История происхождения и развития жизни

5.4.2. Гиперциклы

Исходя из перечисленных выше проблем, мы попытались осмыслить и описать стадии, предшествовавшие образованию первого репликационного блока из раздела 5.4.1. Некоторые исследователи, несмотря на перечисленные возражения, считают возможным допустить, что в " бульоне" без воздействия ферментного катализа могли возникнуть спирали РНК длиной от 50 до 100 нуклеотидов. Но и они слишком коротки, чтобы нести необходимую для построения "протоклетки" информацию. Если же их все-таки удлинить, то вероятность ошибок при удвоении, не контролируемом ферментами, приобретает настолько большой удельный вес (см. раздел 4.1), что вновь поименная биологическая информация будет разрушена в ходе следующих одна за другой репликаций. Это явление известно под названием "информационный кризис".

С помощью предложенной М. айгеном модели гиперцикла пытаются избежать этих трудностей. Во время простого гиперцикла соединяются между собой, по крайней мере, две молекулы РНК, от 50 до 100 нуклеотидов и две "репликазы" (рис. 5.9). Репликаза 1 кодируется РНК1, а репликаза 2 - РНК2. При этом соединение происходит так, что репликаза 1 ускоряет синтез РНК2, а репликаза 2- синтез РНК1.

Путем подключения других РНК-молекул и репликаз число компонентов гиперцикла может быть увеличено, В компьютерном изображении каждый гиперцикл представляет собой некую стабильную единицу, при том, что все отдельные элементы необходимы для функционирования. Если предположить, что возникший гиперцикл функционален, то на компьютере можно продемонстрировать, как в различных гиперциклах может проявляться дарвиновский отбор. Гиперциклы могут мутировать и конкурировать друг с другом. Сила айгеновской теории состоит в математическом и термодинамическом обосновании ее формулировок, против которых авторам этой книги нечего возразить. Лишь увлекательные компьютерные игры могут проверить их. Далее попытаемся обосновать, что в этой теории все сводится к принятым Айгеном предположениям.

Так как в гиперцикле длина молекул РНК ограничена, каждой из них удается избежать разрушения при помощи вышеупомянутого информационного кризиса. Посредством подключения множества соединенных друг с другом носителей наследственной информации в гиперцикле общий объем информации, содержащийся в системе, чрезвычайно повышается. Таким образом, гиперцикл служит, в принципе, преодолению информационного кризиса. И тут следует более подробно рассмотреть два вопроса: "Как мог возникнуть первый гиперцикл?" и "Каким представляется переход от гиперцикла к "праклетке"?"

Возникновение гиперцикла

В разделе 5.4.1 обосновывалось, что возникновение первого репликационного блока в высшей степени невероятно, так как слишком много отдельных элементов должно возникнуть одновременно и в согласовании друг с другом. А в гиперцикле имеется репликационный блок с трансляцией (протеиновым синтезом) и удвоением РНК! Основная проблема заключается в синтезе репликазы.Если бы для этого были бы необходимы "проторибосома" и молекулы т-РНК, то эта теория не была бы шагом вперед относительно высказанных в последнем разделе концепций о происхождении репликативной единицы. Поэтому будем исходить из того, что в самых ранних гиперциклах РНК сама обладала множеством функций. В первую очередь, она должна была исполнять наиболее специфическую функцию распознавания "своих" репликаз. Во-вторых, она должна была кодировать ближайшую репликазу и, наконец, содействовать протеиновому синтезу этой репликазы, то есть выполнять функции и т-РНК, и рибосомы. С учетом всех этих требований подобная РНК должна была бы обладать высоким содержанием информации. Так как с самого начала в гиперцикле должно было участвовать множество молекул РНК, вероятность появления подобного "сгустка информации" все равно остается ничтожно малой. К тому же в основу было положено абсолютно необоснованное предположение, что "примитивная" репликаза вообще может кодироваться спиралью РНК длиной лишь в 50-100 нуклеотидов. В общем, возникновение во время гиперцикла протеинового синтеза, закодированного нуклеиновой кислотой, остается неясным. И мы можем сделать вывод, что предположение о возникновении гиперцикла не находит экспериментального подтверждения.

Это утверждение находится в полном соответствии с тем фактом, что еще ни разу не удалось воспроизвести гиперцикле пробирке. В созданном зумпером и кюпперсом "эволюционном реакторе" не воспроизводились гиперциклы, а синтез молекул РНК при участии состоящей из множества "подразделений" репликазы фагов ОР был отмечен в пробирке. В этих экспериментах воспроизводились не условия "первичного бульона", а производилось следующее: в буферные системы, находящиеся под строжайшим контролем, добавлялись активированные нуклеотиды наивысшей степени очистки и в необходимой концентрации. .Для современного экспериментального уровня молекулярной биологии не является неожиданным происходивший в результате этого синтез РНК. Посредством изменения условий в "эволюционном реакторе" удалось изменить первоначальную цепочку РНК - она могла приспособиться к определенным условиям окружающей среды (например, к добавлению ядовитых веществ).Но все достигнутые подобным образом изменения далеки от явления "развития от простых форм к сложным", а относятся скорее к области микроэволюции.

Вторая попытка выразить возражение была произведена генетиком С. брэшом: если гиперцикл попадает под действие отбора, то следует ожидать, что все три названные выше функции должны эволюционировать, но поскольку многие нуклеотиды задействованы не только в одной функции (молекулы РНК слишком коротки), то мутациями могут быть затронуты многие функции и. вероятно, лишь для одной функции это будет иметь положительные последствия, а для остальных - отрицательные. Опирающееся на все вышесказанное возражение заключается в том, что гиперцикл может эволюционировать совсем не в направлении "протоклетки". У других теоретиков эволюционного учения также имеются возражения против концепции гиперцикла, которые в этой книге не могут быть освещены подробно.Некоторые ученые считают эту концепцию либо принципиально непригодной, либо бесполезной.

В последние годы было открыто, что некоторые молекулы РНК проявляют в эукариотических клетках каталитическую активность.(Но необходимо отметить, что эти молекулы имеют длину в 300- 40*"' нуклеотидов.) Опираясь на это, можно предположить, что в первом гиперцикле совсем не нужны ни протеины, ни рибосомная функция, но что короткие цепочки РНК гиперцикла катализируют репликацию ближайших РНК. Под воздействие* отбора всякая эволюция этой системы свелась бы к оптимизации "активности репликазы" молекул РНК. Поэтому эта система в качестве предварительного этапа в образовании клетки принципиально неприемлема, так как не существую генетического кода (РНК -> протеин) и немыслима регулируемая отбором структура РНК.

Эволюция от гиперцикла к праклетке

Если исходить из предпосылки, что гиперцикл "неким образом" все-таки возник, то встает вопрос, может ли он перейти в простейшую клетку. Здесь следует привести слова биохимика П. Рюстд (1984, с. 79):

"Между гиперциклом и клеткой существует фундаментальные различия. Сочетание генов в наборе гиперцикла состоит из множества копии высокофрагментированной односпиральной РНК, а сочетание генов простейшей клетки - из одного-единственного кольца двухспиральной ДНК, репликация которой связана с ферментами синтеза находящимися в клеточной мембране. Переход гиперцикла в клетку обуславливается следующими положениями:

1. Элиминация всех генных копий до одной.
2. Интеграция всех самовоспроизводящихся циклов (РНК-пары) в один заключенный в кольцо геном.
3. Замена односпиральных РНК двухспиральными ДНК в качестве наследственного материала.
4. Замена множества вариантов РНК-репликаз одной-единственной системой репликации ДНК со способностью к исправлению ошибок.
5. Безошибочное распределение всех транскрипционных контрольных сигналов на обеих спиралях ДНК
6. Образование транскрипционных и других модификаций РНК, которые необходимы для производства и правильного использования всех видов РНК (и-РНК. т-РНК, р-РНК).
7. Перестройка всех частей генома, где будут использоваться комплементарные друг другу спирали.
8. Соединение генома с клеточной мембраной и образование механизма деления клетки, связанного с репликацией ДНК. Все эти процессы находятся во взаимозависимости и не дадут преимущества при отборе, пока они все не осуществятся".

Так как гиперциклы никогда не могли воспроизводиться в лаборатории, то их возникновение нельзя исследовать экспериментальным путем. Даже невозможно более точно, в деталях описать с помощью сколь-нибудь реалистичных умозаключений спорные молекулярные структуры (РНК-молекулы, репликазы). Поэтому авторы этой книги полностью согласны с П. Рюстом (1984, с. 81): возникновение гиперцикла, а также "эволюция живой клетки из гиперцикла или из другой относительно простой системы является пока немыслимой".