В данной главе я прослежу, как происходила эволюция взглядов на происхождение жизни на Земле с точки зрения спора между мичуринцами и формальными генетиками и есть ли здесь какие-либо данные, которые могли бы рассматриваться в контексте указанного спора.

Мне кажется, что определенное значение для понимания верны ли догмы формальной генетики (в особенности догмы ген-признак) имеет вопрос о происхождении жизни на Земле. Такое предположение требует разбора современных теорий возникновения жизни на Земле.

Главной задачей эволюции всегда было улучшение точности копирования. Я не буду здесь разбирать теории возникновения Земли и Вселенной ― они пока не могут быть проверены экспериментально, да и не нужны в данной книге. Моя задача проще ― показать, что жизнь могла возникнуть из неорганических веществ и были ли при ее возникновении предпосылки для формирования связки ген-признак. Я также не буду здесь подробно разбирать теорию креатинизма. Я остановлюсь лишь на современных научных теориях происхождения жизни. Для изложения данного вопроса я воспользуюсь блестящими научно-популярными статьями доктора биологических наук А. Маркова (66, 67).

Итак, первым опровергателем теории креатинизма (идеи, что жизнь создана богом) стал итальянец Франческо Реди (1626 ― 1698), заявивший, что, по его мнению, всякий живой организм происходит только от другого живого организма. Но лишь в 1860 г, Луи Пастеру удалось подтвердить идеи Реди. В серии изящных опытов с хитро изогнутыми колбами он показал, что "зарождение" микроорганизмов в стерильном бульоне происходит только в том случае, если их зародыши могут попасть в бульон из воздуха или иным путем. Если преградить путь "зародышам" (оставив при этом доступ воздуху), никакого самозарождения не происходит.

Вначале осознанию идеи самозарождения жизни мешали устоявшиеся взгляды на органические вещества, как на нечто уникальное. Грань между живой и неживой материей казалась непреодолимой. Но затем было доказано, что органические молекулы могут быть синтезированы из неорганических. В 1828 г.

Ф. Вёлер синтезировал мочевину, в 1854 г. П. Э. М. Бертло искусственно получил липиды. Наконец, в 1864 г. А. М. Бутлеров открыл реакцию синтеза углеводов из формальдегида.

Впоследствии химики научились получать и многие другие органические вещества из неорганических.

 

11.1. ГИПОТЕЗЫ ПРОИСХОЖДЕНИЯ ЖИЗНИ

Время появления жизни на Земле точно не известно. Ясно одно: если наша планета когда-то и была безжизненной, то не очень долго. Земля сформировалась 4,5–4,6 млрд. лет назад. Жизнь появилась на Земле не позже, чем 3,8 млрд. лет назад. Эпоху РНК-мира некоторые специалисты помещают где-то между 4,3 и 3,8 млрд. лет назад. Согласно палеонтологическим находкам, первая клетка появилась 3–4 млн. лет назад, а эукариоты появились 1,3–1,8 млрд. лет назад (130).

"Какая из трех молекул появилась первой?" ― спрашивает А.

Марков, а затем отвечает: "Одни ученые говорили: конечно, белки, ведь они выполняют всю работу в живой клетке, без них жизнь невозможна. Им возражали: белки не могут хранить наследственную информацию, а без этого жизнь и подавно невозможна! Значит, первой была ДНК!"

Сейчас общепризнано, что приоритет в вопросе гипотез происхождения жизни принадлежит советскому ученому академику А. И. Опарину, хотя его гипотеза и оказалась неверной. Опарин занимался изучением свойств водно-липидных капель (коацерватов). Он считал, что коацерваты были одним из этапов на пути возникновения жизни. Опарин обнаружил, что при определенных условиях коацерваты могут расти и даже "размножаться" делением. Он предложил, что давным-давно первыми на земле образовались небольшие белки, которые дали начало первичным клеткам, состоящим из белков, так называемым коацерватам. По этой гипотезе, опаринские капли сначала все из себя сформировались, обзавелись мембраной и ферментами, кушать материалистически научились и только потом озаботились вопросом как все это воспроизводить.

В то время, когда гипотеза Опарина была опубликована о роли ДНК и РНК в сохранении информации ещё не знали. Гипотеза была дополнена современными данными уже после возникновения молекулярной генетики и расшифровки строения ДНК. Модифицированная гипотеза Опарина говорит, что первичны белки, а РНК и ДНК, как механизм передачи информации о белках, вторичны. В связи с работами Опарина в биологии возник ажиотаж, но потом наступила депрессия, когда комбинаторика показала невозможность самовозникновения в рамках существующей теории. В дальнейшем по ходу эволюции, клетки сумели найти механизм кодирования информации и ее сохранения в виде ДНК.

Данная гипотеза имеет определенные экспериментальные подтверждения. При нагревании сухих смесей аминокислот возникают разветвленные тепловые белки ― протеиноиды, имеющие неслучайный состав и порядок мономеров. Богатые лизином протеиноиды (аминокислотные цепи) обладают большим разнообразием слабых каталитических свойств, в том числе литических и синтетических (91).

С Опариным не согласились сторонники первичности ДНК. Они считают, что первыми на Земле появились молекулы ДНК и уже затем белки, следовательно, белки есть способ передачи информации, закодированной в ДНК. Обе модели имели существенные проблемы с объяснением известных фактов. Например, если белки потом передоверили процесс сохранения информации дезоксирибонуклеиновым кислотам, то должны бы существовать хоть какие-то эволюционные свидетельства, что это возможно.

Вот как описывает возникновение жизни на основе ДНК-теории Докинс (28): "В какой-то момент случайно образовалась особенно замечательная молекула. Мы назовем ее Репликатором. Это не обязательно была самая большая или самая сложная из всех существовавших тогда молекул, но она обладала необыкновенным свойством — способностью создавать копии самой себя. Может показаться, что такое событие вряд ли могло произойти. И в самом деле, оно было крайне маловероятным. В масштабах времени, отпущенного каждому человеку, события, вероятность которых так мала, следует считать практически невозможными. Именно поэтому вам никогда не удастся получить большой выигрыш в футбольной лотерее. Но мы, люди, в своих оценках вероятного и невероятного не привыкли оперировать сотнями миллионов лет. Если бы вы заполняли карточки спортлото еженедельно на протяжении ста миллионов лет, вы, по всей вероятности, сорвали бы несколько больших кушей. На самом деле вообразить молекулу, которая создает собственные копии, вовсе не так трудно, как это кажется сначала, да и возникнуть она должна всего один раз.

Представьте себе репликатор как форму для отливки или матрицу; как большую молекулу, состоящую из сложной цепи разного рода более мелких молекул, играющих роль строительных блоков. Эти блоки в изобилии содержались в бульоне, окружавшем репликатор. Допустим теперь, что каждый строительный блок обладал сродством к другим блокам одного с ним рода. В таком случае всякий раз, когда какой-нибудь строительный блок, находившийся в бульоне, оказывался подле той части репликатора, к которому у него было сродство, он там и оставался. Прикрепляющиеся таким образом строительные блоки автоматически располагались в той же последовательности, что и блоки репликатора. Поэтому легко представить себе, что они соединялись друг с другом, образуя стабильную цепь, подобно тому, как это происходило при образовании самого репликатора. Этот процесс может продолжаться в форме постепенного наложения одного слоя на другой. Именно так образуются кристаллы. Но две цепи могут также и разойтись, и в таком случае получатся два репликатора, каждый из которых будет продолжать создавать дальнейшие копии.

Более сложная возможность заключается в том, что каждый строительный блок обладает сродством не к таким же, а к другого рода блокам, причем это сродство взаимно. В таком случае репликатор выступает в качестве матрицы для образования не идентичной копии, а некоего «негатива», который в свою очередь вновь создает копию исходного позитива. Для наших целей не имеет значения, относился ли первоначальный процесс репликации к типу «позитив-негатив» или «позитив-позитив», хотя следует отметить, что современные эквиваленты первого репликатора — молекулы ДНК — реплицируются по типу «позитив-негатив». Важно то, что в мир внезапно пришла новая форма «стабильности».

Прежде особого обилия сложных молекул какого-то одного типа в бульоне, по всей вероятности, не было, потому что образование молекул каждого типа зависело от случайного соединения строительных блоков в ту или иную определенную конфигурацию. С возникновением репликатора его копии, вероятно, быстро распространялись по морям, пока запасы молекул, составляющих мелкие строительные блоки, не начали истощаться и образование других крупных молекул не стало происходить все реже и реже. Итак, мы, кажется, получили обширную популяцию идентичных копий. Однако теперь следует сказать об одном важном свойстве любого процесса копирования: оно несовершенно. Случаются ошибки. Я надеюсь, что в этой книге нет опечаток, но при внимательном чтении одну-две вы, возможно, обнаружите. Они, вероятно, не приводят к серьезным искажениям текста, потому что это ошибки «первого поколения». Представьте себе, однако, что происходило в те времена, когда книгопечатания еще не было и такие книги, как Библия, просто переписывали от руки. Все переписчики, как бы они ни были внимательны, неизбежно делали сколько-то ошибок, а некоторые даже были склонны сознательно вносить небольшие «улучшения». Если бы все они переписывали с одного основного оригинала, то искажения смысла были бы незначительными. Но как только копии начинают делать с других копий, которые в свое время также были сделаны с копий, ошибки накапливаются, и дело принимает серьезный оборот. Мы считаем, что ошибки при копировании — это плохо, и, если речь идет об исторических документах, трудно представить себе примеры, когда ошибки можно было бы назвать улучшениями. Однако, когда при переводе Септуагинты ученые неверно перевели еврейское слово, означающее «молодая женщина», греческим словом, означающим «девственница», в результате чего получилось пророчество «Се Дева во чреве примет и родит Сына», то можно по меньшей мере сказать, что это положило начало чему-то великому. Во всяком случае, как мы увидим, ошибки, допускаемые биологическими репликаторами при копировании, могут привести к реальным улучшениям, и для прогрессивной эволюции жизни возникновение некоторого количества ошибок имело существенное значение. Мы не знаем, насколько точно исходные молекулы репликатора создавали свои копии. Их современные потомки, молекулы ДНК, удивительно добросовестны по сравнению с большинством точнейших механизмов копирования, созданных человеком, но даже они время от времени допускают ошибки, и в итоге именно эти ошибки делают возможной эволюцию. Вероятно, исходные репликаторы допускали гораздо больше ошибок, но в любом случае мы можем быть уверены, что ошибки совершались и что эти ошибки были кумулятивными.

По мере того, как возникали и множились ошибки копирования, первобытный бульон наполнялся не идентичными репликами, а реплицирующимися молекулами нескольких разных типов, «происходивших» от одного и того же предка. Были ли некоторые типы более многочисленны, чем другие? Почти, наверное, да. Одни типы, несомненно, изначально обладали большей стабильностью, чем другие. Среди уже образовавшихся молекул вероятность распада для одних была ниже, чем для других. Молекул первого типа в бульоне становилось относительно больше не только потому, что это логически следует из их большего «долголетия», но также потому, что они располагали большим временем для самокопирования. Поэтому долгоживущие репликаторы оказывались более многочисленными и, при прочих равных условиях, в популяции макромолекул должно было возникнуть «эволюционное направление» в сторону большей продолжительности жизни. … Между разными типами репликаторов шла борьба за существование. Они не знали, что они борются, и не беспокоились об этом; борьба происходила без недобрых чувств, да и, в сущности, вообще безо всяких чувств. Но они боролись в том смысле, что любая ошибка копирования, в результате которой создавался новый, более высокий уровень стабильности или новый способ, позволяющий снизить стабильность противников, автоматически сохранялась и размножалась. Процесс совершенствования был кумулятивным. Способы повышения собственной стабильности или снижения стабильности противников становились более изощренными и более эффективными.

Некоторые из репликаторов могли даже «открыть» химический способ разрушения молекул противников и использовать освобождающиеся при этом строительные блоки для создания собственных копий. Такие прото-хищники одновременно получали пищу и устраняли своих конкурентов. Другие репликаторы, вероятно, открыли способ защитить себя химически или физически, отгородившись белковой стенкой." (конец цитаты)

Модель происхождения жизни из ДНК имеет ряд серьезных проблем. 1. На сегодняшний день механизмы передачи информации с белка на дезокририбонуклеиновую кислоту неизвестны науке. 2. ДНК-модель происхождения жизни имеет очень серьезные проблемы с вероятностью. По подсчетам математиков, вероятность того, что сразу образовались последовательности нуклеотидов, кодирующие несколько десятков белков, исчезающе мала.

Здесь имеется типичная проблема курицы и яйца. Жизнь началась не с яйца, не с примордиальных генов, а организм не есть машина, чтобы умножать количество ДНК. Гипотеза Опарина же утверждает, что жизнь началась с коацерватов, то есть примитивных белков, то есть с курицы. Оказалось, что истина лежит посредине ― только РНК может выполнять сразу обе главные жизненные задачи ― и хранение информации, и каталитическую работу. Именно поэтому общепризнанной в настоящее время является рибонуклеиновая гипотеза происхождения жизни. Хотя РНК поначалу казалась ученым какой-то третьей лишней. В принципе было известно, что она выполняет роль посредника между ДНК и белками, то есть информация генетическая переписывается с ДНК на РНК, а потом РНК служит матрицей для синтеза белка.

 

11.2. РИБОНУКЛЕИНОВАЯ ГИПОТЕЗА ПРОИСХОЖДЕНИЯ ЖИЗНИ

Первым, кто сформулировал по настоящему научную теорию возникновения жизни на базе РНК, был итальянский ученый Барбиери, работавший в Западном Берлине. Именно логика его доказательств, изложенная им в статье 1981 г. (130), сейчас цитируется во всех учебниках клеточной биологии, но почему-то без указания на его приоритет. Суть данной мегамодели происхождения жизни состоит в том, что первыми возникли не белки и не ДНК, а рибонуклеиновые кислоты. Начало жизни положила именно самовоспроизводящаяся молекула типа РНК. Согласно Барбиери, любая живая система может рассматриваться как двойственная система, состоящая из генотипа и фенотипа. Интеграция этих двух систем в одну есть результат миллионов лет эволюции. Это не результат единичного события ― самосборки. На самом деле, между белками и ДНК имеется посредник в виде РНК. Существующие рибозимы можно рассматривать как реликты 'мира РНК', раннего периода биохимической эволюции, когда белки еще не получили такого распространения и не приобрели такого значения, как в последующие периоды.

Идея о роли РНК в возникновении жизни на Земле ведет свой счет с публикаций Увоесе (241, 242), который первым предположил, что взаимодействие между алластерической петлей рРНК и тРНК является главным в синтезе белка и что рРНК и тРНК являются активными компонентами синтеза белка, а не пассивными элементами. Действительно, цепи РНК способны сшивать молекулы аминокислот в цепь. Это молекулярная машина трансляции, перевода на другой химический принцип. Согласно Увоесе, первая клетка делала массу ошибок при копировании информации.

В отличие от Увоесе Барбиери (130) предположил, что самые важные события во время возникновения жизни произошли на доклеточном этапе. Всю историю возникновения жизни на Земле Барбиери делит на стадию химической эволюции, которая началась с момента отвердения земной коры и период клеточной эволюции, который начался после возникновения первой клетки. Во время начального периода спонтанно возникли макромолекулы, которые дали начало координированным макромолекулярным системам, которые имели черты примитивных клеток.

Барбиери (130) приводит такую аналогию со своей гипотезой. Предположим, пишет он, что роботы, взяли верх над человечеством и удалили с Земли не только человеческую расу, но и все другие формы жизни. Земля стала стерильной планетой и компьютеры-роботы использую ее минералы для питания, починки и воспроизводства самих себя. Оказалось, однако, что Земля не может обеспечить неограниченный рост популяции роботов, что ведет к возникновению естественного отбора и к эволюции по направлению ко все более высоких типов роботов. В конце концов, это ведет к тому, что у роботов возникает наука и они начинают задавать себе философские вопросы, как же мы возникли. Среди роботов возникают две школы, касательно того, что возникло в начале, примитивные программы или примитивные компьютеры. Но если следовать логике, то они должны прийти к выводу, что их создало что-то другое, но они не могут найти ответ, так как железо и программа это все, из чего они сделаны.

 

11.3. ОБРАЗОВАНИЕ КЛЕТОЧНЫХ ОБОЛОЧЕК

Но рано или поздно преджизнь должна была обзавестись собственными оболочками ― перейти от доорганизменного уровня к организменному. Идеальным материалом для таких оболочек являются липиды, молекулы которых способны образовывать на поверхности воды тончайшие пленки. Если взболтать такую воду, в ее толще образуется множество мелких пузырьков ― водяных капелек, покрытых двухслойной липидной оболочкой (мембраной). Эти капельки проявляют интересные свойства, которые делают их похожими на живые клетки. Например, они способны осуществлять обмен веществ.

Липидные мембраны обладают избирательной проницаемостью: одни молекулы сквозь них проходят, другие ― нет. Благодаря этому одни вещества втягиваются в каплю, другие выводятся, третьи — накапливаются внутри. Правда, для того, чтобы это происходило постоянно, одних мембран недостаточно. Нужно еще, чтобы внутри капли одни вещества превращались в другие, а для этого там должны находиться катализаторы ― белки или РНК.

Первые коацерваты могли образоваться самопроизвольно из липидов, синтезированных абиогенным путем. Впоследствии они могли вступить в симбиоз (взаимовыгодное сожительство) с "живыми растворами" ― колониями самовоспроизводящихся молекул РНК, среди которых были и рибозимы, катализирующие синтез липидов. Подобное сообщество уже можно назвать организмом. У всех живых существ до сих пор в синтезе липидов важнейшую роль играет кофермент А, представляющий собой не что иное, как модифицированный рибонуклеотид. Это ― еще одно напоминание об РНК-мире.

Камнем преткновения для теории РНК-мира в течении некоторого времени была неспособность молекул РНК эффективно взаимодействовать с липидными мембранами. Недавно, однако, было показано, что комплексы из нескольких разных молекул РНК и ионов кальция способны не только прикрепляться к мембранам, но и регулировать их проницаемость.

В дальнейшем РНК-организмы приобрели два важных усовершенствования. Во-первых, они научились катализировать синтез аминокислотных полимеров ― сначала коротких пептидов, а затем и длинных белков. Эти вещества стали для РНК-организмов универсальными помощниками, справляющимися с большинством биологических "работ" гораздо лучше, чем рибозимы. Симбиоз РНК и пептидов, вероятно, начал складываться задолго до появления настоящей клетки и генетического кода. Напоминают об этом этапе недавно открытые комплексы из небольших молекул РНК и пептидов, выполняющие множество регуляторных функций, а также строение некоторых важных молекул, таких как кофермент А — рибонуклеотид с прикрепленным к нему пептидоподобным "хвостом".

Поначалу РНК-катализ белкового синтеза, скорее всего, не был строго специфичным: последовательности аминокислот из раза в раз воспроизводились не точно, а лишь приблизительно. Поскольку точность в данном случае резко повышала стабильность живой системы, естественный отбор способствовал выработке все более специфичных каталитических систем. Дело кончилось возникновением универсальной системы специфичного синтеза любого требуемого пептида. Это и был генетический код вкупе с комплексом рибозимов, необходимых для его прочтения.

Чтобы два рибонуклеотида соединились вместе, к одному из них должен быть присоединен дополнительный фосфат (или сразу два). Получившаяся молекула ― рибонуклеотид с лишним фосфатом — содержит в себе большое количество энергии. Эта энергия, при наличии подходящих катализаторов, может быть использована для выполнения разных полезных "работ". В том числе для соединения двух рибонуклеотидов в одну молекулу ― маленькую РНК.

Рибонуклеотиды с дополнительными фосфатами первоначально использовались, скорее всего, только как "строительные кирпичики" при синтезе РНК. Кирпичики, надо сказать, очень удобные ― ведь они включают в себя не только строительный материал, но еще и энергию, необходимую для выполнения строительных работ! Впоследствии они стали использоваться для тысяч других важных дел ― везде, где для выполнения какой-то работы требуется энергия. Все живое и по сей день пользуется фосфорилированными рибонуклеотидами как универсальными поставщиками энергии при выполнении энергоемких задач. Самая известная из этих "энергетических" молекул ― АТФ (аденозинтрифосфат). Это обычный рибонуклеотид, к которому присоединены два дополнительных фосфата. АТФ ― одновременно и источник энергии для множества энергоемких реакций, и один из кирпичиков для синтеза РНК.

Так земная преджизнь нашла универсальное решение сразу двух задач: запасания энергии в удобной форме и синтеза РНК ― главных молекул жизни. Между прочим, другие ключевые "энергетические" молекулы живой клетки ― НАД, НАДФ и ФАД ― представляют собой пары сцепленных рибонуклеотидов (одного стандартного и одного "неклассического"). Это еще одно наследие РНК-мира".

Вторым указанием на роль РНК в происхождении жизни является тот факт, что цепи ДНК, на которых синтезируются рРНК, являются очень консервативными в эволюции и почти одинаковы у всех видов. Это след их древнейшего происхождения (130, 242).

Рибонуклеиновые кислоты сформировали рибосомы и дали начало белкам и потом стали использовать паразитную ДНК в качестве носителя информации. Из РНК-мира уже возникли организмы, где есть ДНК, есть белки и РНК.

Есть несколько косвенных свидетельств того, что в древности жизнь была построена на основе РНК. Например, рибосомная РНК и транспортная РНК могут делать ту же работу, что и белки. Эти РНК отвечают за то, чтобы правильно считать информацию, которая записана в информационной молекуле РНК, которая была считана с гена, то есть с ДНК. Рибосомы, синтезирующие белок, сделаны из рибосомной РНК. Белки там тоже есть, но основу составляет рибосомная РНК. А ведь здесь мог бы работать белок и, наверное, более эффективно. Функцию транспортной РНК ведь тоже мог бы выполнять белок.

РНК может заменить ДНК ― это и раньше было известно, потому что были известны РНК вирусы. Как я уже писал выше, есть вирусы, у которых хранителем наследственной информации служит РНК.

В середине 80-х годов были обнаружены так называемые рибозимы, то есть, молекулы РНК, которые катализируют химические реакции. Другими словами, оказалось, что некоторые молекулы РНК могут фактически заменять белки, могут выполнять активную работу, в частности, могут выполнять каталитические функции, работать катализатором.

После же открытия ферментов, сделанных из РНК, стало ясно, что РНК могут заменить собой и ДНК, и белки. Следовательно, теоретически возможен организм, в котором нет ни белков, ни ДНК, а есть только РНК. Следовательно, на определенном этапе жизнь на Земле могла состоять состояла из РНК-организмов. Но для этого РНК организмы должны были иметь способность самовоспроизводиться.

 

11.4. КАКОЙ БЫЛА ПЕРВАЯ РИБОНУКЛЕИНОВАЯ КЛЕТКА?

Если синтезировать случайным образом много белков и сделать из них искусственную клетку, то во-первых, большинство белков не будут обладать каталитическими свойствами. Во-вторых, при синтезе большая часть их мРНК будет гибридизирована другими мРНК и склеена и не сможет участвовать в синтезе белка на рибосомах.

Одним из подходов в решении вопроса о том, как родилась жизнь, является эксперименты по созданию полностью искусственных клеток. Причина в том, что любые попытки уменьшить геном бактерии, убирая не самые необходимые гены, для того, чтобы оставить только минимальные и достаточные компоненты генома, заканчиваются на этапе, когда в минимизированной бактериальной клетке остается сотни генов и тысячи различных белков и других молекул (226). Следовательно, набор генов и белков в современных даже бактериальных клетках есть продукт длительной эволюции, когда первоначальные механизмы были утрачены всерьез и навсегда. С другой стороны, данные эксперименты вносят свою лепту в поддержку идеи о РНК как начале всего живого. Поэтому начинать надо с самого начала и создавать искусственную клетку без участия белков.

В состав РНК входит четыре азотистых основания: аденин, урацил, гуанин и цитозин; соответственно, существует четыре вида рибонуклеотидов. Азотистые основания могли синтезироваться из неорганических молекул (таких, как CO, HCN и NH3) еще в протопланетном облаке. Их находят и в метеоритах. Третья ― сахар рибоза ― образуется в ходе автокаталитической реакции Бутлерова.

Исходя из современного уровня знаний можно полагать, что для того, чтобы сделать искусственную клетку, надо чтобы РНК была способна служить матрицей на которой происходит заключенной в цепи ее нуклеотидов информации и требуется вторая молекула, которая бы пришивала нуклеотиды к растущей копии на основе информации в РНК. Это может быть та же самая РНК, если ее концы обладают способностью катализировать реакцию пришивания нуклеотидов к растущему концу новой РНК. Сначала конец свертывается и делает дело, копируя начало, а потом начало свертывается и продолжает копирование, подхватывая эстафету у работавшего ранее конца РНК, свернутого чтобы получить фермент.

Жизнь возникает, если имеются 2 компонента реплицирующейся системы: 1. Запись информации на некоем носителе. 2. Трехмерная структура, в которой она располагается. Но молекулы РНК-копирователя не являются живыми по двум причинам. 1. Единственная молекула не может копироваться, так как она не может быть одновременно тем, что копируют и тем, который копирует. Поэтому реакция копирования требует наличия 1) копирователя и 2) молекулы, которую копируют, например, РНК в линейном виде (226).

Что же требуется для организма, состоящего из РНК и который можно было бы назвать живым? 1. Что такое автономная репликация копирование. Это непрерывный рост и деление, который основан на поступлении малых молекул и энергии и он не должен был быть зависимым от наличия продуктов предшествующей живых систем, таких как белки и ферменты.

2. Чтобы РНК жизнь работала, надо, чтобы катализаторы, включающие только пурин, должны уметь синтезировать пиримидины. РНК-катализаторы представляют собой проблему курицы и яйца. Первая молекула репликазы (то есть молекулы, которая снимала копию другой молекулы) не могла сделать сама себя. Первая молекула РНК катализатора, которая синтезировала пиримидины, не могла синтезировать молекулы, из которых она состояла. Поэтому многие предполагают существование пре-РНК мира, который дал начал РНК-миру, по-видимому, путем способствования синтезу РНК мономеров и олигомеров, что затем требовалось для перехода к РНК миру.

По мере перехода к РНК миру, молекулы РНК должны были научиться делать свои собственные нуклеотиды. Концентрация нуклеотидов в самом начале жизни была очень низкая.

3. Наконец, для того чтобы реакция копирования РНК шла успешно требуется отгородиться от внешней среды, либо иметь высокую концентрацию нуклеотидов. Это может быть реализовано путем создания маленьких сфер, сделанных из двойного слоя липидных молекул, где гидрофобные, не смачиваемые водой концы молекул ввернуты внутрь двойного слоя, а наружу торчат только те концы липидных молекул, которые смачиваются водой. Для того, чтобы такая гипотетическая система работала, надо, чтобы внутри такой окруженной двойным липидным слоем капельки имелись не только РНК, РНК-полимеризатор и нуклеотиды, но и сделанные из РНК катализаторы, способные синтезировать на основе имеющихся липидов новые липиды или просто способные синтезировать липиды вновь (без наличия матрицы, то есть de novo) (226).

Оказывается, в природе существуют и липиды, пригодные для таких целей. Они способны в условиях близких к таковым, какие существовали в очень давние времена, близким к природным, образовывать маленькие сферы. Эти сферы могли сливаться и разделяться. Тем самым нуклеотиды могли бы доставляться к липидным капелькам с РНК и нуклеотидами внутри мелких пузырьков и доставка других липидов шла бы за счет такого же слияния (226).

 

11.5. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЖИЗНИ В ПРОБИРКЕ

Процесс эволюции РНК был смоделирован в пробирке. Оказалось, что РНК вполне себе эффективно эволюционирует, ферментативные активности создает. В принципе, возможен полноценный живой организм, не имеющий ни белков, ни ДНК, в котором все функции выполняются только молекулами РНК. Конечно, ДНК лучше справляется с задачей хранения информации, а белки ― с "работой". Только РНК и ДНК в настоящее время могут рассматриваться как генетический материал для целей практического воспроизведения эволюции в пробирке. Так появилась теория РНК-мира, согласно которой первые живые организмы были РНК-организмами без белков и ДНК. Первым прообразом будущего РНК-организма мог стать автокаталитический цикл, образованный самовоспроизводящимися молекулами РНК ― теми самыми рибозимами, которые способны катализировать синтез собственных копий.

Теория РНК-мира, предложенная Барбиери (130), очень быстро, как говорит А. Марков (66), "обрастает" экспериментальными данными. Химики научились получать рибозимы чуть ли не с любыми желаемыми характеристиками (для этого синтезируют огромное количество разных РНК со случайной последовательностью нуклеотидов, а затем просто отбирают из них молекулы с нужными свойствами). Получены рибозимы, РНК, катализирующие синтез нуклеотидов, присоединение аминокислот к РНК и другие биохимические процессы. Стирая грань между живым и неживым, уже растут на искусственных средах в лабораториях новые объекты ― колонии размножающихся молекул РНК, способные к тому же синтезировать белки.

Недавно американский ученый Бартель из MIT из случайной последовательности нуклеотидов РНК "эволюционировал" РНК-овую матрице-зависимую РНК-лигазу. Потом он эту лигазу научил одиночные нуклеотиды по матрице присоединять. Потом он "сэволюционировал" РНК-зависимую РНК полимеразу из РНК в пробирке. Это доказано в масштабах пробирки и нескольких дней реакции. Что уж и говорить о планетарных масштабах и сотнях миллионов лет! А реально масштабы не планетарные, а вселенские. Комбинаторика вполне согласна с экспериментальными данными.

Снова послушаем А. Маркова (66): "Химики синтезируют случайные молекулы РНК, состоящие из случайных последовательности букв-нуклеотидов в огромном количестве, а потом проводят отбор по интересующему их свойству. Например, хотят получить молекулу РНК, которая бы крепко связывалась с атомами железа. В эту смесь полученных молекул опускают железную палку, вынимают, кто прилип, тот нам и нужен. Таким образом, можно фактически любое заданное свойство выбрать. Потом можно в несколько циклов, то есть выбрать те молекулы, которые лучше всего справились с поставленной задачей, и в них вносить изменения, чтобы еще лучше подогнать это свойство, усилить эту функцию, добиться оптимального результата. Вот таким способом удалось вывести рибозимы (молекулы РНК, обладающие каталитичскими свойствами ― С. М.), которые катализируют синтез РНК чуть-чуть, но это было не совсем, то хотелось получить фермент, который реально делает копию, копирование. Ферменты с такой функцией называются РНК-полимеразы, они на матрице одной молекулы РНК синтезируют другую и комплементарную, считывают. В конце концов, удалось изготовить такой рибозим, но с очень большим трудом. Его собрали из нескольких молекул РНК, не одну, а несколько пришлось объединить. Но все-таки показали, что принципиальная возможность есть. А сейчас уже добились того, что живут, растут сами как в колонии микроорганизмов в колонии молекулы РНК в пробирке. Правда, это не чистые РНК-организмы, а это симбиоз с белками, потому что эти РНК кодируют некие белки-ферменты, сами их синтезируют, а уже эти белки осуществляют размножение молекул РНК, но все равно какая-то искусственная РНК-белковая жизнь получается".

Глюкозидная связь между нуклеотидным основанием и рибозой, кажется, является наиболее трудной ступенью для синтеза в предбиотическом нуклеотидном синтезе (131). В живых клетках не обнаружилось молекул РНК, которые способны были бы катализировать синтез собственных копий. Тогда стали пытаться получить их искусственно. Сейчас научились при помощи метода искусственной эволюции получать самые разнообразные молекулы РНК с самыми разными функциями.

Начаты работы по перебору случайных последовательностей нуклеотидов, образующих цепи РНК на предмет указанных свойств, необходимых для возникновения жизни. И уже есть первые подтверждения, того, что указанная гипотеза возникновения жизни имеет право на существование. Случайным образом синтезировались короткие последовательности нуклеотидов с помощью той же самой реакции, что используется белковыми ферментами, которые катализируют полимеризацию РНК.

В лабораториях уже сделаны успешные попытки синтезировать на основе натуральных, то есть имеющихся в природе, цепочек РНК, участвующих в сплайсинге. Для этого синтезируют случайным образом молекулу РНК. Такие РНК цепочки после ряда мутаций оказались способными к репликации, хотя реакция и шла медленно (131).

Выяснилось, что, начиная с самого раннего этапа развития каких-то коротких кусочков РНК в разных условиях, уже ничего не получается, если у этих молекул РНК нет возможности друг с другом обмениваться кусками, соединяться, разъединяться (67).

Как пишет Марков (67), "в теории РНК-мира до недавнего времени была большая проблема, РНК очень плохо взаимодействует с липидными мембранами, не хотят с ними соединяться, вступать в какие-то комплексы. И было непонятно, как мог существовать окруженный мембраной РНК-организм. Тем не менее, решили исследователи эту задачу, оказалось, что все дело в ионах металлов, которые образуют комплексы с молекулами РНК. Это резко расширяет возможности рибозимов и активных молекул РНК. Мы знаем, что в древнем океане было гораздо больше, чем сейчас растворено всяких редких металлов, ионов, таких как вольфрам, например, которых сейчас очень мало, но раньше было гораздо больше, кобальт, молибден, и ионы этих металлов, образуя комплексы с различными молекулами РНК, резко расширяют их возможность".

Катализаторы из РНК, РНК-ферменты, имеют высокую активность в присутствии высоких концентраций двухвалентных ионов. Оказалось, что соединяясь с ионами кальция, молекулы РНК могут образовывать устойчивые соединения с липидными мембранами и даже могут определенным образом регулировать проницаемость этих мембран. Это все тоже экспериментально воспроизводится (67).

В мире РНК ферменты, образованные цепями РНК, должны быть ответственными за синтез нуклеотидов. Например, в ядре позвоночных сплайсинг производится специальными олигокомплексами сплайсеосомами, которые по размеру почти равны рибосомам. Эти комплексы содержат большей частью белки, но также включают на различных стадиях РНК. Но эти сРНК не обнаруживают каталитической активности.

В пробирке была сделана попытка синтезировать настоящую репликазу РНК. Был проведен эксперимент по отбору коротких молекул РНК, которые создавались случайным образом. Было протестировано 10 в 14 степени вариантов коротких молекул РНК, производных от молекул РНК, участвующих в сплайсинге, на предмет их способности осуществлять полимеризацию РНК, удлинение молекул РНК.

Было обнаружено 4 различных реакции, но ни одна не была способна сшивать короткие цепочки РНК или удлинять цепочку путем присоединения отдельных нуклеотидов. Однако найдены короткие молекулы РНК, способные осуществлять реакции, которые используются в сплайсинге ― там имеется 4 типа саморазрезающих последовательностей нуклеотидов, то есть способные разрезать цепи других нуклеотидов той же РНК. Кроме того, были изолированы цепочки РНК, которые способны осуществлять совершенно новую, неизвестную ранее биохимическую реакцию, так называемую реакцию трансэстерификации, но она совершенно другая, чем та, которая осуществляется с помощью белков.

Недавно была промоделирована эволюция молекул РНК, обладающих каталитическими свойствами. Для воспроизведения процесса эволюции ученые выбрали не очень длинные молекулы РНК, которые не очень эффективно катализировали собственное размножение. Через 70 часов эволюции in vitro молекулы стали выполнять свои функции в 90 раз эффективнее. Как пишут в Ленте. ру, "Эксперимент проводился по следующей схеме. В реакционной смеси, где размножались РНК, содержался флуоресцентный краситель, который встраивается в новосинтезированные цепи РНК, однако не взаимодействует с отдельными нуклеотидами. Флуоресценция реакционной смеси постоянно измерялась. При ее усилении в 10 раз из смеси отбиралась аликвота (небольшое количество) и переносилась в пустую емкость. К аликвоте добавляли свежие реагенты, необходимые для размножения молекул: нуклеотиды и фермент, обеспечивающий синтез цепи. Таким образом ученые моделировали процесс отбора. При наличии большого количества реагентов все молекулы РНК "выживают" и размножаются. В условиях недостатка реактивов преимущество получают молекулы, которые способны наиболее эффективно катализировать собственное размножение, а значит ― увеличивать число копий самих себя. Изначально все молекулы РНК имели одинаковую последовательность нуклеотидов. Однако при синтезе новых цепей фермент делает ошибки. Соответственно, "дочерние" молекулы не всегда являются точными копиями "родительских". Некоторые мутации новосинтезированных цепей никак не влияют на их функции, некоторые увеличивают эффективность синтеза, а некоторые, напротив, уменьшают. В условиях недостатка реагентов преимущественно размножаются те молекулы, мутации в которых увеличили эффективность их "работы". Соответственно, число таких мутантных молекул растет. Число тех молекул, которые недостаточно эффективно катализируют свое размножение, не изменяется. Шансы таких молекул попасть в число "счастливчиков", которых заберут из истощенной смеси, все время уменьшаются. Всего ученые провели 500 этапов отбора. Проанализировав молекулы, "дожившие" до последнего этапа, они обнаружили, что в них накопилось 11 мутаций, которые тем или иным образом увеличивали эффективность синтеза".

Для РНК-ферментов труднее, чем для белков использовать низкомолекулярные субстраты. Белки гораздо более эффективные катализаторы, чем молекулы РНК. Однако только РНК может служить матрицей, которая сохраняет информацию и ее передачу и как катализатор, который полимеризует РНК цепи и копирует свою собственную последовательность (131). В мире РНК молекулы РНК должны были бы сами хранить наследственную информацию и функционировать и как катализаторы, регулирующие метаболизм (226).

Вторым крупным усовершенствованием РНК-организмов было приобретение ДНК. Молекулы ДНК более устойчивы, чем РНК, и потому являются более надежными хранителями наследственной информации. Платой за стабильность стала неспособность молекул ДНК сворачиваться в глобулы и выполнять какие-либо активные действия. Изначально ДНК, скорее всего, была чем-то вроде покоящейся фазы в жизненном цикле самовоспроизводящихся колоний РНК, и лишь много позднее она стала основным носителем наследственной информации (66, 67).

По мнению Барбиери (130), изначально ДНК была не более, чем загрязнением РНК. Однако она оказалась идеальным паразитом и, в конце концов, взяла на себя функцию хранения информации ― часть функций первичной клетки по сохранению информации была необратимо передана ДНК. Данная модель объясняет, почему в ДНК только 5 % нуклеотидных последовательностей кодируют белки, а остальное является шумом, она снимает вопрос вероятности. Тем самым гипотеза Увессе-Барбиери снимала возражения к гипотезам первичности белков и гипотезе первичности ДНК.

Каждые три нуклеотида в молекуле ДНК кодируют одну аминокислоту в молекуле белка. Сейчас никто не знает, как именно появился генетический код. Известно, что он одинаков у всех живых организмов. Скорее всего, в начале генетический код был неполным, нечетким, неточным. Катализ был не точный, а приблизительный. Генетический код возник один раз, все ныне живущие организмы унаследовали именно этот генетический код. Нельзя исключить, что были и другие варианты, но они не дожили до наших дней (67).

 

11.6. ГДЕ ВОЗНИКЛА ПЕРВАЯ ЖИЗНЬ?

Важным является вопрос, а где же возникла первая жизнь. Судя по концентрации ионов внутри цитоплазмы у большинства современных клеток, первая протоклетка — предшественник полноценной клетки, могла образоваться в «лужице» с дождевой водой. Как я уже писал выше, основным ионом цитоплазмы является калий, который мог в достаточных количествах присутствовать в глинистых почвах.

Вот как описывает этот процесс доктор биологоческих наук А. Марков (66): " Все живые организмы дискретны в пространстве и имеют наружную оболочку. Трудно представить себе живое существо в виде туманного облачка или раствора. Однако поначалу преджизнь существовала именно в виде растворов. Чтобы не раствориться окончательно, не рассеяться в водах древних водоемов, "живые растворы" должны были ютиться в крошечных полостях, которые часто встречаются в минералах. Это тем более удобно, что некоторые минералы (например, пирит) являются неплохими катализаторами для многих биохимических реакций. Кроме того, поверхность минералов могла служить своеобразной матрицей, основой, к которой прикреплялись молекулы РНК. Упорядоченная структура кристаллов помогала упорядочить и структуру этих молекул, придать им нужную пространственную конфигурацию.

 

11.7. КТО ТЫ, НАШ ОБЩИЙ ПРЕДОК?

Большую часть сведений об эволюции эукариотических клеток и их органелл, внутри этих клеток я взял из коллективной монографии под редакцией Джекели (178), который в своих главах постоянно подчеркивает: идея о том, что простой организм ― примитивный организм, не верна. Пример ― микроспоридия, паразит, который является наиболее простым эукариотом, однако он произошел из более сложных простейших.

У всех живых существ на Земле один и тот же генетический код, принципиально одно и то же строение рибосом, транспортных РНК и многие другие молекулярные особенности одинаковые у всех без исключения форм жизни. Это дает основания ставить вопрос об общем предке всех живых организмов. Как пишет А. Марков (67), среди биологов идут большие споры по поводу того, какой образ жизни вел этот первый организм-всеобщий предок, как он жил, какой у него был обмен веществ, как он получал энергию. Очень быстро этот предок дал начало двум ветвям жизни, так называемые бактерии и археи ― две основных группировки прокариотов, то есть безъядерных организмов.

Как шел отбор белков, как шел отбор функций? По отбору этих основных свойств клеток можно судить об эволюции организмов. Есть специальные компьютерные программы, строящие линии эволюции белка. Это так называемый молекулярнофилогенетический анализ, то есть построение эволюционных деревьев на основе сравнения геномов современных микроорганизмов. Строя такие деревья, сейчас для этого существует хорошие, надежные, мощные компьютерные программы, можно понять, в каком порядке появлялись разные группы, в каком порядке происходили ответвления. И таким образом можно понять, кто появился раньше, кто позже и кто первым. Особенно полезным оказался филогенетический анализ высококонсервативной субъединицы рибосомальной РНК (130).

С большой вероятностью первыми были метаногенные археи ― это такие микроорганизмы, которые по сей день живут везде, где нет кислорода, но есть такой хороший восстановитель, как молекулярный водород, например. Эти метаногены живут, в частности, в кишечнике, там, где закапываются свалки, они заводятся под землей в бескислородных условиях, производят метан. Тает вечная мерзлота в Сибири, они там тут же заводятся, начинают производить метан, в болотах и так далее. Так вот метаногенные археи, помимо того, что они, на основании данных по сравнительной геномике, хорошие кандидаты на роль первых организмов, они еще по своей экологии хорошие кандидаты, потому что им ничего не нужно, кроме самых простейших химических соединений для жизни (67, 130).

Есть гипотезы, что прокариоты и эукариоты произошли от общего предка, но сейчас они мало популярны. Согласно так называемой основной гипотезе возникновения жизни по Увоесе (Woese, по имени автора), Археоэи и Эукариоты считаются сестрами, возникшими почти в одно и то же время, а бактерии возникли первыми. Около 1,5 млрд. лет назад в мире, населенном прокариотами, появились эукариоты (130, 178).

Рибосомы были образованы природой в ходе эволюции очень давно и потом практически не менялись. Рибосомы прокариотов и эукариотов разнятся. Они не могут заменить друг друга ― природа не повторяется. Они разнятся даже по размеру. Общий предок имел рибосомы промежуточные для про- и эукариотов. Молекулярный вес 70S рибосом прокариотов составляет 2 000 000 Дальтон, а молекулярный вес 80S рибосом в эукариотических клетках превышает 4 млн. Дальтон (единица измерения массы, равная по весу атому водорода), но до сих пор точность трансляции в первом типе рибосом выше (130). Молекулярная масса рибосом, выделенных из гороха, морского ежа, курицы и мыши, равна 3,9, 4,1, 4,3 и 4,5 млн. Дальтон соответственно (140). Рибосомы от разных видов эукариотов могут иметь отличающиеся друг от друга белки, но они синтезируют белки с той же самой точностью.

Почему нет эукариотов с рибосомами 70S? Видимо, такие эукариоты не могли переместить мелкие рибосомы из ядра в цитоплазму. С другой стороны, прокариоты в 8 °C рибосомами могли выжить, но они страдали при конкуренции с обычными прокариотами и вымерли. Прокариоты и эукариоты жили в симбиозе более миллиона лет и не обменивались своими рибосомами (130). Барбиери (130) считает, что рибосомы 70S произошли от рибосом 80S или обе произошли от единого общего предка, например 90S рибосомы. Но эта гипотеза требует тщательной проверки.

 

11.8. СИМБИОЗ С БАКТЕРИЯМИ ПРИВЕЛ К ОБРАЗОВАНИЮ МИТОХОНДРИЙ

Гипотеза о симбиотическом происхождении митохондрий была предложена в 1905 г., когда русские учёные К. Мережковский и А. Фаминцын выдвинули гипотезу о ведущей роли симбиоза в прогрессивной эволюции органического мира (гипотеза симбиогенеза), рассматривая, например, хлоропласты цветковых растений как видоизменённые симбиотические водоросли. В настоящее время она получила подтверждение на основе генетического анализа.

Ныне уже почти ни у кого не вызывает сомнения, что митохондрии и пластиды есть результат захвата из внешней среды прокариотических организмов и их адаптации к жизни внутри хозяина. Согласно современной симбиотической гипотезе, пластиды (места локализации хлорофилла и выработки химической энергии из энергии лучей солнца) произошли от цианобактерий (археобактерией), а митохондрии от альфа протобактерий иначе называемых пурпурными бактериями.

В пользу симбиотического происхождения митохондрий и пластид свидетельствуют следующие факты. Митохондрии и пластиды имеют две полностью замкнутые мембраны. При этом внешняя сходна с мембранами вакуолей, внутренняя — бактерий. Обе органеллы размножаются бинарным делением (причем делятся иногда независимо от деления клетки), никогда не синтезируются de novo. Их генетический материал представлен сравнительно небольшой (около 16,5 тысяч пар нуклеотидов) замкнутой в кольцо ДНК, не связанной с гистонами (по доле нуклеотидных пар Г-Ц ДНК митохондрий и пластиды ближе к ДНК бактерий, чем к ядерной ДНК эукариот). Митохондрии и пластиды имеют свой аппарат синтеза белка — рибосомы и др. Их рибосомы прокариотического типа — с величиной скорости осаждения, равной 70S. Их рРНК по строению близки к бактериальной. Некоторые белки этих органелл похожи по своей первичной структуре на аналогичные белки бактерий и не похожи на соответствующие белки цитоплазмы.

Археозоа ― это первично безмитохондриальная клетка, которая возникла в бескислородной среде 2,3 млрд. лет назад, перед Великим Кислородным Событием, небольшим по продолжительности периодом времени, когда на Земле резко увеличилась концентрация кислорода в атмосфере. Все амитохондриальные виды эукариотов являются не примитивными предшественниками, а высоко специализированными видами, как, например, микроспоридия. Гидрогеносомы и митосомы являются органеллами, которые в процессе эволюции произошли от митохондрий.

 

11.9. КАК ОБРАЗОВАЛИСЬ ОРГАНЕЛЛЫ КЛЕТОК ПОСЛЕ ПОЯВЛЕНИЯ МИТОХОНДРИЙ?

Эукариотические клетки имеют химерную природу, обладая свойствами археобактерий и бактерий и плюс некоторыми специфическими свойствами. Общий предок эукариотов уже имел митохондрии и цитоскелет. Именно приобретение митохондрий (а не ядра) было ключевым моментом в становлении эукариот. Именно внедрение в цитоплазму митохондрий позволило начать дифференцировку плазматической мембраны и ее деление на два участка. Один ― с холестролом, жидко-кристаллический. Другой — упакованный хаотично (178).

Происхождение ядра описывается тремя гипотезами.

1. Симбиотическая гипотеза

2. Образование вновь из везикул.

3. Образование из выростов плазматической мембраны.

Сейчас 3 гипотеза стала доминирующей.

Один из возможных сценариев образования эндоплазматического ретикулума, а затем и ядерной оболочки состоит в следующем. Предшественники эукариотов были близки к бактериям. В прокариотах молекулы ДНК прикреплены к плазматической мембране. Предположим, что в прокариоте или в предшественнике появилась молекула, которая при внедрении в бислой липидов плазматической мембране вызывает его изгибание и образование инвагинаций. Анализ филогенеза так называемых малых ГТФаз показал, что наиболее древней из них является Сар1 п. Сар1 п может как малая ГТФаза (фермент, гидролизующий гуанидин трифосфат) присоединяться к внутренней поверхности плазматической мембраны и вызывать ее изгиб и образование выростов, направленных внутрь (178).

При этом происходила сортировка лидидов. Наличие митохондрий ведет к возможности образования стеролов и вытеснению гибкой мембраны внутрь клетки. Те, которые легко изгибаются, будут концентрироваться в мембране инвагинации, а те, которые не очень гнутся, будут оставаться на плазматической мембране. Молекулы ДНК могут концентрироваться в тех доменах липидов, которые более гибкие, то есть в инвагинациях. Те же липиды, которые более резистентны к действию внешней среды будет концентрироваться на гладкой мембране. Подобные промежуточные формы прокаритотов найдены среди бактерий. Они имею обширные инвагинации, и ДНК прикреплена именно к этим инвагинациям, а не окружающей клетку плазматической мембране. Устье перекрыто полисахарами. Тем самым появляется возможность разделить функции синтеза белка и его транспорта через мембрану наружу (178).

К выростам присоединялась ДНК. Та же гибкая мембрана забирала в себя поры, образованные комплексом белков и пронизывающие плазматическую мембрану. Богатая холестеролом мембрана все это вытесняла. То есть эндоплазматическая сеть есть производное внутренних инвагинаций плазматической мембраны. Найдены бактерии с подобными мембранными структурами внутри цитоплазмы. При этом пространство внутри мембран, окружающих аналог ядерной оболочки, соединяется с пространством между двумя мембранами, окружающими клетку (155, 192). Небольшой, способный гидролизовать молекулы ГТФ, белок субкомплекса ядерной поры имеет филогенетическую связь с субъединицами КОП1 и КОП2 и клатрина (178).

Эукариотический ядерный геном является химерным (то есть составленным из частей разных организмов) с самого начала. В нем смесь имеется генов архейного и бактериального происхождения, которые объединились на ранних этапах становления эукариотической клетки. Затем большинство генов предков митохондрий ― альфа-протеобактерий и предков пластид — цианобактерий ― переместились в ядерный геном в ходе процесса симбиогенеза.

Нуклеоплазма эукариот сочетает в себе признаки архей и бактерий, а также имеет множество уникальных особенностей, которых нет у современных прокариот. Нуклеоплазма эукариот, по-видимому, представляет собой химерное образование. Ее центральные блоки имеют преимущественно архейное происхождение, а значительная часть «периферии» ― бактериальное. Видимо, многие гены митохондрий переместились в ядро, а белки, ими кодируемые, стали работать в цитоплазме. Однако, как выяснилось, в нуклеоцитоплазме присутствует довольно много «бактериальных» доменов, не характерных ни для цианобактерий (предков пластид), ни для альфа-протеобактерий (предков митохондрий). У эукариот имеются ядерные гены, кодирующие цитоплазматические белки, но по последовательностям нуклеотидов близкие к генам протеобактерий (предков митохондрий). Это говорит о том, что симбиоз митохондрий внутри эукариотических клеток сыграл более важную роль в формировании эукариотической клетки, чем ранее предполагалось. Многие изначально «митохондриальные» гены были адаптированы для выполнения функций в ядре и цитоплазме.

После того, как сформировалась ядерная оболочка, следующим возникла малая ГТФ-аза, ответственная за образование ядерных пор. Это ещё одно свидетельство в пользу подобной гипотезы. Затем возникла необходимость отделить пространство внутри эндоплазматической сети и ядерной оболочки от внешней среды и появился КОП1, жесткий комплекс белков, специализирующийся на разрушении мембранных трубочек.

Согласно ведущей гипотезе образования эукариотов, первый эукариот возник как организм, поедающий другие организмы. Он уже имел все органеллы, присущие нынешним эукариотам: митохондрии, ядро, эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи … Предок эукариотов, скорее всего, имел плазматическую мембрану со складками (178), что и позволило ему захватить в свою цитоплазму бактерии, которые потом превратились в митохондрии.

Итак, изучение вопроса о том, как возникла жизнь на Земле, показывает, что в течение всей эволюции никаких связей ген — признак не было. Если признак-ген или ген-признак, то жизнь должна на Земле начаться либо с белков, либо с ДНК, а она началась с РНК, которые могут выполнять и функции белка и функции ДНК. То есть сплайсинг ― древняя форма реакции, а не производная приспособительная, возникшая в ходе эволюции. То есть, все было случайно. Следовательно, не было изначально сочетания ген-признак. Если всё это так, то идея формальных генетиков о соотношении ген-признак, скорее всего, не верна. То есть все это (РНК, ДНК, белок) развивалось вместе и были изначально механизмы, которые улучшали способность передавать информацию из поколения в поколение без искажений. Сначала с использованием РНК, затем система была улучшена путем введения в систему ДНК и, наконец, белков.