Короткие цепочки РНК и даже ДНК могут спонтанно самореплицироваться без фермента. Но доля ошибок тогда намного выше, чем в присутствии фермента. И это означает, что прежде чем образовался бы ген достаточной длины, создающий белок для действующего фермента, растущий ген был бы разрушен мутацией. Это – заколдованный круг происхождения жизни. Ген, достаточно большой, чтобы описать фермент, был бы слишком большим, чтобы быть точно реплицированным без помощи фермента того типа, который он пытается описать. Таким образом, очевидно, система не может начать работать.
Разрешением заколдованного круга, которое предлагает Эйген, является теория гиперцикла. Она использует старый принцип – разделяй и властвуй. Закодированная информация подразделяется на субъединицы, достаточно маленькие, чтобы лежать ниже порога катастрофы ошибок. Каждая субъединица – отдельный мини-репликатор, и он является достаточно маленьким, чтобы, по крайней мере, одна копия выжила в каждом поколении. Все субъединицы кооперируются вокруг некоторой важной большей функции, достаточно большой, чтобы перенести катастрофу ошибок, если катализируются одним большим химикатом вместо того, чтобы быть разделенными.
В теории, как я ее описал, есть опасность, что вся система может быть нестабильной, потому что некоторые субъединицы будут самореплицироваться быстрее, чем другие. Здесь вступает в силу хорошо продуманная часть теории. Каждая субъединица преуспевает в присутствии других. Точнее говоря, производство каждой катализируется присутствием другой, так что они формируют цикл взаимозависимости: «гиперцикл». Он автоматически препятствует тому, чтобы любой элемент шел в разнос. Он не может сделать это, потому что зависит от своего предшественника в гиперцикле.
Джон Mэйнард Смит указал на подобие гиперцикла и экосистемы. Количество рыбы зависит от популяции дафнии (водяных блох), которыми они питаются. В свою очередь, количество рыбы влияет на популяцию птиц, поедающих рыб. Птицы создают гуано, которое помогает цветению водорослей, на которых разрастаются дафнии. Полный цикл взаимозависимости является гиперциклом. Эйген и его коллега Питер Шустер (Peter Schuster) предложили некоторый молекулярный гиперцикл как решение загадки замкнутого круга происхождения жизни.
Я собираюсь покинуть теорию гиперцикла в этом месте и возвратиться к предположению, которое полностью с ней совместимо, что РНК в былые времена, когда жизнь только зарождалась, и белки еще не существовали, возможно, выполняла функцию своего собственного катализатора. Это – теория РНК-мира. Чтобы понять, насколько она правдоподобна, мы должны рассмотреть, почему белки способны быть хорошими ферментами, но плохими репликаторами; притом, что ДНК способна быть хорошим репликатором, но плохим ферментом; и наконец, почему именно РНК могла бы быть достаточно хорошей в обеих ролях, чтобы избежать замкнутого круга.
Трехмерная форма в значительной степени несущественна для активности фермента. Белки способны быть хорошими ферментами, потому что они могут принимать почти любую, какую хотите, пространственную форму в трех измерениях как автоматический результат их аминокислотной последовательности в одном измерении. Химическое сродство аминокислот с другими аминокислотами в различных участках цепи определяет конкретный узел, в который скручивается белковая цепь. Таким образом, трехмерная форма белковой молекулы определяется одномерной последовательностью аминокислот, а сама она обусловлена одномерной последовательностью кодовых знаков в гене. В принципе (практика – другое дело, и ужасно трудное) можно записать последовательность аминокислот, которая самопроизвольно свернулась бы почти в любую, какую пожелаете, форму: не только форму, создающую хорошие ферменты, но и любую произвольную, специально выбранную форму (Действительно, есть много различных последовательностей аминокислот, которые приводят к одной и той же форме, что является одной из причин сомневаться относительно наивных расчетов астрономического «неправдоподобия» отдельной белковой цепи, полученной возведением ее длины в 20 степень.). Эти разносторонние таланты белков определяют их способность действовать в качестве ферментов. Белок способен выбрать одну из сотен потенциальных химических реакций, которые могут произойти в клетке, наполненной смесью компонентов.
Белки поэтому образуют замечательные ферменты, способные скручиваться в узлы любой желаемой формы. Но они – отвратительные репликаторы. В отличие от ДНК и РНК, составные элементы которых имеют определенные правила соединения («правило спаривания оснований Уотсона-Крика», обнаруженное этими двумя вдохновленными молодыми людьми), у аминокислот нет таких правил. ДНК наоборот, является отличным репликатором, но отвратительным кандидатом на роль фермента в жизни. Поэтому, в отличие от белков с их почти бесконечным разнообразием трехмерных форм, у ДНК есть только одна форма, известная двойная спираль. Двойная спираль идеально подходит для репликации, потому что две стороны лестницы легко отделяются друг от друга, каждая при этом представляет собой шаблон для присоединения новых букв согласно правилу спаривания оснований Уотсона-Крика. От этого не много пользы для чего-нибудь еще.
Легко скручивается в узлы. Компьютерная графика транспортной РНК, сдвоенной для создания миниатюрной двойной спирали.
У РНК есть некоторые из достоинств ДНК как репликатора и некоторые из достоинств белка как универсального формообразователя ферментов. Четыре буквы РНК довольно похожи на четыре буквы ДНК, настолько, что любая последовательность может служить шаблоном для другой. С другой стороны, РНК с трудом образует длинную двойную спираль, что означает, что она несколько уступает ДНК как репликатор. Это отчасти потому, что система двойной спирали пригодна для исправления ошибок. Когда двойная спираль ДНК разделяется, и каждая отдельная спираль тут же служит шаблоном для комплементарной спирали, ошибка может быть немедленно выявлена и исправлена. Каждая дочерняя цепь остается прикрепленной к своему «родителю», и происходит сравнение с двумя шаблонами, мгновенно обнаруживая ошибку. Исправление ошибок, основанное на этом принципе, уменьшает количество мутаций до примерно одного на миллиард, что делает большие геномы, как наш, возможными. У РНК, у которой отсутствует этот вид исправления ошибок, количество мутаций в тысячи раз больше, чем у ДНК. Это означает, что только простые организмы с маленькими геномами, такие как некоторые вирусы, могут использовать РНК в качестве своего основного репликатора.
Но отсутствие структуры двойной спирали имеет и свою положительную сторону, наряду с недостатками. Поскольку цепь РНК не все время соединена со своей комплементарной цепью, а отделяется от нее, как только образуется, она легко скручивается в узлы, подобно белку. Так же, как белок скручивается на основании химического сродства аминокислот с другими аминокислотами в различных частях одной цепи, РНК делает это, используя простое правило спаривания оснований Уотсона-Крика, то же, что используется при создании копии РНК. Иными словами, испытывая недостаток в партнерской цепи, чтобы соединиться в двойную спираль, подобно ДНК, РНК легко «образует пары» со своими отдельными частями. РНК находит свои маленькие фрагменты, с которым она может образовывать пары, либо в миниатюрной двойной спирали, либо в некоторой другой форме. Правило образования пар утверждает, что эти фрагменты должны быть направлены в противоположные стороны. Цепь РНК, поэтому, имеет тенденцию образовывать ряд крутых изгибов.
Ассортимент трехмерных форм, которые способна образовать молекула РНК, возможно, не столь велик, как ассортимент большой молекулы белка. Но он достаточно большой, чтобы вселить мысль, что РНК могла бы обеспечить универсальный арсенал средств ферментов. И конечно, было обнаружено много ферментов РНК, названных рибозимами. Вывод в том, что у РНК есть некоторые из достоинств репликатора ДНК и некоторые из достоинств фермента белков. Возможно, до того, как появилась ДНК, первичный репликатор, и до того, как появился белок, первичный катализатор, был мир, в котором только одна РНК имела достаточно многие свойства, чтобы заменить обоих. Возможно, огонь РНК зажегся в первозданном мире и затем позже начал делать белки, которые изменились и помогли синтезировать РНК, а позже и ДНК, которая взяла на себя функции основного репликатора. Есть надежда на теорию РНК-мира. Она получила косвенное подтверждение в ряде прекрасных экспериментов, начатых Солом Шпигельманом (Sol Spiegelman) из Колумбийского университета и повторенных в различном виде через несколько лет другими учеными. Эксперименты Шпигельмана используют белковый фермент, который можно было бы посчитать обманом, но они приводят к таким захватывающим результатам, освещая такие важные звенья теории, что нельзя удержаться от чувства, что она имеет ценность, так или иначе.
