РНК-овая жизнь. 
Биогенез или возникновение жизни

креационизм эволюция панспермия витализм Как же возникли такие сложные молекулы, столь согласованно друг с другом работающие, обеспечивающие сопряженные метаболические процессы в клетке? На этот вопрос пока никто не может дать полный ответ. Однако некоторые детали известны. Известен путь, на котором можно найти ответ.

Для нас эта нерешенная задача — происхождение жизни на Земле. Мы видим последнее звено этой цепи — жизнь существует. И по результатам многочисленных исследований мы можем представить себе атмосферу молодой Земли, процессы, которые на ней происходили. Жизни тогда еще не было. То есть, у нас есть первое и последнее звено, но у нас нет промежуточных этапов. Если мы не видим промежуточных звеньев, нам кажется это чудом. Это «чудо» истолковывают по-разному: одни говорят, что жизнь была занесена из Космоса, другие считают, что жизнь кто-то создал; но мало кто представляет, что эти звенья можно реконструировать. На данный момент восстановить все эти звенья никто не может, но мы попытаемся представить некоторые из них, показать, каким способом можно реконструировать этапы возникновения жизни на Земле и ее развитие.

ДНК РНК БЕЛОК

Эта схема называется догмой молекулярной биологии. Она появилась в 50−60-е годы 20 века, когда стали ясны в общих чертах основные процессы синтеза ДНК, РНК и белка. Считалось, что это закон жизни — на матрице ДНК синтезируется РНК, на матрице РНК синтезируется белок. И функции «молекул жизни» были, казалось бы, ясны: ДНК хранит информацию, РНК ее переносит от ДНК к белку, белок выполняет всю работу в клетке. Но в 1975 г. схема изменилась:

ДНК РНК БЕЛОК

В 1975 г. Говард Темин и Дэвид Балтимор независимо друг от друга открыли обратную транскрипцию. Оказалось, что существует фермент ревертаза, который синтезирует ДНК на матрице РНК. Они за это открытие получили Нобелевскую премию.

Еще одно открытие, касающееся нашей темы (и тоже удостоенное Нобелевской премии), было сделано в 1989 году Сиднеем Олтменом и Томасом Чеком. Оказалось, что РНК может выполнять ферментативную функцию. Олтмен и Чек установили, что молекула РНК сама способна «откусить» от себя кусочек, и для этого ей не нужны никакие белки. Потом были найдены другие, более сложные формы каталитической активности РНК. РНК-ферменты были названы рибозимами (по аналогии с белковыми ферментами, энзимами).

Надо сказать, что рибозимы работают несколько медленнее белков, но, тем не менее, в некоторых ферментах РНК выполняют основную работу, а белки ей помогают, то есть без белков РНК выполняет свою работу гораздо хуже, но тем не менее может работать и без белков. Когда были открыты рибозимы, ученые — биологи стали ставить РНК в центр размышлений о происхождении жизни и о ранних этапах эволюции жизни. Во-первых, РНК — нуклеиновая кислота, которая может образовывать комплементарные связи, то есть ее можно реплицировать. РНК может выполнять функцию саморепликации, ферментативную также может выполнять, то есть она может работать как РНК-геном и как РНК-фермент.

Гипотеза о том, что РНК могла возникнуть раньше, чем ДНК и белки, была названа РНК-миром. Сейчас это считается общепризнанным фактом, хотя, строго говоря, нельзя исключить другие сценарии развития жизни. Гипотеза объясняет очень многое, гораздо больше, чем другие гипотезы. Гипотеза о том, что белки лежат у истоков жизни менее рациональная, так как надо искать еще и ответ на вопрос, почему белки, которые самореплицировались, утратили потом эту способность?

Гипотеза РНК-мира не говорит о самом начале возникновения живых молекул на Земле, она говорит о следующем этапе эволюции, когда биомолекулы существуют, существуют какие-то процессы, но мир еще не такой, как сейчас, к которому мы привыкли. ДНК в том мире еще нет, белков, видимо, тоже нет, хотя аминокислоты и олигопептиды уже есть, нет процесса трансляции, зато есть процесс транскрипции, только РНК не на матрице ДНК синтезируется, а на матрице РНК. Есть РНК-геном, на котором синтезируется рабочая молекула РНК-фермента. Некоторые авторы, пытаясь реконструировать особенности этого мира предполагают, что т-РНК — это реликт РНК-мира, и что РНК-геном был похож на т-РНК. Молекулы т-РНК участвуют не только в биосинтезе белков в качестве переносчиков аминокислот, но участвуют и в других процессах, в том числе и регуляторных.

Следующий появившийся процесс — трансляция. На РНК начали синтезироваться белки и есть множество гипотез, как и почему это произошло и почему это было выгодно. Считают, что последней появилась ДНК. Так как РНК менее стабильна, ДНК стала выполнять функции генома, а РНК сохранила только часть функций, которые имела в РНК-мире. ДНК-копии молекул РНК могли возникнуть в процессе обратной транскрипции. Но для того, чтобы считать информацию с ДНК, должен был появиться процесс ДНК-РНК транскрипции. Правда, совсем без РНК до сих пор обойтись не удается — ДНК-полимеразе для инициации синтеза ДНК требуется РНК-затравка.

Предполагаемый порядок появления функций живого такой: каталитические функции рибозимов и репликация РНК, затем добавляется трансляция, затем добавляется обратная транскрипция, после этого возникает репликация ДНК. Позже всего возникла компактизация ДНК — гистоны, нуклеосомы и суперспирализованный хроматин, но это произошло уже только у эукариот.

Интересно заметить, что все ныне живущие организмы используют один и тот же генетический код, и все основные метаболические процессы у всех организмов сходны. Считается, что все эукариоты произошли от одного общего предка. Общим предком считается сложный эндосимбионт, представлявший объединение нескольких организмов, обладавших разными свойствами и возможностями.

Этот общий предок, имевший все основные системы современных организмов (ДНК, РНК, белок), называется прогенот (прародитель).

Что было до этого, можно строить только гипотезы, но гипотезы эти должны быть обоснованы. Например, есть работы, в которых пытаются реконструировать метаболизм РНК-мира. Как это делают? В начале изучают метаболические процессы современной клетки и пытаются в них найти реликты РНК-мира. То есть если представить, что существовал РНК-мир, то современный метаболизм был «написан» поверх того, который существовал тогда. Например, мы знаем, что АТФ работает как донор фосфора, но донором фосфора могут быть и другие молекулы. Зачем же тогда сохранять молекулу, содержащую рибонуклеиновую часть? Предполагают, что это как раз реликт РНК-мира. Не только АТФ имеет функции, параллельные с другими веществами, но и множество рибонуклеиновых ко-факторов, то есть соединений, участвующих в ферментативных реакциях, служащих посредниками, «помощниками» в работе ферментов. Например, НАДФ — никотинамид динуклеотидфосфат и др. Проделав такой анализ, нашли процессы, которые могли быть представлены в РНК-мире. Интересно, что синтез жирных кислот, предположительно, не был представлен в РНК-мире, ведь для него нужны обязательные белковые компоненты, которых тогда не было.