Формула на чудото: крачка към разрешаването на мистерията за произхода на живота

Креационистите обичат да питат патетично: „Може ли такава сложна система като жива клетка да възникне случайно?“ Точно така, клетката не е могла. Първите живи организми трябва да са били много по-примитивни дори от най-простата клетка. В идеалния случай такъв организъм трябва да бъде самовъзпроизвеждаща се молекула или система от няколко молекули. Където има възпроизводство, има и еволюция. И ако еволюцията е създала човека от една клетка, защо да не създаде клетка от примитивен молекулен комплекс? Главното е да се направи първата стъпка, да се получи нещо, способно да се възпроизвежда без участието на живи организми.

Много биолози смятат, че това „нещо“ е РНК, една от най-важните молекули в клетката. За да обясним защо мислят по този начин, нека кажем няколко думи за механиката на живота.

Универсален войник

За да се нарече нещо живо, то трябва да може да се възпроизвежда. С други думи, да създава свои собствени копия, макар и не идеално точни. За да се създаде копие на нещо толкова сложно като жив организъм, е необходим „чертеж“. Тоест информация за това как трябва да бъде устроен този организъм. Във всички съвременни живи същества, с изключение на някои вируси, тази информация се съхранява от ДНК.

Но наличието на „план“ на организма далеч не е всичко. За да му бъде вдъхнат живот, са необходими материали и енергия. И двете могат да бъдат извлечени от храната чрез химични реакции. А самото „изграждане“ на свое копие е синтез на нови молекули, тоест също си е чиста химия.

За да се управляват химичните реакции, са необходими катализатори, известни също като ензими. Тази функция блестящо изпълняват белтъците. По същество ДНК е колекция от инструкции за синтез на белтъци. Всеки участък от ДНК молекулата (ген) кодира свой собствен белтък. А белтъците поемат цялата останала работа в клетката.

Но между ДНК и белтъците има посредник – РНК. Когато ензимите четат записаните в ДНК инструкции, те първоначално синтезират РНК от тях и след това четат РНК, за да създадат белтък.

РНК е толкова подобна на ДНК, че може да я замени. Някои вируси (например вирусите на ХИВ, грип и ковид) изобщо нямат ДНК и съхраняват наследствената информация в РНК. Но РНК също има нещо общо и с белтъците: някои молекули на РНК катализират биохимични реакции, тоест работят като ензими. Поради това те изпълняват много други функции в клетката, освен ролята на чернови на белтъците.

Това е, което прави РНК уникална сред другите биологични молекули. ДНК е идеален носител на информация, но не е ензим. Белтъците са идеални ензими, но в никакъв случай не са „хранилище на знания“. Единственото вещество в клетката, което може да „помни заветите на нашите предци“, е РНК. Естествено е да се предположи, че с него е започнал животът, а всичко останало е измислено по-късно в процеса на еволюцията. Това се нарича хипотеза за света на РНК.

Свят на молекулите

Молекулата на РНК е верига от еднотипни звена (нуклеотиди). В клетката има и микроРНК с дължина 20 нуклеотида, и вериги от хиляда звена. Колкото по-проста е молекулата, толкова по-лесно е да си представим нейното самозараждане от нежива материя. Следователно ключовете към света на РНК трябва да се търсят в късите нуклеотидни вериги.

Първоначално учените смятали, че молекулата спонтанно възниква от „първоначалната супа“, възпроизвеждайки се. Но молекулите на РНК, които изобщо са ефективни при сглобяването на други молекули на РНК, са дълги поне стотици нуклеотиди. Според някои оценки за случайното възникване на такава молекула едва ли е достатъчно вещество и съществуването на видимата част от Вселената. Има и други проблеми. Например РНК, които се копират добре, да се копират лошо. Следователно, дори на древната Земя да се е появил „РНК ксерокс“, той едва ли би могъл да се самовъзпроизвежда.

Днес изследователите са се отказали от надеждата да намерят една магическа молекула и са преминали към няколко разновидности на РНК. Смисълът е в това, че всяка молекула в приятелски екип прави нещо свое, но като цяло се получават копия на цялата система.

Този подход се оказал успешен: експериментаторите получили РНК колективи, които се самовъзпроизвеждат инвитро. И въпреки това те все още изискват РНК с дължина десетки единици. Вероятността за техния спонтанен синтез на такава молекула вече не е астрономически малка, както при стотици нуклеотиди, но все пак е много малка.

Колко дълга верига РНК може да се сглоби спонтанно от единични нуклеотиди? Никой не знае горната граница, но молекули от пет до осем единици се сглобяват. Химиците са възпроизвели този процес в различни условия: на повърхността на глината под ултравиолетово облъчване, чрез инжектиране на горещ разтвор на нуклеотиди в ледена вода и т.н.

За съжаление, все още никой не е успял да сглоби самовъзпроизвеждащ се колектив от толкова къси РНК молекули. Но учените работят усилено над това.

Тухлите на живота

Досега сме избягвали важен въпрос: откъде са дошли нуклеотидите на първичната Земя? Сглобяването на верига от готови звена е добър вариант, но като начало са необходими самите звена.

Химиците имат няколко възможни отговора. Статия, публикувана наскоро в списание Chemical Science, предлага нов и доста интересен сценарий.

Учените, занимаващи се с проблема за произхода на живота, отдавна са обърнали внимание на реакцията на Бутлеров, който я открива през 1861 г. При тази реакция воден разтвор на формалдехид (CH2O) се превръща в сложна смес от захари. Всичко, което е нужно, е обикновена минерална добавка и малко топлина или ултравиолетова светлина. На ранната Земя е имало предостатъчно и от двете. А и формалдехид вероятно е имало: наред с други начини той се образува от въглероден диоксид и водни пари при разряд на мълния.

Сред продуктите на формозната реакция има захари, характерни за живите клетки. Сред тях рибозата е ключов компонент на РНК нуклеотидите. Вярно, те са смесени с огромно разнообразие от биологично безполезни и дори отровни захари. Биомолекулите съставляват само част от процента от продуктите на реакцията и не съществуват дълго. Но присъствието на някои минерали може да увеличи биозахарите и да удължи тяхното съществуване.

Рибозата обаче все още не е нуклеотид. В състава на нуклеотидите влизат азот и фосфор, които не се срещат във формалдехида.

Авторите на новата работа добавили цианамид (CH2N2) към реактивите на Бутлеров. Това съединение е достатъчно просто, за да присъства на ранната Земя. Химиците са открили, че в резултат се появяват химични предшественици на нуклеотидите, тъй като цианамидът съдържа необходимия азот.

Любопитно е, че ключовият междинен продукт на реакцията на Бутлеров (гликоалдехид) се използва в един от най-перспективните пътища за синтез на нуклеотиди. Но досега никой не се е опитал да свърже тези два факта и да адаптира формозната реакция към производството на компоненти на РНК.

Изследователите смятат, че вината е в стереотипите на „химическото мислене“. Химиците предпочитат прости и ефективни реакции, които дават максимум основен продукт и минимум странични продукти. Може ли да има нещо по-лошо от тази гледна точка от реакцията на Бутлеров, която произвежда цяла зоологическа градина от продукти, повечето от които безполезни?

Но природата не носи бяла престилка. Процесите, на които дължим живота във всякакъв смисъл, не са протичали в стерилни епруветки, а във вулканична кал или други подобни места. Сигурно са били сложни, объркани и в повечето случаи – напълно неефективни.

Методът за нуклеотиден синтез, предложен от авторите, не е първият и вероятно не е най-добрият. Това е типична ситуация за науката за произхода на живота: има много химически пътища до желания резултат, всеки от които по принцип е могъл да се реализира на древната Земя. Може би никога няма да разберем точно по кой път животът е поел първите си стъпки. Колкото повече трикове от изобретателната природа откриват химиците и биолозите, толкова по-малко остава място за мистичен трепет пред „акта на сътворението“.