Команда ученых из Японии создала рибонуклеиновую кислоту (РНК), которая может воспроизводиться, диверсифицироваться и усложняться сама по себе.
Эксперимент, проведенный исследователями из Токийского университета, укрепил мнение о том, что уникальные способности РНК способны объяснить, как миллиарды лет назад на Земле зародилась жизнь. Это в свою очередь подтверждает так называемую «гипотезу мира РНК».
Мир РНК
Исследование показывает, как молекула, которая по-прежнему имеет решающее значение для воспроизводства и выживания всех живых существ, способна проложить себе путь к саморазвивающейся системе, если ее части работают сообща.
«Мы обнаружили, что отдельные виды РНК превратились в сложную систему репликации [удвоение молекул при участии ферментов], состоящую из пяти типов РНК с разнообразными взаимодействиями, что подтверждает правдоподобие давно предполагаемого сценария эволюционного перехода», — прокомментировал биолог-эволюционист Рё Мизуути.
Как известно, любая жизнь состоит из молекул, создающих несовершенные копии самих себя, производя практически безграничное количество вариантов, которые способны (или не способны) удерживаться вместе достаточно долго, чтобы создавать копии.
Поиск объяснения происхождения жизни, по сути, был охотой за кандидатами, которые могут выполнять задачу репликации без вспомогательного набора высокоспециализированных органических материалов, таких как ДНК или белки.
РНК долгое время лидировала в этом поиске
Известно, что сегодня РНК вездесуща в биосфере, она могла появиться на древней Земле в результате небиологических процессов, может хранить большое количество информации и действовать как динамическая физическая единица.
Это означает, что потенциально РНК может создавать структуры, которые будут производить новые молекулы, которые, в свою очередь, смогут создавать новые структуры и т. д. Если этот процесс несовершенен, некоторые из «репликаторных структур» будут выполнять свою работу быстрее или эффективнее, чем другие, становясь доминирующей формой РНК… по крайней мере, до тех пор, пока не появится что-то более эффективное.
Как зародилась жизнь? Поиск ответов
Как бы заманчива ни была эта идея, мы знаем, что самоконструирующиеся единицы отдельных молекул РНК слишком просты и нестабильны для реализации сценария, описанного выше. Однако это не означает, что несколько элементов, действующих как одно целое, не могут справиться с задачей. Наличие нескольких различных репликативных единиц, действующих на уровне популяции, может легко решить информационную проблему.
Были созданы различные репликаторы на основе РНК, ДНК и даже белков, чтобы показать, как это может работать; исследователи приложили все усилия, чтобы создать функциональность, которая позволила бы молекулярным структурам взаимодействовать и создавать копии с подходящей скоростью.
Хотя репликаторы были способны поддерживать репликацию (простите за тавтологию), до сих пор ни один из них не стал более сложным с течением времени, оставляя открытым вопрос о том, способна ли РНК вообще эволюционировать.
Команда Мизуути подобрала «правильный дизайн» РНК для создания отдельных молекул-репликаторов, которые могут работать коллективно, чтобы не только сохранять информацию и изменяться с течением времени, но и делать это таким образом, чтобы решение становилось все более сложным в последующих поколениях.
В эксперименте команды Мизуути использовались клонированные фрагменты РНК в каплях воды, взвешенных в масле, прошедшие более ста циклов репликации, каждый из которых тестировался и анализировался.
«Честно говоря, мы изначально сомневались, что столь разнообразные РНК могут сосуществовать и эволюционировать, — говорит Мизуути. — В эволюционной биологии «принцип конкурентного исключения» утверждает, что более чем один вид не может сосуществовать, если наблюдается конкурирование за одни и те же ресурсы. Это означает, что молекулы должны установить способ использования различных ресурсов для обеспечения устойчивого разнообразия. Поэтому мы задались вопросом, возможно ли, чтобы неживые химические виды спонтанно развили такой инновационный подход».
Эксперимент показал, что это возможно, пока РНК не конкурируют друг с другом за ресурсы, а полагаются друг на друга в своего рода системе «хозяин-паразит». Если удалить хотя бы один РНК-репликатор, остальные разрушаются.
Результаты эксперимента
Теперь мы можем быть уверены, что сценарий гипотезы мира РНК достаточно правдоподобен, но он не показывает, как жизнь расцвела на Земле миллиарды лет назад. Для этого нам потребуются новые эксперименты и доказательства из различных сфер науки, чтобы построить убедительные доводы.
Тем не менее это серьезный шаг вперед в нашем поиске химических моделей эволюции, способных трансформировать первобытную массу в ослепительное множество биоразнообразия, которое продолжает становиться все более сложным и по сей день.
