Александр Марков: "Я считаю вполне реальным, что в одной галактике есть несколько обитаемых планет"

Борис Штерн в интервью с Александром Марковым обсуждает узкие места в теории происхождения жизни: абиогенный синтез нуклеотидов, неферментативная репликация РНК, эволюция рибосомы, возникновение эукариотической клетки.

— В предыдущем интервью с Михаилом Гельфандом мы обсуждали проблему первого репликатора, с которого и должна была стартовать дарвиновская эволюция. Это самовоспроизводящаяся молекула РНК, называемая "рибозим". Правильно?

— Да, согласно одной из ведущих версий, первыми репликаторами были рибозимы.

— По оценкам Евгения Кунина, первый рибозим уже состоял примерно из 2000 "букв" четырехбуквенного алфавита, и вероятность случайной сборки — порядка 10^–1000. Насколько я понимаю, сейчас основные надежды связаны с тем, чтобы преодолеть эту пропасть в тысячу порядков в несколько прыжков. Михаил рассказал, что, возможно, были короткие репликаторы, которые копируются плохо, но возникают с большой вероятностью. И они умеют объединяться в длинные репликаторы, гораздо более качественные. Так вероятность получения работающего рибозима радикально повышается. Честно говоря, я не понимаю, насколько такая схема может повысить вероятность. А что вы думаете по этому поводу?

— Действительно, в этой задаче очень много неизвестных. Ученые ищут разные пути того, как могла бы повыситься эта вероятность. Кунин моделирует случайную самосборку очень длинного и очень качественного рибозима. Да, вероятность такого случая в наблюдаемой части Вселенной исчезающе мала. Это всё так. Действительно, ищут обходные пути: дескать, первый репликатор не обязательно должен быть одним мощным и эффективным рибозимом. Не исключено, что это было некое содружество коротеньких рибозимов, которые могли себя реплицировать. Но чем длиннее геном, тем выше требования к точности репликации. При размножении коротких молекул какие-то копии окажутся правильными. Кроме репликации, есть еще лигирование — сшивание. Какие-то короткие полимеразы могли реплицировать рибозимы, а другие — лигазы, которые тоже просты и могли легко получаться, — сшивают короткие рибозимы в более длинные.

Но на самом деле самая интересная возможность происхождения жизни — неферментативная репликация. Это процесс, в котором молекулы РНК могут реплицироваться вообще без каких-либо ферментов или рибозимов. Этот процесс в природе существует, он активно изучается. Задача — найти реалистичные условия, где этот процесс мог бы идти достаточно точно и быстро. В этой области наблюдается медленный, но верный прогресс. Пока этот процесс идет недостаточно точно, недостаточно быстро, но всё же идет в некотором диапазоне условий. Даже умудряются делать модели протоклетки — мембранные пузырьки, внутри которых с помощью простых катализаторов происходит репликация коротких молекул РНК. Надо искать простые катализаторы. Есть вероятность, что в роли таких катализаторов могут выступать пептиды из двух-трех-пяти аминокислот, может быть, комплексы с короткими молекулами РНК. Там обязательно должны быть ионы магния, и какой-нибудь простенький пептид, который удерживает этот ион, мог бы помочь. Всё это — ключевой мировоззренческий вопрос: возможны ли реалистичные условия для неферментативной репликации РНК или они в принципе невозможны нигде во Вселенной.

— Правильно ли я понял, что в таких случаях эволюция может стартовать с достаточно коротких РНК, которые будут постепенно удлиняться и совершенствоваться?

— В том-то всё и дело: если неферментативная репликация возможна, то дарвиновская эволюция стартует гораздо раньше — как только появляется любая молекула РНК. Вообще любая. Если есть условия, молекула будет размножаться, и всё — эволюция уже пошла! И будет отбор: будут отбираться такие молекулы, которые лучше реплицируются в этих условиях, такие молекулы, которые помогают себе и другим быстро реплицироваться. И пошло-поехало. Я думаю, это на какие-то громадные числа увеличивает вероятность зарождения жизни.

— Мы обсудили самый старт эволюции, то есть возникновение репликатора. Какие там дальше есть пропасти? Михаил Гельфанд назвал в качестве следующей проблемы синтез белков. Велика ли, по-вашему, эта пропасть? Легко ли она преодолевается?

— Тут, конечно, спорить не приходится — эта пропасть велика. Это был огромный эволюционный шаг — появление контролируемого кодируемого синтеза белков. Ясно, что это результат эволюции РНК-мира; ясно по многим признакам. В частности, то, что Михаил в прошлый раз упоминал, такой вопиющий факт: основная рабочая часть клеточной машинки по синтезу белка, рибосомы, сделана из РНК. Хотя все остальные рабочие машинки в клетке сделаны из белков. А самая главная почему-то — из РНК. Это — главное наследие РНК-мира. Здесь много возможных сценариев, но люди, которые изучают рибосомную РНК, транспортную РНК, находят какие-то следы, какие-то зацепки, которые показывают, как, через какие промежуточные этапы могла происходить такая эволюция. То есть гипотетические сценарии есть. Но непонятно, как оценить, насколько вероятны подобные сценарии.

Тот же Евгений Кунин сейчас говорит, что всё это очень маловероятно, что нужно привлекать мультивселенную, но у него же есть более ранний сценарий, где описана эволюция белкового синтеза в РНК-мире. И если ему сказать: "Ну, вы же сами предложили такой хороший красивый сценарий", он говорит: "Ну нет, мне он самому кажется малоправдоподобным и натянутым". А мне нравится! Мне кажется, что это хороший, правдоподобный сценарий. Вот как это оценить? Трудно сказать, какова степень правдоподобия. Но вот что мы знаем: рибосома состоит из двух субъединиц — большой и малой. Рибосомная РНК большой субъединицы представляет из себя нетривиальную трехмерную структуру — этакий паззл, из которого можно вынимать детальки, не повреждая при этом то, что остается. При случайной сборке так быть не могло бы. Видимо, рибосома начиналась с маленького ядра, а потом к ней добавлялись куски, которые ядро не портили, а улучшали его функцию. И если мы разберем большую субъединицу рибосомы до маленького ядра, с которого всё началось, то окажется, что это рибозим. Собственно, это активный каталитический центр рибосомы, который присоединяет аминокислоты растущей белковой цепочки. Соответственно, с чего могла начаться эволюция большой субъединицы рибосомы? С маленького рибозима, который соединял аминокислоты — может быть, он соединял их случайно. Может быть, в окружающей среде были всего одна-две-три аминокислоты и он делал из них какие-то короткие случайные пептиды. Так это всё могло начаться.

У малой субъединицы рибосомы, как ни удивительно, подобная же трехмерная структура, которая тоже разбирается, как трехмерный паззл, до некого ядра. И остающееся ядро — другой активный центр рибосомы, который контролирует соответствие триплета в матричной РНК, которая кодирует белок, и в транспортной РНК, которая приносит аминокислоту, — чтобы три "буквы" с одной стороны были комплементарны трем "буквам" с другой стороны. Он это проверяет.

Красивая гипотеза, которая мне очень нравится, состоит в том, что в прошлой жизни малая субъединица рибосомы была рибозимом-полимеразой — тем самым, который занимался размножением РНК. Только размножался он, присоединяя к цепочке не по одному нуклеотиду, а по три. А предок транспортной РНК был рибозимом — подносчиком триплетов для этого размножения. То есть какие-то сценарии в эволюции белкового синтеза на самом деле наклевываются.

— Но, как я понимаю, до соответствующих оценок вероятности еще очень и очень далеко?

— Действительно, непонятно, как это посчитать.

— То есть вероятность "тупой" случайной сборки молекулы посчитать легко, но как оценить вероятность с промежуточными шагами — совершенно непонятно.

— Может быть, в будущем смогут проводить какие-то эксперименты на тему эволюции комплексов РНК в пробирке. Просто искусственная эволюция — она же может протекать быстро. Сейчас этим занимаются, но требуется некий следующий уровень. Тогда, может быть, удастся основные промежуточные этапы на пути к рибосоме воспроизвести на эксперименте. То есть налить все ингредиенты в чашку, создать подходящие условия и посмотреть, что получится.

— Насколько сложно создать условия, чтобы РНК-мир и синтез белка заработали? Что для этого нужно? Как мог получиться такой "автоклав", где всё это произошло? На слуху версия черных курильщиков. Может быть, есть какие-то еще варианты?

— Когда ищут колыбель жизни, говорят о черных курильщиках, белых курильщиках, есть теория "цинкового мира", грязевые котлы — разные варианты. При этом пытаются решить кучу проблем. Например, для начала должен идти синтез простой органики, нуклеотидов. Абиогеннный синтез нуклеотидов — да еще желательно, чтобы всех четырех и сразу в одном месте. Вот эту задачу пока пытаются решить. А в каких условиях идет эволюция сложного РНК-мира, к этому еще даже не приступали.

Я могу сказать, что для тех задач, которые решаются в этой области (ну, например, поиск условий для репликации РНК в каких-то протоклетках, что-то в этом роде, или поиск условий для абиогенного синтеза нуклеотидов), типичная ситуация такова. Ученые упираются в какую-то проблему: этот этап проходит, а следующий не идет — и всё, никак. Год, два, десять лет не могут преодолеть тупик. А потом у кого-то случается озарение или просто случайным образом кто-то наткнется: "А вот если сюда добавить фосфорной кислоты маленько"… Вдруг раз — и всё пошло. Или, в другом случае, лимонная кислота спасла: не шло, не шло, цитрат добавили — опа, вышло! Какие-то простые неожиданные находки могут внезапно открыть глаза на то, как этот процесс мог бы происходить. Я надеюсь, что и для нерешенных проблем найдется какой-нибудь "фосфат", которого достаточно капнуть, чтобы всё пошло.

— Итак, есть у нас репликатор, есть синтез белков, но как из этого сконструировать работающую клетку — наверное, тоже вопрос? Или здесь всё проще?

— Не знаю, как насчет простоты или сложности, но тут есть две версии.

Первая: клетки, окруженные липидной мембраной, появились очень рано. Можно сконструировать абиогенные мембранные пузырьки, причем они обладают интересными свойствами, с такими еще Опарин работал. А сейчас работают с пузырьками из липидов или других простых полярных молекул с гидрофобными и гидрофильными концами. Одна из идей состоит в том, что уже с самого начала появление репликаторов шло внутри таких липидных пузырьков.

Другое направление мысли: мембранные пузырьки появились довольно поздно, а сначала в роли емкостей выступали поры в минералах всяких черных курильщиков и прочих вулканических источников. Там формируются пористые материалы типа пемзы с полупроницаемыми стенками. Такие поры могли играть роль прототипов клеток, где развивалась жизнь, расселяясь в соседние полости. Более успешные сообщества рибозимов занимали новые клетки, выигрывая конкуренцию. А уже потом, когда они далеко эволюционировали, эти сообщества научились одеваться в липидные оболочки.

— Интересно, самые примитивные бактерии или археи — они близки к тому, с чего стартовали самые древние клетки, или это уже достаточно продвинутый продукт эволюции?

— К сожалению, до нас дожили только такие бактерии и археи, что даже самые простые из них — это уже результат очень долгой сложной эволюции. У них уже как минимум несколько сотен генов, много белков, у них, конечно, есть рибосомы, специализированные белковые ферменты для репликации ДНК, для транскрипции, для синтеза белков, для много чего еще. Несколько сотен хороших проэволюционировавших белковых ферментов, весь аппарат синтеза белка — всё есть в готовом виде. Понятно, что прямо так это возникнуть не могло. А гипотетических примитивных форм жизни — их нет. Если были когда-то, то вымерли.

— Но какие-нибудь попытки теоретической экстраполяции назад, к примитивным предковым формам, — они делаются? Или это безнадежно тяжело — представить себе, какая более простая система могла быть их предком? Возможно это или нет, хотя бы чисто теоретически?

— Теоретически оно, конечно, возможно, мы уже говорили о разных формах жизни. Эксперименты тоже проводятся, с разных сторон. С одной стороны, есть попытки сделать бактерию с минимальным геномом. То есть взять реальную бактерию и потихоньку упрощать и упрощать ее, выкидывая всё, без чего она хоть как-то может обойтись. Это один подход. Другой подход — то, что делает Джек Шостак: протоклетки в виде капелек, внутрь которых добавляются РНК, ДНК, какие-нибудь ионы, аминокислоты, чтобы всё это росло и размножалось. То есть к первой клетке экспериментаторы пытаются идти с двух сторон.

— А для численного моделирования это еще неподъемные задачи?

— Я думаю, это очень трудно. Я думаю, невозможно предсказать все химические свойства биополимеров, которые будут появляться в численной модели. Мы можем смоделировать на компьютере любую последовательность из четырех "букв". Но предсказать, как будет себя вести такая молекула РНК, какие у нее будут интересные биологические свойства — черта с два! Приходится их реально синтезировать и отбирать по их физической и химической характеристике.

— Теперь немного спекулятивный вопрос. Ваше ощущение: возникновение первой клетки — это процесс вероятный или невероятный, если нормировать на число планет с подходящими условиями? Понятно, что здесь нет надежных зацепок, речь может идти только об ощущениях.

— Катастрофически не хватает данных.

— Настолько не хватает, что даже на уровне ощущения трудно сформулировать?

— Я все-таки верю, что на пути поиска условий для неферментативной репликации будут дальнейшие успехи и станет ясно, что такое в принципе возможно. В таком случае я считаю вполне реальным, что в одной галактике есть несколько живых планет.

— Это уже нечто!

— А если окажется, что Кунин прав и неферментативная репликация невозможна, — ну, тогда безнадега.

— Тогда да, тогда привлекаем на помощь мультиверс.

— Тогда только так. Но мне кажется, там есть что-то в логике. Мне кажется, неферментативная репликация должна работать чисто из логических соображений. Можно я слайд покажу? Вот смотрите: идея в том, что если рождение первого репликатора шло по Кунину, то есть всё началось со сборки огромного эффективного рибозима, то на какой-то планете сначала должно было синтезироваться абиогенным путем неимоверное количество случайных РНК — настолько много, что одна из них случайно оказалась с такими редчайшими свойствами. Почему эти молекулы так размножились на планете — непонятно. Ну, и нужны десять в невероятной степени планет, чтобы хотя бы на одной из них собралась нужная молекула. Почему на них на всех в таком диком количестве синтезировалась РНК, остается непонятным. И самое интересное: молекула РНК обладает свойством комплементарности, что и делает жизнь возможной. Она кодирует сама себя, она может служить матрицей для собственного размножения. Это свойство в кунинском сценарии возникает как рояль в кустах. То есть молекулы синтезировались, не используя это свойство, а потом, когда возник огромный рибозим, оно вдруг пригодилось — дескать, как хорошо, что у нас, оказывается, есть такое свойство, теперь будем размножаться.

В сценарии, где неферментативная репликация возможна, всё не так. Там не нужно огромного количества РНК. Достаточно первой — она появилась, и всё стало размножаться. В этом случае комплементарность — не рояль в кустах, а то самое свойство, благодаря которому они начали размножаться с самого начала. То есть получается гораздо проще.

Естественное возражение здесь такое: "До сих пор не найдены условия, где неферментативная репликация идет достаточно быстро и достаточно точно". Тем не менее она как-то идет в пробирке у ученых. Вероятность того, что она где-то идет лучше и быстрее, может быть, маленькая, но ее надо сравнивать с той самой десять в минус тысячной, которая требуется во втором сценарии. На мой взгляд, очевидно, что порядки совершенно разные. Гораздо вероятней, что найдутся условия, при которых работает неферментативная репликация, чем что таких условий в природе не существует. Это, конечно, не наука, а какая-то натурфилософия, тем не менее мне интуитивно кажется, что должно быть так.

— Звучит убедительно. Мы дошли до клетки и согласились с тем, что в Галактике существуют планеты, где есть живые клетки. Какие следующие узкие места? Ведь у нас жизнь представлена не просто клетками, а развитыми организмами. Следующая проблема — возникновение эукариот? Или есть еще пропасти по дороге?

— Да, из оставшихся крупных преобразований возникновение эукариот — самое радикальное. Действительно, жизнь на Земле зародилась четыре или четыре с чем-то миллиарда лет назад, а эукариотическая клетка появилась от силы два миллиарда лет назад. Ну, может, 2,1–2,2 миллиарда. То есть два миллиарда лет существовали только бактерии и археи — только прокариоты. По-видимому, возникновение эукариотической клетки — очень маловероятное событие, при том что все современные эукариоты сходятся к одному предку, — то есть она возникла один раз. Это некая прикидка — о вероятности события можем судить по количеству раз, когда оно произошло. Скажем, наземные животные научились летать активно машущим полетом четыре раза: насекомые, птерозавры, летучие мыши, птицы. Значит, это вероятное событие. А эукариоты, насколько мы знаем, возникли только раз. Хотя нельзя исключить, что подобная сложная клетка возникала несколько раз, но до нас дожили потомки только одной.

Ситуация по поводу возникновения эукариот сейчас стала более понятной, поскольку найдена переходная промежуточная группа архей, у которой нашлась масса белков, которые считались чисто эукариотическими. Сейчас их только начинают изучать. Первых представителей этой группы назвали локиархеями, поскольку их нашли в глубоководном гидротермальном источнике в северной Атлантике, который называется Замок Локи. Потом начали находить других представителей этой группы архей, которая оказалась очень большой. Они живут во всяких донных осадках — и в морях, и в подземных водах, и в эстуариях их находят. Появились торархеи, одинархеи, хеймдалльархеи, и всю эту группу недавно назвали "асгардархеи". Сначала они были известны только по геномам — извлекали ДНК из донного осадка и секвенировали. Потом с большим трудом удалось вырастить в лаборатории одного представителя. Стали его изучать — многое прояснилось, хотя еще не всё. В результате мы можем твердо сказать многое о происхождении эукариот.

— Такой вопрос: без этого прыжка, на одних примитивных клетках, на прокариотах, смогли бы когда-то построиться сложные многоклеточные организмы? Или это безнадежно?

— Вряд ли. Очень вряд ли, поскольку что нам, собственно, дает эукариотическая клетка? Главное — есть ядро, в котором заключен генетический материал и почти не происходит обмена веществ. И вокруг есть цитоплазма, где отсутствует ДНК, но происходит масса всяких биохимических реакций: обмен веществ, получение энергии, синтез всего, что нужно, и так далее. И это открывает горизонты для эволюции всяких механизмов аккуратной регуляции работы генов. Можно спокойно в отрыве от кипящей биохимической жизни включать, выключать, подкручивать в ядре работу всяких генов. Это открыло перед эукариотами такую возможность, что при одном и том же геноме без мутаций, без эволюции можно клетку делать очень разной. Не меняя генома, только меняя регуляцию работы генов. Именно на этом построены многоклеточные организмы. У них все клетки имеют один и тот же геном, но при этом они очень разные — нервные клетки, клетки кожи, кости, мышцы… Сотни разных типов клеток. Таких возможностей у прокариот, конечно, нет в принципе. Они могут немного регулировать свои гены, но такого разнообразия фенотипов при неизменном геноме у них нет и, видимо, быть не может. Конечно, эукариотизация была необходимым условием для появления сложных многоклеточных форм жизни.