Гіпотеза Світу РНК – перше підтвердження

Андрій М. Заморока

Виникнення життя на Землі все ще залишається найбільшою нерозкритою таємницею у науці. Над розгадкою цього неймовірного конундруму трудяться найкращі дослідницькі команди біологів, хеміків, ґеологів і астрономів, а лік затраченого ними часу уже пішов на століття. То чи є проґрес у їх зусиллях? З упевненістю можна сказати: “ТАК”. Після низки хибних висновків, які вели дослідників манівцями впродовж багатьох десятиліть і зрештою заходили у глухі кути, нарешті проблему вдалось розв’язати.

Існує велика кількість гіпотез виникнення життя, це і гіпотеза первісної зупи Опаріна-Голдейна, і гіпотеза світу заліза й сірки Вехтерсхойзера, і гіпотеза глиняного або кристалічного життя Кернса-Сміта, і гіпотеза світу протеїнів Фокса, і гіпотеза світу ліпідів Ланцета й колег, і ще ціла низка инших. Але в усіх них є одна суттєва вада — це відсутність етапу виникнення спадковості, адже ключовою ознакою життя є розмноження і відтворення собі подібних – передача спадкової інформації нащадкам. Усі ці гіпотези формувались намагаючись хоча б якось обійти проблему переходу від складної небіологічної органічної хемії до власне життя зі спадковістю. Попри те, що кожна з цих гіпотез мала вагому експериментальну складову, жодна з них так і не змогла пояснити складну хемію спадковості, упираючись у центральну догму молекулярної біології.

Нагадаю, що центральна догма молекулярної біології, сформульована Френсісом Кріком ще у 1958-му році, пустулює, що інформація у живих системах передається лише в одному незворотному напрямку з ДНК на РНК і далі на білок. Пізніше, коли відкрили механізми передачі інформації у вірусів, виявилось, що інформація може зворотно передаватись з РНК на ДНК і більше того — з РНК на РНК. Але білки у цих процесах залишались невблаганними – інформація з них ніякими шляхами не переноситься на нуклеїнові кислоти. І це при тому, що усе сучасне життя є білковим! І це власне був глухий кут, адже білок можна синтезувати небіологічним шляхом, але як “запхати” інформацію про нього у ДНК — загадка.

Золотою ідеєю, яка вирішувала проблему спадковості у процесі виникнення життя, стала гіпотеза світу РНК, запропонована у цілісному вигляді Вальтером Ґілбертом у 1986-му році. Ідея полягала в тому, що відносно проста молекула РНК виникла як предтеча біологічного життя, оскільки у сучасній молекулярній кухні клітин вона задіяна в усіх ключових процесах передачі інформації. Однак, небіологічний синтез РНК є дуже складним завданням, оскільки ключовий цукор — рибоза — у її складі є нестабільним і руйнується у водному середовищі. Ще ціла низка проблем небіологічного синтезу РНК зразу ж породили шквал критики стосовно світу РНК. Одначе з часом більшість проблем хемічного синтезу РНК було вирішено і підтверджено експериментально. Загалом, ця гіпотеза стала однією із найбільш прийнятних у сучасних візіях виникнення життя і його ключової властивості – спадковості.

Найбільшою проблемою у небіологічному синтезі РНК є багатоетапність цього процесу, причому частина компонентів повинна синтезуватись в одних умовах, а інша — у інших. Потім ці компоненти повинні бути змішаними для остаточного утворення РНК. Цей процес отримав назву переривчастої моделі синтезу РНК і досі залишався найбільшою проблемою для світу РНК. При цьому багато сполук, наприклад, борати – похідні борної кислоти, можуть зв’язуватись із рибозою й блокувати подальший синтез РНК. Схоже, що цю проблему тепер вирішено експериментально, що розкрито у нещодавно опублікованому дослідженні.

Виявилось, що ранні інтерпретації ролі сполук боратів і рибози мали хибну інтерпретацію щодо зупинки небіологічного синтезу РНК. Насправді, борати стабілізують структуру рибози і в умовах ранньої Землі забезпечували накопичення цих органічних “напівмінералів” у великих кількостях. Цікаво, що дослідники розглянули не “первісну зупу” як середовище утворення РНК, а лавові поля первісної Землі, де фактично увесь процес синтезу відбувався на вулканічному шклі, лише періодично зволожуваному водою. Виглядає так, що вулканічне шкло є каталізатором усього процесу. У лабораторному експерименті продемонструвано, що за таких умов утворюються правильні ланцюжки РНК із щонайменше шести нуклеотидів. Однак, як припускають вчені, довжина таких ланцюгів РНК може сягати декілька сотень нуклеотидів. Насправді, це дуже вагомий результат, який фактично повністю вирішує проблему небіологічного утворення РНК у природних умовах первісної Землі.

Тут вартує зазначити, що умови первісної Землі були далеко не такими тепличними як сьогодні. За мільярди років біосфера — жива оболонка Землі, до невпізнання змінила планету, пристосовуючи її під свої потреби. Відповідно і поверхня Землі, і атмосфера, і гідросфера пройшли багатоступінчасті шляхи еволюції. Після формування Землі і Місяця внаслідок зіткнення Протоземлі й Теї, практично усе залізо із асоційованими з ним металами, наприклад нікелем, золотом, платиною, опустились у ядро, окиснивши мантійні гази. У цей же час відбулась дегазація мантії, яка виділила у атмосферу три основні компоненти: вуглекислий газ, азот і водяну пару. Таким чином, первісна атмосфера Землі уже на початку свого існування була окисненою. Вчені вважають, що ця атмосфера була “фригідною” — непридатною до синтезу органіки, на противагу знаменитому досліду Стенлі Міллера і Гарольда Юрі, проведеному 1953-го року. Тоді дослідники використали суміш метану, аміаку, водню і водяної пари для небіологічного синтезу органічних речовин зокрема амінокислот. Дослід Міллера-Юрі продемонстрував, що для абіоґенези — утворення органіки хемічним шляхом, потребується відновлена атмосфера, якої на Землі не існувало.

Відновлення атмосфери Землі могло відбутись лише за умови надходження колосальних обсягів заліза, яке при високих температурах взаємодіяло із вуглекислим газом, азотом і водою. Як припускають вчені, джерелом заліза став астероїд масою близько сто квадрильйонів тон, що зіткнувся із Землею. Наслідком цього стало наповнення атмосфери новоутвореними метаном, аміаком, молекулярним воднем, чадним газом і ціанідами, головно, синильною кислотою та іншими воднемісткими сполуками. Слід відмітити, що це відбулось миттєво підчас зіткнення за лічені хвилини, можливо години. А цей склад атмосфери уже більше нагадував створений в експерименті Міллера-Юрі і саме завдяки цьому відбулись усі ключові процеси абіоґенези — поверхня Землі вкрилась мазуткою плівкою органіки. Дослідники вважають, що утворення органіки тривало дуже короткий період від 100-а тисяч до 10-ти мільйонів років.

Неймовірно, однак виникнення життя очевидно було не тривалим, а радше миттєвим за геологічними мірками процесом. Тільки-но зважте на це мірило: щонайраніші палеонтологічні сліди життя достовірно відомі 4,1 мільярди років тому; молекулярні годинники вказують на існування спільного предка усіх живих істот на Землі 4,2 мільярди років тому; ймовірна абіоґенеза стартувала приблизно 4,3 мільярди років тому; Земля і Місяць повністю сформувались приблизно 4,5 мільярдів років тому. Тобто часу на виникнення життя у його теперішньому розумінні було всього 100 мільйонів років або лише 2,2% часу від усього існування Землі! А цей час міг бути ще більш коротшим…

Але повернімось до згаданого вище дослідження. Вчені запропонували струнку експериментально підтверджену модель синтезу РНК, яка складається із шести етапів. На першому етапі у окисненій атмосфері утворюються формальдегід і глікольальдегід. Тут слід зауважити, що ці сполуки також можуть утворюватися у протопланетних дисках відкритого космосу, тому на первісну Землю могли потрапити і з кометами та метеоритами. На Землі ці сполуки взаємодіяли із сірчистим газом атмосфери з утворенням сульфонатових аддуктів. Далі (етап 2) ці найпростіші цукри випадали разом з дощами, накопичуючись у базальтових порожнинах, де взаємодіяли між собою і вимитими з порід боратами. Тут утворювались напіворганічні мінерали стабілізованих боратом цукрів, у тому числі й рибози — важливого компоненту РНК. Ці два етапи можуть відбуватися у окисненій атмосфері, а от для наступних необхідна відновлена атмосфера внаслідок падіння астероїда.

На третьому етапі утворилися циклічні фосфат-рибози. Цей етап завжди був одним із найбільш проблемних для гіпотези світу РНК, адже фосфати є малорозчинними сполуками і їх вивільнення у достатніх кількостях потребує або дуже тривалого часу, або якихось неординарних подій (наприклад, падіння астероїда). Дослідники вказують, що потенційними джерелами фосфатів були вулканічні породи, уламки від астероїда зі сполуками заліща і фосфору, а також сольові кірки у висохлих калабаньках на вулканічних породах. На четвертому етапі, утворені у відновленій атмосфері азотисті основи, зв’язуються із циклічною фосфорибозою, утворюючи нуклеозиди без фосфату і нуклеодити із фосфатом. На п’ятому етапі, за участі боратів у присутності йонів нікелю й неорганічного фосфату, до нуклеотидів приєднується по одному чи два залишки фосфатів, завдяки яким на останньому етапі відбувається полімеризація. Цей останній процес і є утворенням РНК, який, до слова, відбувається саме на вулканічному шклі як каталізаторі.

Як бачимо проблемні питання світу РНК фактично вирішені, ба більше — підтверджені експериментально. На первісній Землі ці процеси повторювались майже нескінченну кількість разів у різних варіяціях і з дуже різним результатом, що у підсумку запустило життя як явище.

Одначе, чого вчить нас ця історія? По-перше, якщо існують умови для виникнення життя, то воно з’явиться практично неминуче і дуже швидко — майже миттєво. По-друге, життя очевидно є далеко не таким поширеним як би нам того хотілось чи ми собі думаємо, адже відновлення атмосфери падінням астероїда потрібної маси і хемічного складу знижує ймовірність виникнення потрібних передумов. Гляньте-но лише на Марс чи Венеру — у них типово окиснені атмосфери і життя на них відсутнє. А на Титані колосальні запаси органіки, але це зледенілий світ і життя там з високою ймовірністю також відсутнє. А чи є життя на Європі чи Енцеладі? Скоріше ні, ніж так. Але якщо нам коли-небуть пощастить зустріти інопланетне життя і воно буде не на основі нуклеїнових кислот, то нам належатиметься розгадати нову, небачену до того хемію…