Основой, доказательной базой современной биологии служит эксперимент. Но как доказать экспериментально существование процессов, происходивших на Земле миллиарды лет назад? И как восстановить ход эволюции за все это необозримое время? Пока наука не имеет в своем распоряжении машины времени, чтобы перенестись на четыре миллиарда лет назад. Ставить эксперимент протяженностью даже в несколько миллионов лет также вряд ли кому придет в голову. Поэтому ученые в своих гипотезах о происхождении жизни вынуждены использовать лишь косвенные данные, полученные физиками, геологами, математиками, биологами и палеонтологами при изучении развития Земли и Солнечной системы в целом.
Опираясь на наиболее правдоподобную версию о распределении на ранней Земле химических элементов и веществ, ее климате, ученые строят догадки и компьютерные модели тех процессов, которые могли привести к образованию первых биологических молекул. А иногда им даже удается проверить свои предположения на практике.
Что же необходимо доказать, чтобы построить теорию возникновения жизни на ее молекулярном (доклеточном) этапе? Перечислим некоторые наиболее важные вопросы.
Во-первых, важно знать, возможно ли было в условиях молодой Земли спонтанное образование основных "строительных блоков" нуклеиновых кислот - нуклеотидов. Далее, в случае гипотезы РНК-мира, следует доказать, что возникшие нуклеотиды были способны иногда спонтанно объединяться в небольшие цепочки - олигонуклеотиды. Затем хорошо бы продемонстрировать, что у некоторых из таких цепочек может появиться каталитическая активность, причем самое главное, чтобы это была способность копировать (воспроизводить) самих себя. Рассмотрим все эти вопросы по порядку.
Большинство ученых сейчас сходятся во мнении, что около четырех миллиардов лет назад атмосфера Земли представляла собой в основном смесь паров воды, метана, углекислого газа, водорода и аммиака. Из-за отсутствия кислорода ультрафиолетовое излучение Солнца было тогда гораздо интенсивнее современного, так как на его пути не было защитного озонового слоя (озон - продукт реакций молекул кислорода между собой). Как предположили ученые, перечисленных химических компонентов могло быть вполне достаточно, чтобы под воздействием солнечного ультрафиолетового излучения или электрических разрядов проходили химические реакции.
В 1953 году американский исследователь Стенли Миллер поставил несложный эксперимент. В собранной им установке он создал условия, схожие с атмосферой молодой Земли. Пропуская через полученную газово-водяную смесь электрические разряды, Миллер обнаружил, что через несколько суток образовалось множество органических молекул и, что самое важное, среди них присутствовали сахара и простейшие аминокислоты. Через несколько лет было показано, что при добавлении в газовую смесь цианидов (которые также вполне могли присутствовать в атмосфере молодой Земли) можно получить и азотистые основания, участвующие в построении нуклеотидов. Таким образом была экспериментально продемонстрирована возможность синтеза "исходного материала" для нуклеиновых кислот и белков.
Однако у подобных экспериментов есть несколько "узких мест", споры по которым не утихли до сих пор. Во-первых, некоторые ученые сомневаются в том, что относительно высокие концентрации цианидов и метана, применявшиеся в экспериментах Миллера и его последователей, могли быть достижимы в условиях молодой Земли. Во-вторых, количество сахара рибозы, производимой в ходе таких опытов и совершенно необходимой для построения РНК, было ничтожно мало. В-третьих, кроме "нормальных" азотистых оснований и сахаров получались и побочные продукты, которые могли мешать образованию "стандартных" нуклеотидов и молекул РНК.
Последователи теории РНК-мира пытаются усовершенствовать реакции и подобрать условия, позволяющие преодолеть указанные недостатки. Например, удалось добиться, чтобы именно рибоза являлась преобладающим сахаром в продуктах одной из таких модифицированных реакций.
Следующее уязвимое место теории - возможность образования нуклеотидов из азотистых оснований, рибозы и фосфатов. Оказалось, что эффективность таких реакций и вероятность случайного синтеза "правильных" нуклеотидов очень мала.
Но допустим, что каким-то образом благодаря особым условиям, существовавшим на первобытной Земле, эти препятствия могли быть преодолены и в распоряжении Природы имелся достаточный запас нуклеотидов. Могли ли они спонтанно объединяться в хотя бы небольшие, короткие отрезки нуклеиновых кислот? Эксперименты свидетельствуют, что в водной фазе такое событие чрезвычайно маловероятно. И даже если это происходит, большинство таких коротких цепочек неверно строит свой сахарофосфатный остов.
Выходом из данной ситуации, как считают, мог стать так называемый твердофазный синтез, когда реакции объединения нуклеотидов в цепочки проходят не в растворе, а на поверхности какого-либо твердого вещества. Так, к слову, проводят искусственный синтез цепочек олигонуклеотидов для научных и медицинских целей. На первобытной Земле возможные кандидаты для "твердой фазы" - минеральные породы в глубине океана, такие, как карбонат кальция, каолинит, цеолиты, монтмориллонит. Твердая минеральная подложка не только способствует правильной ориентации нуклеотидов относительно друг друга, но и стабилизирует структуру образующегося олигонуклеотида. Кроме того, минеральные породы, возможно, могли активно накапливать нуклеотиды и образующиеся цепочки, позволяя им тем самым чаще встречаться и вступать в химические реакции.
Как показали результаты исследований, в таких условиях короткие цепочки могли объединяться в более длинные, состоящие из 20-30 звеньев, а это уже давало основание для опять-таки случайного, некаталитического образования первых рибозимов. Какими же свойствами должен был обладать первый появившийся РНК-фермент? Как раз на этом этапе ученых подстерегало еще одно труднопреодолимое препятствие.
Хотя выяснить, как все происходило на самом деле, нам вряд ли удастся, можно с уверенностью полагать, что основным свойством появившихся рибозимов должна была быть способность к ферментативному воспроизводству (копированию) окружавших их молекул РНК. В этом случае многократно повышалась бы скорость синтеза (а значит, и концентрация в окружающей среде) молекул РНК. Из некоторых впоследствии могли получиться рибозимы с другими полезными для эволюции свойствами, например со способностью к направленному синтезу нуклеотидов или аминокислот. Копируя все (или некоторые) молекулы РНК, такой ключевой рибозим (он называется РНК-репликазой) мог бы воспроизводить и собственные копии. Таким образом мог возникнуть самодостаточный и самовоспроизводимый мир РНК. Однако доказать такую возможность оказалось очень непросто.
