Ключевым этапом зарождения жизни было появление химических репликаторов — комплексов молекул, способных к самокопированию и дарвиновской эволюции. Первые репликаторы должны были сразу же столкнуться с проблемой репликационных паразитов — «безбилетников», использующих ресурсы сообщества для собственного размножения и ничего не дающих взамен. Спасти зарождающуюся жизнь от засилья паразитов могла компартментализация — размножение внутри маленьких изолированных ячеек, таких как микрополости минералов или «протоклетки», окруженные липидными мембранами. Эксперименты на искусственных репликаторах показали, что для защиты от паразитов репликаторам не нужно постоянно находиться внутри компартментов: достаточно периодического разделения раствора на мелкие капельки, которые потом могут снова сливаться. Такой эволюционный режим не дает распространяться агрессивным паразитам, но сохраняет определенную пропорцию «умеренных» паразитов, не приносящих большого вреда сообществу и способных служить исходным материалом для полезных эволюционных новшеств.
Первые эволюционные эксперименты на искусственных репликаторах — комплексах молекул, размножающихся вне живой клетки — были проведены еще в конце 1960-х годов. Удобной модельной системой для таких опытов являются компоненты бактериофага Qβ: молекула РНК, представляющая собой геном вируса, и его же фермент — Qβ-репликаза, которая размножает вирусную РНК.
В такой системе отбор поддерживает молекулы РНК с любыми мутациями, повышающими скорость репликации. В результате исходный вирусный геном стремительно деградирует, теряет более 80% своей длины и в итоге превращается в так называемого «монстра Шпигельмана» — маленькую молекулу РНК, имеющую мало общего с исходным вирусным геномом, но зато размножаемую Qβ-репликазой с максимальной скоростью. Фактически остаются только сигнальные последовательности нуклеотидов, необходимые для распознавания молекулы ферментом-репликазой и для запуска процесса репликации.
Рис. 1. Молекула РНК, которая играла в эксперименте роль репликатора, состоит из генома вируса Qβ (MDV(-) RNA) со встроенным в него рибозимом (trans VS ribozyme). Рибозим разрезает другую молекулу РНК — субстрат (Substrate), производя две более короткие молекулы (Product), одна из которых при этом начинает флуоресцировать (оранжевый круг). Справа приведена схема размножения молекулы-репликатора ферментом Qβ-репликазой (размножать субстрат этот фермент не умеет) в капельке воды, плавающей в химически инертном масле.
Подобные эксперименты ярко высветили серьезную проблему, с которой должна была столкнуться зарождающаяся жизнь. Как только появляется содружество молекул (например, рибозимов), способное к производству собственных копий, в нем обязательно должны сразу же завестись паразиты — молекулы-мутанты, которые умеют быстро размножаться за чужой счет, не принося при этом пользы сообществу. Если зарождающаяся жизнь не сумеет защититься от таких «безбилетников», их бесконтрольное размножение неизбежно и очень быстро погубит ее.
Спастись от паразитов помогает компартментализация, то есть обособление небольших порций размножающихся молекул в изолированных ячейках (компартментах). В этом случае будет работать групповой отбор на уровне ячеек, который даст преимущество населению тех ячеек, где паразитов мало. Групповой отбор будет противодействовать индивидуальному отбору на уровне отдельных молекул, который дает преимущество паразитам.
В роли исходных компартментов могли выступать «протоклетки», окруженные примитивными мембранами из абиогенно синтезированных жирных кислот, спиртов и липидов. Впрочем, для того, чтобы эффективно контролировать рост и размножение протоклетки, сидящий в ней химический репликатор, по-видимому, должен быть уже довольно сложным, в то время как проблема безбилетников встает в полный рост уже перед самыми первыми, простейшими репликаторами. Поэтому важно понять, могут ли какие-то более простые варианты компартментализации (в том числе временная компартментализация с периодическим слиянием содержимого компартментов обратно в «общий котел») защитить зарождающуюся жизнь от паразитов.
Уже получены экспериментальные подтверждения того, что компартментализация действительно может защитить примитивные репликаторы от засилья безбилетников. В таких опытах роль компартментов обычно играют капельки воды с растворенными ингредиентами (например, той же Qβ-репликазой и молекулами РНК), которые плавают в химически инертном масле.
Биологи и химики из Франции, Венгрии, Германии и Японии сделали следующий шаг в данном направлении, показав, что даже временная компартментализация, чередующаяся с периодами слияния компартментов, в состоянии уберечь простые репликаторы от вымирания, вызванного бесконтрольным размножением паразитов. Такая периодическая компартментализация могла происходить, например, при формировании аэрозолей или в микрополостях минералов вблизи термальных источников.
В эксперименте роль репликатора играл геном фага Qβ, в который был вставлен фрагмент РНК с ферментативной активностью (рибозим), позаимствованный из митохондриального генома гриба Neurospora. Этот рибозим умеет разрезать в определенных местах другие молекулы РНК. В качестве субстрата (то есть разрезаемой молекулы) в эксперименте использовалась молекула РНК с присоединенной оранжевой флуоресцентной меткой, сконструированная таким образом, чтобы флуоресценция начиналась только после того, как субстрат будет разрезан рибозимом (рис. 1). Размножение репликатора (генома фага Qβ со встроенным рибозимом) осуществлялось при помощи Qβ-репликазы. Молекулу субстрата этот фермент не размножает. За ходом репликации следили при помощи зеленого флуоресцентного красителя для РНК (чем больше молекул РНК в пробе, тем ярче зеленая флуоресценция). В ходе репликации, как и положено, с определенной частотой возникали случайные мутации, в том числе делеции — выпадения фрагментов РНК.
Авторы сравнили три эволюционных режима.
В первом случае репликатор эволюционировал просто в растворе, без компартментализации. Процесс продолжался три часа, затем из раствора выделяли РНК, добавляли свежие реагенты и запускали новый цикл.
Во втором случае раствор подвергали компартментализации — разделению примерно на миллион капелек диаметром 28 мкм. Через три часа все капли объединяли, выделяли из них РНК и переходили к следующему циклу.
В третьем случае всё делалось так же, как во втором, с единственным отличием: после трех часов репликации объединялись не все капельки, а только те, в которых наблюдалась сильная оранжевая флуоресценция. Иными словами, отбирались те капли, в которых репликатор не утратил свою ферментативную функцию — способность разрезать «субстрат». Для отбора флуоресцирующих капель использовался специфический вариант метода, разработанного ранее для сортировки флуоресцирующих клеток.
В первом эволюционном сценарии (без компартментализации и без искусственного отбора) функциональные репликаторы-рибозимы полностью вымерли уже к четвертому циклу. Популяцию заполонили паразиты: короткие мутантные молекулы РНК с резко повышенной скоростью репликации, не имеющие каталитической активности (не способные разрезать субстрат). При этом разнообразие получившихся паразитов было невелико. Этого и следовало ожидать, поскольку в данном сценарии отбор шел только на скорость репликации, независимо от того, как это влияло на функциональность молекул.
Во втором сценарии (с компартментализацией, но без искусственного отбора) конечный итог получился такой же: функциональные репликаторы-рибозимы были полностью вытеснены паразитами. Правда, на это ушло больше времени: не три-четыре цикла, а шесть-семь. По-видимому, задержка объясняется тем, что периодическая компартментализация замедляет распространение мутантов с высокой скоростью репликации: они не могут распространиться за пределы той капли, в которой возникли, до очередного объединения капель.
В третьем сценарии функциональные репликаторы-рибозимы не были вытеснены паразитами даже за девять циклов (на этом эксперимент был прекращен). Таким образом, идея о том, что периодическая компартментализация помогает примитивным репликаторам защищаться от паразитов, получила экспериментальное подтверждение. Правда, некоторое количество репликаторов-паразитов — укороченных молекул РНК с повышенной скоростью репликации, не обладающих каталитической активностью — всё же появилось и в этом случае. Однако эти паразиты были, во-первых, менее агрессивными: по скорости размножения они лишь ненамного (в 1,1–1,2 раза) превосходили функциональные рибозимы-репликаторы, тогда как в первых двух случаях победившие в конкуренции паразиты размножались в 1,4–1,6 раз быстрее исходной молекулы. Во-вторых, генетическое разнообразие этих «умеренных» паразитов оказалось выше, чем в первых двух случаях.
Обе особенности репликационных паразитов, распространившихся в условиях периодической компартментализации и отбора — «умеренность» и повышенное разнообразие — по-видимому, объясняются тем, что отбор капель, в которых сохранилась каталитическая активность, эффективно противостоит происходящему внутри капель индивидуальному отбору на уровне отдельных молекул. Групповой отбор делает сохранение каталитической активности у капли в целом жизненно важным для самих паразитов. В этих условиях агрессивные паразиты, предельно оптимизированные по скорости размножения (и поэтому более или менее одинаковые), обрекают каплю, в которой они расплодились, на гибель, но при этом и сами погибают (отбраковываются) вместе с ней. Поэтому агрессивные паразиты в этих условиях не могут распространиться. Что касается умеренных паразитов, лишь слегка превосходящих исходную молекулу по скорости размножения, то они не приносят заметного вреда капле в целом и поэтому сохраняются. Они более разнообразны, чем агрессивные паразиты, потому что существует больше способов немного увеличить скорость репликации, чем способов увеличить ее до предела. В ходе дальнейшей эволюции такие почти безвредные сожители могут стать ценным источником генетических новшеств для развивающейся живой системы. Ведь в любом из них может возникнуть мутация, которая превратит умеренного паразита в полезный компонент сообщества.
Дополнительные эксперименты показали, что в сценарии «компартментализация плюс отбор» ход эволюции зависит от среднего числа молекул РНК, попадающих в каждую каплю. Чем оно меньше, тем эффективнее идет отбраковка паразитов, и тем ниже равновесная доля паразитических молекул РНК в общей совокупности репликаторов.
Результаты данного исследования перекликаются с другим эволюционным экспериментом, в котором было показано, что периодическое «разбрызгивание» смешанной культуры бактерий-эгоистов и бактерий-кооператоров позволяет сдерживать рост глобальной численности эгоистов несмотря на то, что в каждой отдельной «брызге» доля эгоистов всегда растет.
Исследование показало, что положить конец безудержному размножению репликационных паразитов в примитивных живых системах проще, чем считалось до сих пор. Для этого не нужны такие сложные структуры, как протоклетки с липидными мембранами. Вполне достаточно периодического разбрызгивания раствора репликаторов (с последующим стеканием капель обратно в водоем), которое могло происходить в активных геотермальных водоемах молодой Земли.
Источник: ЭЛЕМЕНТЫ БОЛЬШОЙ НАУКИ
