7.3. Экзотические генетические материалы и генетический захват

7.3. Экзотические генетические материалы и генетический захват

Если мы попытаемся заглянуть в эпоху, предшествующую самому первому общему предку, и увидеть начало биоэволюционного процесса, происходившего на земле, едва ли носитель самой первой наследственной информации будет сильно напоминать ДНК. Маловероятно, чтобы молекулы ДНК или РНК возникали на земле, где еще не существовало жизни[42]. Их нуклеотиды чересчур сложны, а сами нуклеиновые кислоты слишком хрупки и зависимы от вспомогательных систем: они могут быть только продуктами долгой эволюции путем естественного отбора. Но как это возможно, если генетический материал — необходимое предварительное условие эволюции?

Возможно, найти решение этой проблемы поможет нам аналогия с аркой. Говоря точнее, нам поможет понятие «генетического захвата». Это теоретическая схема ранней эволюции — эволюции самого центрального контролирующего механизма. В качестве простейшей его формы вообразим первый генетический материал, например минерал, способный существовать в неэволюционирующей окружающей среде. Далее он заменяется другим, более эффективным материалом (например, РНК). Этот следующий материал слишком сложен, чтобы начинать существование на примитивной земле «с чистого листа»: он становится возможен лишь в эволюционировавшей микро–среде (фенотипе), сформированной изначальными генами. Затем этот второй генетический материал постепенно вытесняет первый.

Генетический захват можно в определенной степени сравнить с тем, как в цивилизации одна технология вытесняет другую: например, для письма начинает использоваться не авторучка, а текст–процессор, лошадь заменяется двигателем внутреннего сгорания — таких примеров можно подобрать множество. Подобные замены могут быть постепенными: имеющаяся технология постепенно развивается, пока наконец не становится возможным внедрение какой?то новой, «высокотехнологичной» системы. Совершенство новой системы, делающее ненужной старую, тоже может достигаться постепенно. Однако это вовсе не значит, что новая технология всегда представляет собой развитие и усовершенствование старой. По меньшей мере столь же часто случается, что старую вещь заменяет собой совершенно новая, работающая на абсолютно других принципах. (Например, компьютерный текст–процессор возник вовсе не в результате постепенного усовершенствования авторучек.) Вполне возможно, что новая технология принесет с собой и новые материалы.

В своей простейшей форме идея генетического захвата может быть представлена в виде накладывающихся друг на друга прямых:

Первая линия — это организмы, обладающие первым (примитивным) генетическим материалом, g₁, — линия, представляющая долговременную передачу от поколения к поколению информации, запечатленной в этом материале. Затем в окружающей среде, созданной эволюционировавшими фенотипами жизненной формы g₁ возникает новый репродуцирующий материал — на свет появляются организмы с двумя типами генов, контролирующих различные аспекты деятельности, направленной на их выживание и распространение. Новый генетический материал не обязательно должен быть «совместим» со старым. Напротив, скорее наоборот — возможно, его преимущество состоит в том, что он несет информацию нового типа и воспроизводится новым путем. Взаимное дополнение хорошо объясняет, почему гены старого и нового типа существуют бок о бок.

Наконец, в соответствии с простейшей формой генетического захвата, «высокотехнологичные» подсистемы, основанные на материале g₂, развиваются настолько, что старые, «низкотехнологичные» системы оказываются организму больше не нужны.

В дальнейшем я коротко сформулирую несколько конкретных предположений относительно g₁. Но сначала мне хотелось бы развить общую идею и предположить, что на самых ранних стадиях эволюции жизни на Земле сменило друг друга множество, возможно десятки, генетических материалов, и нуклеиновые кислоты стали результатом продолжительного процесса «проб и ошибок» — эволюции генетического материала. Возможно, ближе к истине будет такая схема:

Первый шаг можно представить в виде g₁ — единственной и простой воспроизводящейся характеристики, повышающей выживание и распространение вида, некоей чрезвычайно простой «функции», f₁:

[g₁—>f₁]

Пожалуй, примером таких живых существ могут служить глины, образующие ил на дне морей. Эти глины представляют собой крошечные гибкие планки в несколько микронов шириной и несколько нанометров толщиной. Планки, в свою очередь, представляют собой пачки, состоящие, вероятно, из трех или четырех слоев, структура которых напоминает слюду. Как правило, эти планки крепятся к песчинкам (в том числе к зернам нефтеносных песчаников) на дне моря [14]. По–видимому, кристаллики ила растут благодаря расширению планок исключительно за счет атомов, прикрепляющихся к их краям. Таким образом, планки сохраняют постоянную толщину. Как правило, имеется три или четыре слюдоподобных слоя. Таким образом, толщина планки является воспроизводимой чертой, хотя она может и варьировать благодаря случайностям роста. Можно спросить: имеет ли толщина в три–четыре слоя какое?то селективное преимущество? Возможно. Ил растет благодаря «питательным» растворам, циркулирующим в порах песчаника. Слишком разросшиеся кристаллы могут загородить собой поры и снизить или остановить приток питательных веществ. Они не смогут расти и распространяться дальше. Слишком тонкие и хрупкие кристаллы легко сломать или оторвать от песчинок, к которым они прикрепляются: в этом случае они тоже закупорят поры, расположенные ниже по течению. (Именно это случается иногда, когда при добыче нефти из слоя песчаника прилагается слишком большое давление.) Возможно, толщина в три–четыре слоя идеальна для сохранения притока питательных веществ!

Разумеется, речь идет о крохотном объеме информации, да и мое объяснение в данном случае может быть неверным. Но заметим, что даже в этом случае можно говорить на биологическом языке: не только о термодинамической стабильности, доступности катионов, легкости формирования и так далее, но также о том, насколько та или иная структурная характеристика приспособлена для своего собственного выживания и распространения. Эволюция путем естественного отбора может начинаться и на самом низком уровне — были бы подходящие материалы. Их уже можно называть генетическими материалами, хотя и очень скромными.

Следующим шагом может стать сосуществование и сотрудничество различных материалов, воспроизводящих различные полезные для выживания черты («функции»):

[g1 —> f₁; g₂—> f₂; g₃ —> f₃; и так далее]

Я не буду пытаться описать различные ранние функции (подробное рассмотрение этого вопроса можно найти в [3]), отмечу только, что для генов минеральных кристаллов эти функции могли включать в себя манипуляции с локально возникающими органическими молекулами. Сейчас существует значительная литература по активности глины и других подобных минералов в адсорбировании органических молекул определенным образом — расположении их между слоями минерала или по его краям, а также в катализации органических химических реакций[43]. Есть причины считать, что эти действия функциональны в описанном выше смысле — способствуют выживанию и распространению: «гену глины» разумно окружить себя органическими молекулами, которые будут способствовать его росту или же тем или иным способом защитят его, если внешние условия (например, рН) изменятся к худшему. Известно, что органические кислоты, например лимонная кислота, активно способствуют кристаллизации глинистых минералов, перенося нерастворимые иными путями катионы, например алюминия [19].

Следующим шагом эволюции могут стать многофункциональные генетические материалы:

[…G_x—>f_n, f_n+1 и т. д.]

Со временем синтез органических молекул в хорошо организованном минерально–генетическом ансамбле мог принять постоянный характер, что сделало возможным воспроизведение органических полимеров. Так появился на свет новый многофункциональный генетический материал — РНК–подобный полимер, способный воспроизводить сложную и дифференцированную информацию.

Так мы переходим к истории «мира РНК» [10, 9]. G^x (РНК) начинает действовать косвенно, контролируя синтез других молекул, неспособных воспроизводиться самостоятельно, но создающих микромеханизмы (Y = белок):

Так возникает многофункциональная, косвенно действующая генетическая система (G_x= ДНК), после чего отбрасываются ненужные минеральные «леса».

Это «жизнь, какой мы ее знаем». Структурные и каталитические функции f_n, f_п+1 и т. д. выполняются РНК напрямую: f_p, f_p+1 и бесчисленное множество других функций выполняется тысячами видов белков, каждый со своей особой структурой и уникальной последовательностью аминокислот, в свою очередь, контролируемой последовательностью ДНК, из которой он произошел. Это удивительно сложная система, но с точки зрения теории эволюции вполне объяснимая.