Чтение онлайн

Метод поиска происхождения жизни «сверху вниз» — это поиск LUCA (Last Universal Common Ancestor, Последнего универсального общего предка) — самого последнего организма, от которого вся существующая жизнь должна была унаследовать свои общие биохимические структуры. То, что жизнь происходит от LUCA, а не из множества источников, кажется весьма вероятным, поскольку существует огромное единство земной жизни: все организмы, за редкими исключениями, используют один и тот же генетический код, который позволяет последовательности ДНК определять полипептид; все организмы используют ДНК для переноса генетической информации; и так далее. Если LUCA был достаточно прост, если он существовал на очень ранней стадии истории Земли — и если мы сможем детально понять LUCA — тогда мы могли бы вывести, как он возник. К сожалению, биологи могут продвинуть этот подход лишь до определенного предела. Одна из часто рисуемых картин заключается в том, что LUCA уже был сложным организмом, который значительно эволюционировал со времени первого возникновения жизни, прежде чем разделился на домены архей и бактерий. Позже, согласно этой картине, эукариотический домен отделился от архей. Формирование сложной эукариотической клетки, вероятно, произошло, когда один прокариот «съел» другого (или, в зависимости от вашей точки зрения, один прокариот «заразил» другого — с такого расстояния трудно различить эти два случая). Такая договоренность, должно быть, приносила пользу обеим сторонам, и внутренние бактерии (были ли они изначально пищей или паразитами) передавались из поколения в поколение. Эта картина достаточно сложна, но поскольку многочисленные биохимические лаборатории мира почти ежедневно открывают новую информацию, картина становится еще более запутанной. Обычно мы думаем, что генетическая информация передается только вертикально — от родителя к ребенку. В начале истории жизни, однако, горизонтальный перенос генов между различными типами организмов, по-видимому, происходил часто. Этот горизонтальный перенос генетической информации означает, что простые линии происхождения запутываются.

Вместо того, чтобы увязнуть в деталях LUCA, мы можем рассмотреть подход «снизу вверх» к вопросу происхождения жизни. Мы можем спросить: как возникли универсальные химические вещества жизни — нуклеиновые кислоты и белки? Если мы сможем это понять, то, возможно, сможем заполнить пробел между подходами «снизу вверх» и «сверху вниз». Возможно, мы сможем понять, как неодушевленная материя стала живой.

Нуклеиновые кислоты

Если какая-либо молекула заслуживает звания «молекулы жизни», то это, безусловно, должна быть дезоксирибонуклеиновая кислота[347] — ДНК. Согласно определению, представленному ранее, два ключевых аспекта жизни заключаются в том, что она обладает метаболизмом и передает информацию через процесс размножения. Молекула ДНК является центральной для обоих этих аспектов. Ее роль в синтезе белков, которые, в свою очередь, обеспечивают метаболизм, описана ниже. Здесь давайте сосредоточимся на репродуктивном аспекте и кратко рассмотрим, как ДНК может реплицировать себя, обеспечивая при этом достаточное разнообразие, на которое может действовать естественный отбор.

Молекула ДНК представляет собой полимер нуклеотидов. Нуклеотид состоит из трех частей.

Во-первых, он содержит сахар дезоксирибозу. Сахар содержит пять атомов углерода, обычно нумеруемых штрихами — от 1? до 5? (произносится «один штрих», «два штрих» и так далее). Сахар похож на рибозу, но ему не хватает гидроксильной молекулы в положении 2?.

Во-вторых, он содержит фосфатную группу. Нуклеотиды могут соединяться вместе, образуя длинные цепи посредством так называемых фосфоэфирных связей — связей между фосфатной группой одного нуклеотида и сахарным компонентом следующего нуклеотида. Сахарофосфатные цепи образуют остов ДНК; в знакомом представлении ДНК как «лестничной» молекулы сахарофосфатные цепи образуют «перила» лестницы. Цепь можно удлинять неограниченно, просто присоединяя больше нуклеотидов через большее количество эфирных связей; молекула ДНК может иметь длину от примерно 100 до нескольких миллионов нуклеотидов. Независимо от того, насколько длинной становится цепь, всегда есть два конца. Один конец имеет свободную группу –OH у 3?’ углерода (3? конец), а другой конец имеет фосфорную кислотную группу у 5? углерода (5? конец).

В-третьих, он содержит пару азотистых оснований. Они образуют «ступени» лестницы ДНК. Основание связано с сахаром дезоксирибозой у 1? углерода. Основанием может быть либо один из пуринов, аденин (А) или гуанин (Г), либо один из пиримидинов, цитозин (Ц) или тимин (Т). Биохимики представляют нуклеотид как последовательность в цепи, начиная с 5?-конца и определяя основания в том порядке, в котором они связаны; таким образом, типичную последовательность ДНК можно записать как –Г-Ц-Т-Т-А-Г-Г-.

Рис. 5.19 Структура двойной спирали ДНК показана здесь в виде компьютерной иллюстрации. (Автор: Национальный институт исследований генома человека)

Одним из ключевых достижений науки 20–го века стало осознание того, что ДНК в ядерном материале клеток имеет две нити, скрученные друг вокруг друга, образуя двойную спираль, так что одна нить всегда связана с комплементарной нитью. Основание Г всегда находится напротив основания Ц, основание Т всегда находится напротив основания А. Эта комплементарность возникает потому, что только эти комбинации пар оснований могут образовывать между собой водородные связи и удерживать две нити вместе. Отдельная водородная связь слаба, но обычная молекула ДНК содержит так много пар оснований, что две нити крепко удерживаются вместе. Эта комплементарность также означает, что вся информация содержится в одной нити ДНК — и допускает возможность репликации и размножения. (До недавнего времени практически вся земная жизнь, когда-либо существовавшая, имела свою биологическую информацию, закодированную четырьмя буквами, двумя парами оснований: Г и Ц; Т и А. На момент написания этой статьи биологи объявили о создании полусинтетических бактерий, чья сконструированная ДНК содержит две дополнительные буквы,[348] X и Y. Другими словами, у этих модифицированных клеток E. coli есть третья пара оснований — эти клетки представляют собой новый тип жизни. Кто знает, куда нас приведут достижения синтетической биологии?)

Рис. 5.20 Остов молекулы ДНК состоит из длинных цепей сахара дезоксирибозы и фосфатных групп. Азотистые основания в каждой спирали образуют связи, но они должны подчиняться правилам спаривания: аденин напротив тимина, а цитозин напротив гуанина. (Автор: Национальный институт исследований генома человека)

Процесс репликации ДНК начинается, когда фермент под названием ДНК-геликаза частично расплетает двойную спираль в области, известной как репликационная вилка. В репликационной вилке находятся две нити ДНК, одна из которых является матричной нитью. Когда основания теперь открыты, фермент, называемый ДНК-полимеразой, занимает позицию и начинает синтез нити ДНК, комплементарной матрице. Фермент считывает последовательность оснований на матричной нити в направлении от 3?-конца к 5?-концу и добавляет нуклеотиды к комплементарной нити по одному — всегда Г к Ц и А к Т. (Таким образом, последовательность на матричной нити –Г-Ц-Т-Т-А-Г-Г– станет –Ц-Г-А-А-Т-Ц-Ц– на синтезированной комплементарной нити, которая растет в направлении от 5? к 3?.) В конечном итоге образуется полная комплементарная нить; ДНК-полимераза катализирует образование водородных связей между нуклеотидами на двух нитях, и может образоваться новая двойная спираль. Пока весь этот процесс происходит, довольно более сложный процесс производит новую нить, комплементарную другой исходной нити (или отстающей нити). Чистый результат — создание двух идентичных копий исходной двойной спирали ДНК, и каждая новая спираль содержит одну нить исходной. У нас есть механизм репликации.

Рис. 5.21 Специфическое спаривание нуклеотидных оснований — А с Т, Ц с Г — позволяет ДНК реплицироваться; это основа наследственности. Когда двухцепочечная молекула ДНК реплицируется, две цепи разделяются в репликационной вилке. Ферменты (не показаны) затем добавляют новые основания к двум цепям, следуя правилам спаривания. В результате получаются две молекулы, обе идентичные исходной. (Автор: Мадлен Прайс Болл)

Описанный выше процесс представляет собой упрощенную версию того, что происходит на самом деле. Один из аспектов, который я опустил, — это роль РНК в репликации ДНК. Рибонуклеиновая кислота — это другой основной тип нуклеиновой кислоты, и она также выполняет ключевые функции для жизни на Земле. Между ДНК и РНК существует несколько различий. Структурное различие заключается в том, что РНК обычно появляется в клетках в виде одиночной цепи нуклеотидов, а не в виде двойной спирали ДНК; Молекулы РНК также обычно меньше молекул ДНК. Существуют также два химических различия между молекулами. Во-первых, нуклеотиды РНК содержат сахар рибозу, а не дезоксирибозу (отсюда разница в названиях двух молекул). Во-вторых, РНК использует основание урацил (У) вместо тимина. Существует также основное функциональное различие между двумя кислотами: ДНК существует исключительно для хранения генетической информации в последовательности своих нуклеотидных оснований, тогда как молекулы РНК выполняют действия. Существует несколько типов РНК, каждый из которых выполняет разные задачи, и ниже мы рассмотрим три из них — матричную РНК (мРНК), рибосомную РНК (рРНК) и транспортную РНК (тРНК).

Способность ДНК к репликации — это секрет способности жизни к воспроизводству. Эта способность объясняет, почему потомство похоже на родителей: змеи порождают змей, дятлы порождают дятлов, люди порождают людей. Но для того, чтобы жизнь эволюционировала и виды превращались в другие виды, наследственность должна быть несовершенной. Должна быть некоторая вариация среди потомства: естественный отбор не может адаптировать то, что не изменяется. К счастью, вариации могут возникать при репликации ДНК. Время от времени происходит мутация: происходит изменение в последовательности нуклеотидных оснований. Эти мутации происходят случайным образом из-за радиационного повреждения, химических агентов и просто из-за ошибок в процессе репликации ДНК. (Частота мутаций удивительно мала благодаря различным проверкам, которые происходят при репликации ДНК. После первой стадии репликации есть две стадии исправления ошибок: корректура и исправление несоответствий. Эти дополнительные стадии минимизируют частоту ошибок до 1 на 109.) Если ошибка происходит в части ДНК, кодирующей белок (подробнее об этом ниже), то мутировавшая ДНК будет производить другой белок. Обычно мутация будет вредной или, по крайней мере, нейтральной. Однако иногда новый белок будет лучше выполнять задачу, чем исходный белок, и мутация будет полезна для организма (и, возможно, увеличит вероятность выживания организма и, таким образом, благодаря увеличению числа потомков, его собственного дальнейшего существования). Мутации дают естественному отбору материал для работы.

Если бы все, что делали нуклеиновые кислоты, — это репликация, то они были бы лишь незначительно интереснее самореплицирующихся кристаллов. Хотя ДНК может хранить генетическую информацию, она была бы мало полезна, если бы информация не извлекалась и не использовалась. Это было бы похоже на публичную библиотеку, забитую книгами, но никому не разрешалось бы читать ни один из томов. Что делает нуклеиновые кислоты такими увлекательными, так это то, что они кодируют и конструируют белки. А белки — это то, что делает жизнь такой интересной. Белки позволяют жизни действовать.

Белки

Белки — это сложные макромолекулы, обладающие огромной универсальностью. Они функционируют как ферменты (которые делают возможным метаболизм клетки), они действуют как гормоны (таким образом, обеспечивая регуляторную функцию; инсулин — распространенный пример), и они обеспечивают структуру (наши ногти, волосы, мышцы и хрусталики глаз — все это белки).

Белок представляет собой длинную последовательность аминокислот, свернутую в трехмерную структуру. Определенная последовательность аминокислот сворачивается в определенную структуру. Измените последовательность, и вы измените способ сворачивания белка и, следовательно, задачу, которую белок может выполнять, поскольку биохимическая задача, которую может выполнять белок, критически зависит от его формы в трех измерениях. Белки используют двадцать различных аминокислот. Природа содержит много других аминокислот, и некоторые из них важны в биологии, но белки используют только двадцать. Все аминокислоты имеют общую структуру: аминогруппу (H2N), остаток или R-группу (CHR) и карбоксильную группу (COOH). Общая структура записывается как H2N–CHR–COOH, и цепь образуется путем связывания аминоконца с карбоксильным концом пептидными связями. (Цепь аминокислот, таким образом, называется полипептидом; белок — это просто один или несколько полипептидов.) Что делает каждую аминокислоту уникальной, так это боковая цепь R: разные аминокислоты имеют разные R-группы и, следовательно, обладают разными свойствами. Например, некоторые боковые цепи создают гидрофобную аминокислоту; такие аминокислоты имеют тенденцию скапливаться внутри белка и, таким образом, играют роль в определении трехмерной структуры молекулы. Другие боковые цепи делают аминокислоту гидрофильной — другими словами, она легко реагирует с водой.