Часть 2. Происхождение жизни: абиогенез или разумное создание?
Представляем вашему вниманию окончание статьи, опубликованной в журнале «РАЗУМНЫЙ ЗАМЫСЕЛ: от гипотезы к научной парадигме»
Рухленко И. А. Происхождение жизни: абиогенез или разумное создание? // Разумный замысел: от гипотезы к научной парадигме. 2024. № 1 (4). С. 3-12.
Самовоспроизводящиеся рибозимы
Следующая проблема «мира РНК» - приобретение гипотетическими рибозимами не только известных нам каталитических свойств, но ещё и способности копировать самих себя. И вот здесь возникла целая серия непреодолимых трудностей. Но всё по порядку. Для того чтобы в мире РНК полирибонуклеотиды могли размножаться, должны были существовать рибозимные аналоги белковых полимераз. В современных живых организмах такие рибозимы не обнаружены. У всех организмов за эту функцию отвечают только белки. Получить такую полимеразу при случайной полимеризации нуклеотидов также не удалось. Однако учёные на основе РНК-лигаз смогли создать рибозимы, которые могут, хотя и крайне неэффективно, катализировать реакцию синтеза РНК на РНК-матрице.
Среди всех искусственно полученных рибозимов, лучшим на сегодня является рибозим tC9Y длиной 202 нуклеотида. Он осуществляет матричный синтез РНК (с РНК-шаблонов) длиной до 206 нуклеотидов (причём только при отрицательной температуре около -8°C). То есть, казалось бы, результат вполне обнадёживающий [Attwater 2013].
Однако, как известно, «дьявол скрыт в деталях». И если рассмотреть этот результат подробно, то сразу получаются сплошные проблемы:
1. В качестве субстрата брались нуклеозидтрифосфаты. То есть, во-первых, уже готовые (взявшиеся непонятно откуда) нуклеотиды. А, во-вторых, эти нуклеотиды уже активированы. Но где такое видано, чтобы в природных условиях среда была насыщена такими высокоэнергетическими веществами в концентрации 0,4-4,0 ммоль/л?
2. Среда была подщелочена (pH 8,3). А при подщелачивании среды получается вот что: «...при подщелачивании аденин и цитозин легко подвергаются окислительному дезаминированию и превращаются, соответственно, в гипоксантин и урацил» [Spirin, 2007].
3. Отсутствовали посторонние (загрязняющие) вещества, которые могли бы вмешаться в процесс. Для природных условий это вообще нереально. В реальных же условиях (существующих в природе), из-за присутствия множества других веществ химические реакции идут совсем не так, как нам хочется.
4. Скорость: 63 нуклеотида за 16 часов и 206 нуклеотидов за 60 часов (т.е. примерно 4 нуклеотида в час). Это ничтожно малая скорость от той, которая необходима для поддержания «конвейера жизни». «Конвейер жизни» вообще способен существовать только потому, что скорость (и точность) работы «репликаторов» внутри реальных живых систем исключительно высока8.
5. Точность (ошибки копирования): точечные замены - 0,8%, делеции - 1,5%, преждевременная терминация - 0,015%, последние нуклеотиды вообще копируются с точностью 93%. То есть, это не матричный синтез, а скорее, «околоматричный синтез». В природных условиях такая «точность» копирования приведет к почти моментальному вырождению создаваемых копий, и в конечном итоге, к исчезновению всех подобных молекул, даже если все остальные условия будут идеальными9.
6. Нужен стартовый праймер (комплементарная к началу шаблона короткая РНК, которая к нему «приклеется» и будет играть роль «затравки»).
7. РНК копируется не всякая, а лишь специально подобранные шаблоны, про которые сказано, что они «имеют небольшую вероятность образовывать вторичные структуры», то есть, те самые «шпильки», в которых у самого tC9Y участвует больше половины нуклеотидов (57 пар). Таким образом, этот рибозим, на самом деле, не может копировать что-либо, хотя бы похожее на самого себя. А может копировать лишь линейные отрезки РНК. Однако вторичные структуры («шпильки») необходимы молекуле РНК, чтобы она вообще была способна к работе (обладала каталитической активностью). Так как же тогда рибозимы будут воспроизводить сами себя? А никак не будут.
8. Чем длиннее цепочка нуклеотидов, которую «прилепил» к матрице рибозим, тем труднее «отлепить» эту цепочку потом. То есть, по сути, рибозим создает мусор - двойную цепочку РНК, которая потом не расплетается. Ей, наверное, проще порваться поперек, чем вдоль.
Молекулярный биолог, академик РАН А. С. Спирин об этой проблеме написал следующее: «…Однако комплементарная репликация молекул РНК, катализируемая РНК-реплицирующим рибозимом, неизбежно должна приводить к образованию единой двуцепочечной двойной спирали в А-форме, где одна цепь - исходная, а другая - комплементарная ей дочерняя, и эта двуспиральная конформация очень стабильна. Для дальнейшей репликации и размножения исходных (функциональных) цепей РНК эта двойная спираль должна как-то расплетаться, и только тогда каждая её цепь вновь может служить матрицей для репликации, в том числе и для синтеза новых молекул с исходной последовательностью нуклеотидов на комплементарной цепи, то есть, к воспроизведению. Рибозимы, способные катализировать синтез комплементарных цепей РНК на матрицах одноцепочечных РНК, воспроизведены в лабораторных экспериментах (Johnston et al., 2001; см. также обзор Joyce et Orgel, 2006), но проблема разделения двуцепочечного продукта на индивидуальные цепи остаётся не решенной (Orgel, 2004). Конечно, нельзя исключать возможность появления рибозимов с активностью РНК-хеликаз, но тогда возникает другая проблема - как уберечь от расплетания локальные двуспиральные участки («шпильки») функциональных одноцепочечных РНК в функционально активной компактной конформации» [Spirin 2007].
Ещё раз кратко подытожим самый последний результат создания «самореплицирующихся рибозимов»:
1. Обсуждаемый рибозим берётся непонятно откуда. На практике, его создали любознательные исследователи, а в реальной природе нуклеотиды не образуются. Так же как самостоятельно не образуются и сами молекулы РНК (нужной длины), даже если обеспечить среду готовыми нуклеотидами [Spirin 2007].
2. А вот деградирует и развалится на части этот рибозим всего за несколько часов или дней. То есть непонятно откуда взялся, зато исчезнет очень быстро (см. ниже «водный парадокс»).
3. При этом он не способен воспроизводить самого себя.
4. По сути, вообще ни на что не способен:
а) не способен самостоятельно начать работу (пока к нему не будет прикреплен нужный праймер);
б) имеет недостаточную скорость работы (ничтожную);
в) имеет неудовлетворительную точность работы (делает недопустимо много ошибок при полном отсутствии систем репарации испорченных молекул);
г) не способен самостоятельно закончить работу (созданную двухцепочечную нить теперь непонятно как «разлеплять»). Если для этого использовать высокую температуру (для «плавления» РНК), то эта же высокая температура довольно быстро «порвёт» все полезные молекулы.
Вот такие вот «успехи».
Для подтверждения сделанных нами выводов приведём высказывания учёных-биохимиков, непосредственно занимающихся вопросами абиогенеза.
1. Американский биохимик Роберт Шапиро о «возможности» естественного образования нуклеотидов, появления молекул РНК и проблеме химического мусора:
«Строительные блоки РНК, - нуклеотиды - сложные органические молекулы, состоящие из сахарного остатка, фосфатной группы и одного из четырёх азотистых оснований. Каждый РНК-нуклеотид содержит до 10 атомов углерода, множество атомов азота и кислорода, фосфатную группу и имеет определенную конфигурацию. Все указанные атомы и группы можно соединить друг с другом разными способами и получить тысячи химических структур, готовых включиться в цепь РНК вместо канонических нуклеотидов…
Аминокислоты, в том числе и синтезированные Миллером и Юри, - значительно менее сложные молекулы, чем нуклеотиды. Все они содержат по одной амино (NH2)- и карбокси (СООН)-группе, которые связаны с одним и тем же атомом углерода. Самая простая из тех 20 аминокислот, что входят в состав природных белков, имеет всего два углеродных атома, а 17 аминокислот из того же набора - шесть и более. Аминокислоты и другие молекулы, синтезированные Миллером и Юри, содержали не более трех атомов углерода. А нуклеотиды в процессе подобных экспериментов вообще никогда не образовывались. Не выявлены они и в составе исследованных метеоритов. По-видимому, для неживой природы характерна тенденция к созданию молекул с возможно меньшим числом углеродных атомов, и никаких свидетельств образования нуклеотидов, необходимых для появления нынешних форм жизни, не найдено…
Даже если бы природа «приготовила» примитивный «бульон» из подходящих ингредиентов (нуклеотидов или каких-то более простых аналогов), то их спонтанное слияние в репликатор было бы невозможно без ещё более невероятных стечений обстоятельств. Предположим все-таки, что «бульон» был так или иначе «сварен», причем в таких условиях, которые способствовали соединению его компонентов в цепочки. В нем присутствовали мириады «неподходящих» блоков, включение которых в растущую цепочку сразу лишило бы её способности функционировать как репликатор (например, молекула с одной «ручкой», которой она держится за соседний блок, вместо двух, необходимых для роста цепи)» [Шапиро 2007].
2. Академик РАН А. С. Спирин о «водном парадоксе»:
«Каким бы образом ни появилась РНК на Земле, для её структурирования - причём как для формирования двойных спиралей за счёт Уотсон-Криковского спаривания азотистых оснований (A:U и G:C), обязательных для воспроизведения, так и для образования компактно свернутых специфических структур, необходимых для выполнения всех негенетических функций - нужна вода. Вода стабилизирует двойную спираль, отдельные двуспиральные блоки компактно свернутых одноцепочечных РНК и саму компактную упаковку макромолекул за счёт гидрофобных взаимодействий плоскостей колец азотистых оснований. При этом жидкая вода является растворителем для РНК, позволяющим свободные диффузионные перемещения макромолекул РНК при выполнении ими своих функций. С другой стороны, ковалентная полирибонуклеотидная цепь РНК в воде термодинамически нестабильна и спонтанно гидролизуется, особенно при повышении температуры, сдвиге рН и в присутствии катионов ряда ди- и поливалентных металлов. В отличие от ДНК, ей свойственна и кинетическая нестабильность, обусловленная прежде всего природой сахарного компонента её остова: остаток рибозы несет свободную 2'-гидроксильную группу в цис-положении по отношению к фосфорилированной 3'-гидроксильной группе и может атаковать фосфат, связывающий два рибозных остатка, результатом чего является образование нестабильной триэстерной группировки, спонтанный гидролитический распад которой ведёт к разрыву рибозофосфатного остова. Кроме того, в воде, особенно при подкислении, нестабильна связь пуринового основания с остатком рибозы (гидролитическая депуринизация РНК), а при подщелачивании аденин и цитозин легко подвергаются окислительному дезаминированию и превращаются, соответственно, в гипоксантин и урацил. Это и есть так называемый «водный парадокс» (см. Benner et al., 2006)» [Spirin 2007].
В итоге Спирин приходит к выводу о невозможности самозарождения РНК-мира на Земле. Этот вывод он выносит прямо в резюме своего обзора: «Рассмотрены условия внешней среды, необходимые для существования, амплификации и эволюции мира РНК, трудности абиогенного синтеза РНК и парадоксальные ситуации, возникающие в отношении стабильности РНК, её функционирования и места мира РНК в геологической истории Земли. Обсуждается, во-первых, несовместимость химической нестабильности ковалентной структуры РНК в водной среде и необходимости воды для формирования её функционально активных конформаций («водный парадокс»); во-вторых, несовместимость стабильной двуспиральной структуры РНК, требуемой для репликации РНК, и стабильных компактных конформаций одноцепочечных РНК, необходимых для каталитических функций (конформационный парадокс); в третьих, чересчур малый промежуток времени, или его отсутствие, в геологической истории Земли между окончанием массированной метеоритной бомбардировки (3,9 млрд. лет назад) и появлением первых свидетельств клеточной жизни (бактерий) в земных породах (3,8-3,85 млрд. лет назад или даже несколько ранее) (геологический парадокс). Сделан вывод о невозможности возникновения, существования и эволюции мира РНК в клеточные формы жизни на Земле. Кратко обсуждается проблема космического происхождения мира РНК и его внеземной эволюции, с последующим распространением в космосе, в основном с помощью комет, клеточной формы жизни как более устойчивой к внешним условиям по сравнению со свободной РНК» [Spirin 2007].
Как говорится, кто бы сомневался. Действительно, вряд ли следует удивляться научному выводу, что живые существа не могут самозарождаться в грязных лужах. Скорее, следует удивляться тому, что такая возможность вообще серьезно обсуждается.
А ведь речь здесь шла даже не о самозарождении жизни. А только о двух этапах воображаемого абиогенеза - этапе синтеза нуклеотидов и этапе образования самовоспроизводящихся молекул РНК. Но ведь эти этапы представляют собой не более 5 % всех вопросов, которые необходимо решить, чтобы действительно появился тот простейший живой организм, который нам известен (то есть, простейшая живая клетка). Потому что даже простейшая живая клетка в миллионы раз сложнее любого «самовоспроизводящегося рибозима». Даже если мы и получим каким-то образом такой сверхъестественный «самовоспроизводящийся рибозим», который будет устойчиво воспроизводиться во времени, не деградируя и не распадаясь на «запчасти» (за считанные часы или дни), то всё равно остаётся совершенно непонятным, каким образом на основе этого рибозима потом появится известный нам комплекс ДНК+белок? С работающими рибосомами, генетическим кодом, целым комплексом разных т-РНК, белками-полимеразами, биохимическими путями синтеза необходимых аминокислот, и прочими составляющими клеточных нанотехнологий. Столь радикальная смена химических технологий - это примерно как замена садовой тачки на мотоблок. Как это произошло?
То есть, рассуждать о самовоспроизводящихся молекулах РНК, доказывая на их примере возможность самозарождения живого организма - это всё равно, как если бы мы взяли водный раствор с уже находящимися там железными гайками и болтами (и только), и начали бы эту смесь трясти. И когда через несколько часов у нас бы некоторые гайки накрутились бы на некоторые болты, то мы, на этом основании, стали бы утверждать, что самозарождение экскаваторов в грязных лужах, в принципе, возможно. Осталось только прояснить некоторые детали.
Заключение
Таким образом «гипотеза абиогенеза» - это такое современное антинаучное позорище, каким было в своё время «успешное самозарождение мышей в грязном белье»10. Через некоторое время некоторым современным биологам и химикам будет очень стыдно, что они на полном серьезе занимались алхимическими опытами по самозарождению гомункулуса в грязной колбе… в начале XXI века! То есть тогда, когда уже было отлично известно, насколько сложным нанотехнологическим чудом является любая живая клетка.
Получается, что на сегодняшний день, теория разумного замысла объясняет происхождение жизни намного лучше, чем «гипотеза» абиогенеза. Действительно, то, что никак не может самостоятельно собраться в грязной луже (или колбе), вполне можно искусственно собрать, используя разумное планирование. Самый верующий дарвинист никогда не поверит, что экскаватор может собраться самостоятельно, если мы положим в нужном месте все необходимые детали, и начнём их тщательно перемешивать, в ожидании самосборки экскаватора. Но разумная сборка этого же экскаватора из этих же деталей - самая обычная вещь.
Также и в случае живой клетки. Биологи уже сегодня смогли искусственно собрать (из готовых нуклеотидов) ДНК кишечной палочки [Gibson 2008]. А после этого, ещё и одну из хромосом дрожжей [Annaluru 2014]. Понятно, что пока искусственно создаются лишь сравнительно простые структуры в живой клетке. Например, искусственно собрать работающую рибосому (шедевр нанотехнологий жизни) будет уже гораздо сложнее (технически сегодня это невозможно). Но ведь и наши технологии тоже не стоят на месте. То, что технически невозможно сегодня, может оказаться возможным завтра. Потому что с помощью разумного планирования, действительно, можно создавать чрезвычайно сложные вещи.
Итак, на сегодняшний день, состояние концепции естественного возникновения жизни можно оценить так: это событие химически невозможно. Или всё-таки возможно, но примерно с таким же научным правдоподобием, как и естественное самозарождение экскаватора в песчаном карьере. А наиболее правдоподобная версия - это разумный дизайн. То есть, искусственное (или сверхъестественное) создание жизни.
Но, казалось бы, при чем здесь дарвинизм? Ведь мы начали статью со сравнения разумного замысла с дарвинизмом. Ведь из того, что жизнь, возможно, была создана разумом, еще не следует, что дарвиновская теория эволюции - неверна. Может быть, первое живое существо, действительно, было создано с помощью чьего-то разума. Но ведь дальше вполне возможен сценарий именно дарвиновской, естественной эволюции этой (однажды созданной) жизни.
Действительно, признание создания жизни с помощью разума, действительно, не опровергает дарвинизм, зато серьезно его обесценивает. Ведь если мы всё-таки признаём вмешательство разумной силы хотя бы один раз в ход развития жизни, то почему бы теперь нам не признавать возможность разумного вмешательства и в процесс создания видов? Тем более что многие факты намекают на это совершенно явным образом. Взять хотя бы всё тот же «кембрийский взрыв».
Таким образом, проблема происхождения жизни на сегодняшний день - это ещё одна область, которая склоняет чашу весов в пользу концепции разумного замысла.
Сноски:
8 Скорость транскрипции РНК у живых организмов составляет 40-50 пар нуклеотидов в секунду, или 140 000-180 000 нуклеотидов в час. Рибозим tC9Y присоединяет нуклеотиды со скоростью 4 нуклеотида в час. Это просто несоизмеримо с реально требуемыми скоростями синтеза. Рибозимы с такой скоростью работы скорее разрушатся (деградируют), чем доделают свою работу до конца. А чинить рибозимы от разрывов и ошибок некому. В живых клетках действуют специальные белковые комплексы для постоянного ремонта ДНК. А ведь ДНК намного устойчивей РНК.
9 Сегодня в живой клетке действует сложнейший нанотехнологический белковый комплекс, который обеспечивает почти фантастическую точность копирования ДНК - вероятность ошибки (точечной замены) в живой клетке составляет примерно 10-9 (0,0000001%). И даже с такой точностью копирования вредные мутации (ошибки копирования) имеют тенденцию постепенно накапливаться в геномах. А теперь сравните эту точность с «точностью» работы обсуждаемого рибозима tC9Y, где вероятность точечных замен составляет почти 1%. И это помимо всех других типов ошибок (см. в тексте).
10 Известные научные эксперименты, которые проводил в XVII веке один из крупнейших ученых того времени Ян Баптист ван Гельмонт. В этих экспериментах учёный с помощью потной рубашки и горсти пшеницы успешно самозарождал мышей то в темном шкафу, то в горшках.