Николай Кукушкин - Хлопок одной ладонью

• Название: Хлопок одной ладонью
• Автор: Николай Кукушкин
• Жанр: Биология
• Год: 2020
• ISBN: 978-5-0013-9315-3

Жизнь на Земле – непостижимая, вездесущая, кишащая миллионами ног, сучков, колючек и зубов вакханалия, в которой мы существуем и из которой мы происходим. Три с половиной миллиарда лет она обходилась без нас, и вот, в последние мгновения истории, из этого хитросплетения животных, растений, грибов и микробов выныривает человек и задается вопросом: кто я такой и в чем смысл моей, человеческой, жизни? В своей дебютной книге эволюционный нейробиолог Николай Кукушкин шаг за шагом воссоздает картину мира от неживой материи до человеческого разума, чтобы найти в прошлом своего вида ответы на вечные вопросы. Оказывается, в человеческом страдании виноваты динозавры, легкие существуют благодаря лишайникам, а главным событием в жизни наших предков за последний эон было превращение в червей. «Хлопок одной ладонью» – это история человека и его внутреннего мира, вмещающая в себя весь путь от неорганических молекул до возникновения языка и рассказанная так, будто это рыцарский роман или мифический эпос.

---

КСТАТИ

В советские времена пользовалось популярностью определение жизни по Фридриху Энгельсу: «Жизнь – способ существования белковых тел»7. Это цитата из любопытного спора о происхождении жизни.

Источник – комментарий Энгельса к статье биолога Морица Вагнера, опубликованной в 1874 г. Вагнер, опираясь на размышления великого химика Юстуса фон Либиха, доказывает, что жизнь подобна материи, ее невозможно создать или уничтожить, она всегда есть, всегда была и, наверное, есть везде. Вот на Нептуне, например, наверняка все кишит бактериями. (Планета Нептун названа в честь римского морского бога, потому что выглядит синей, как будто покрытой сплошным океаном. Сегодня мы знаем, что, хотя на Нептуне действительно есть вода, к жизни он совершенно непригоден, а своим цветом обязан не океану, а облакам метана8.)

Энгельс на это с презрением обзывает Либиха с Вагнером дилетантами и заявляет, что создать жизнь с нуля – пара пустяков, надо только научиться синтезировать белки. Вот полная цитата:

«Жизнь – это способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка. ‹…› Если когда-нибудь удастся составить химическим путем белковые тела, то они, несомненно, обнаружат явления жизни и будут совершать обмен веществ, как бы слабы и недолговечны они ни были»[3].

Интересно, что для Энгельса жизнь – это белок плюс метаболизм. (Еще интереснее, что смерть – «разложение белка».) В остальном в споре между Вагнером, Либихом и Энгельсом обе стороны сегодня смотрятся наивно. Конечно, никто из них ничего не знал про гены, ДНК и механизм наследственности, поэтому в принципе не мог адекватно судить о происхождении жизни. Но эта пропасть знания, отделяющая нас сегодняшних от современников Энгельса, гораздо шире, чем генетика. Ученым 1870-х гг. казалось, что клетка есть сгусток белка, что от простой клетки – бактерии, например – рукой подать до неживой материи. С общим развитием биологии и особенно с появлением электронных микроскопов стало понятно, что любые, даже самые примитивные, клетки настолько сложны, что «составить химическим образом» клетку с нуля в обозримом будущем можно даже и не помышлять.

Что вообще такого уж дикого в сборке боинга ураганом? Дело не в принципиальной способности спонтанных событий порождать нечто сложное – дело в том, насколько сложным должно быть спонтанное событие, породившее жизнь. Самое известное свидетельство того, что ураганы в принципе могут что-то собрать на свалке, – это знаменитый эксперимент Миллера – Юри, который в 1953 г. показал, что, если в замкнутой колбе долго греть и бить током простейшие молекулы, из них образуется масса сложных и интересных органических соединений9. Если бы в колбе у американского химика Гарольда Юри и его студента Стэнли Миллера возникли целые клетки, то боинг был бы собран, а вопрос о происхождении жизни фактически решен. Но даже получившиеся у них аминокислоты и сахара – это огромный шаг от неживого к живому, и мы точно знаем, что этот шаг возможен.

Метафора «боинга, собранного ураганом», озвучивает другую проблему. Дело не в том, что на свалке нет нужных исходных деталей или что вихрь физически не может собрать самолет, эти возможности предусмотрены самим включением свалки и урагана в метафору. Свалка – источник вещества, где, если поискать, можно найти все, что требуется. Ураган – внешний источник энергии, обладающий достаточной силой, чтобы поднять и столкнуть между собой нужные детали. Проблема не в слабости урагана или отсутствии деталей, а в том, что ураган не знает, какие детали как сталкивать. Он не обладает информацией, нужной для правильной сборки боинга, – а это огромное количество информации, описывающей каждое сочленение каждой детали, каждую химическую связь. А если не знает ураган, то кто-то, следуя логике метафоры, должен знать. Но между абиогенезом и случайной сборкой боинга ураганом есть несколько принципиальных отличий. Во-первых, никто не утверждает, что боинг, то есть Лука, должен был собраться разом, в один этап. Наоборот, совершенно очевидно, что его сборка шла постепенно, от более простых вариантов к более сложным, причем подавляющее большинство собранных конструкций быстро развалились и были забыты. Во-вторых, каждый из успешных вариантов обладал способностью собирать свою собственную копию. То есть протобоинги должны были быть не столько примитивными самолетами, сколько боингособирающими роботами. Наконец, нет никаких оснований полагать, что ураган пронесся по свалке всего один раз. Вполне возможно, что ураган длился миллиарды лет, все это время концентрируясь на одной и той же свалке.

Все это растягивает метафору боинга до неузнаваемости, но существенно упрощает мысленную гимнастику вокруг происхождения Луки. Если представить, что определенная и не очень сложная комбинация деталей на свалке создает в результате машину, которая ездит по свалке и собирает себе подобные машины, то такую машину достаточно собрать один раз, дальше цикл сборки станет самовоспроизводящимся и размножающимся, а со временем случайные изменения приведут к разнообразию и постепенному изменению машин-потомков. Это решает главную проблему урагана-сборщика: отсутствие информации. Ураган не знает, что нужно собирать, но кто-то знает – так вот, самовоспроизводящаяся машина и есть этот кто-то. Она обладает информацией (собственной структурой), которую умеет воплощать в реальность (создавать такую же структуру), а все последующее – лишь постепенные изменения этой исходной информации.

Машина для производства себя

Короче говоря, чтобы представить происхождение жизни, совсем необязательно представлять, как из камня и воды возникает готовая клетка с ДНК, РНК и белками. Представить себе нужно самую простую самовоспроизводящуюся машину, которую только возможно представить, а потом придумать, что за ураган (источник энергии) и на какой свалке (источник вещества) мог такую машину породить. Этим и занимаются исследователи абиогенеза: пытаются найти простейшую систему самовоспроизведения и придумать ей реалистичное место рождения.

Даже это, впрочем, задача изрядной сложности. Происхождение Центральной догмы – это как загадка про курицу и яйцо, только с тремя компонентами. Чтобы из одного организма сделать другой, нужно удвоить его ДНК, РНК и белки. Чтобы сделать ДНК или РНК, нужны белки. Чтобы сделать белки, нужны РНК и ДНК. Представить, что одна из этих молекул появляется случайным образом из неживых компонентов, еще можно, хотя и тут нужно много фантазии. Но представить, что все три молекулы появляются случайно независимо друг от друга и самопроизвольно сливаются в свой сложнейший многоступенчатый танец, – это уже слишком. Нужно более простое начало.

Сегодня наибольшей популярностью пользуется идея о том, что таким более простым началом, предшествующим Луке и Центральной догме, был так называемый РНК-мир10–13. В основе этой гипотезы лежит уже упоминавшийся факт: РНК – это в каком-то смысле нечто среднее между белком и ДНК. Она может одновременно воспроизводить информацию (благодаря комплементарным свойствам своих нуклеотидов) и выполнять химические реакции (благодаря реакционной способности и склонности к сложным трехмерным структурам).

ДНК – прекрасный архив информации. Она химически стабильна, а ее двойная спираль – встроенный механизм копирования. Но молекула ДНК ничего не умеет делать. Белки – идеальные машины, многофункциональные, как швейцарский нож. Но белки не умеют себя копировать: каждая молекула белка собирается с нуля на рибосоме. По сравнению с этими двумя молекулами РНК, на первый взгляд, проигрывает: архив из нее не очень хороший из-за нестабильности, а машина и вовсе посредственная, потому что всего с четырьмя похожими друг на друга деталями в функциональном смысле не разбежишься. Но РНК уникальна в природе тем, что она может быть и архивом, и машиной одновременно.

Именно поэтому РНК занимает центральное место в фантазиях биологов о происхождении жизни. Самый простой способ представить, как могла появиться Центральная догма, – это сначала представить себе самодостаточную, самокопирующуюся молекулу РНК, а затем то, как эта РНК обзавелась белками, научившись превращать свою собственную четырехбуквенную последовательность в совершенно новую, более многофункциональную цепь из 20 аминокислот. Это открыло перед РНК невиданные возможности для оптимизации собственных функций, включая производство более стабильного, двухцепочечного архива – молекулы ДНК.

КСТАТИ

РНК-мир – ни в коем случае не установленный факт, а только гипотеза: при написании этой книги, например, мне пришлось отбиваться от знакомых эволюционистов, яростно и вполне убедительно доказывающих, что первыми должны были появиться не нуклеиновые кислоты, а белки, то есть что Берцелиус со своем термином «протеин» («первовещество») попал в точку.