простые органические молекулы усложняли свою структуру и активно взаимодействовали, соединяясь в цепочки. Возможно, «колыбелью» РНК стали древние гейзеры или грязевые котлы, которые циклически заполнялись водой и пересыхали, концентрируя необходимые для синтеза вещества.
- Появление белков. РНК существовала внутри мембранных пузырьков протоклеток, где выполняла фундаментальные функции по самокопированию и первичному обмену веществ. По счастливой случайности в этих же микрокапсулах находились и простые аминокислоты. Из-за электростатического притяжения они цеплялись за нуклеотиды, стабилизируя хрупкую структуру всей цепи. Это запустило каскад химических трансформаций: молекула РНК стала матрицей, на которой отдельные аминокислоты собирались в первичные белковые макромолекулы. В дальнейшем случайный процесс превратился в направленный синтез — «выживали» только те белки, которые помогали РНК копировать саму себя и защищали её от разрушения.
- Появление ДНК. РНК и белки успешно взаимодействовали, но для появления сложных форм жизни этого было недостаточно. Из-за «лишнего» атома кислорода в составе рибозы вся цепь становилась уязвимой к гидролизу — распаду в водной среде. Более того, когда на отдельном участке РНК происходило повреждение, вся «накопленная» генетическая информация терялась безвозвратно. Так продолжалось до появления белкового фермента, способного отщеплять тот самый кислород у рибозы, трансформируя её в дезоксирибозу. Одновременно с этим азотистое основание урацил получило метильный защитный «хвостик» и было преобразовано в тимин. Благодаря этим процессам появилась стабильная двухспиральная молекула ДНК, устойчивая не только к гидролизу, но и к случайным повреждениям, ведь дефект на одной нити исправлялся по шаблону со второй.
- Формирование клеток. Можно сказать, что с появлением ДНК «паззл собрался» — были созданы все условия для формирования живых клеток современного типа. Пользуясь методами сравнительной генетики и биоинформатики, учёные смогли реконструировать генетический код одного из древнейших живых организмов, появившихся на Земле около 4 млрд лет назад, — LUCA (прим.ред.: от англ. «last universal common ancestor» — «последний универсальный общий предок»). Разумеется, LUCA не был единственным обитателем древней Земли, однако именно от него произошли бактерии и археи. Гораздо позже, в результате их уникального симбиоза появились эукариоты с ядерными клетками. Так открылась возможность для эволюции простейших, растений, грибов и животных.
Автор текста Иван Стефанов
Изображение: Magnific
