Ведущий исследователь происхождения жизни Джеральд Джойс недавно опубликовал в журнале PNAS научную работу «РНК-катализируемая эволюция каталитической РНК»,¹ которая якобы демонстрирует прорыв, которого он и его команда достигли в понимании того, как жизнь могла зародиться в результате естественных процессов. Газета Washington Post описывает это исследование в статье под заголовком «"Монументальный" эксперимент позволяет предположить, как могла зародиться жизнь на Земле».² В ней говорится:

«Ученые преодолели, пожалуй, самое большое препятствие на пути к правдоподобности теории "мира РНК". До сих пор ни одной молекуле РНК не удавалось создать в лаборатории достаточно точные и функциональные копии другой РНК».

К сожалению, восхваление исследований Джойса в этой и подобных публикациях – чистая шумиха. Результаты Джойса лишь еще больше доказывают абсолютную необходимость участия разумного существа в зарождении жизни.

Гипотеза о мире РНК

Многие исследователи происхождения руководствуются гипотезой о мире РНК, которую Джойс описывает следующим образом:

«Вначале репликация РНК, вероятно, происходила как неферментативный процесс, в ходе которого РНК-шаблоны копировались для получения комплементарных нитей, которые, в свою очередь, копировались для получения дополнительных копий исходных шаблонов. Вариации последовательностей возникали из-за несовершенства точности копирования, и те варианты, которые реплицировались наиболее эффективно, становились доминирующими в популяции, пока не появлялись новые варианты с еще большей приспособленностью. Предполагается, что в какой-то момент на раннем этапе эволюции РНК приобрела способность катализировать собственную репликацию, действуя как РНК-зависимая РНК-полимераза».¹

Основная логика заключается в том, что на ранней Земле образовались нуклеотиды, которые затем соединились в длинные цепочки, известные как РНК. Некоторые РНК служили шаблонами, которые «копировались» (то есть транскрибировались) другими РНК, известными как полимеразы, чтобы сформировать комплементарные последовательности³ шаблонных РНК. Например, AAUUCCGG транскрибируется в UUAAGGCC. Затем комплементарные последовательности транскрибируются обратно в новые копии исходных РНК-шаблонов. Со временем некоторые РНК приобрели способность выполнять биологически полезные функции; такие каталитические РНК называются рибозимами. В конце концов, молекула РНК обрела способность точно копировать саму себя.

Эксперимент Джойса

Команда Джойса и другие исследователи попытались восстановить этот сценарий экспериментально. Бартел и Шостак (1993)⁴ создали большой набор случайных последовательностей РНК, а затем выделили РНК-лигазы – РНК, соединяющие две молекулы РНК. Джойс и другие исследователи начали с РНК-лигазы и применили 52 раунда «направленной эволюции», чтобы создать РНК, способные копировать другие РНК (т. е. полимеразы).⁵ Большинство раундов включало в себя генерацию триллионов вариантов со случайно измененными нуклеотидами, а затем отбор РНК, которая наиболее точно и быстро транскрибировала РНК-шаблоны. Некоторые раунды включали добавление дополнительных нуклеотидов к последовательности.

В последнем исследовании Джойс и его команда начали с полимеразы, состоящей из 52 раундов, а затем модифицировали ее еще на 18 раундов. Новая полимераза могла транскрибировать рибозим типа hammerhead и его дополнение с точностью около 90 процентов. Рибозимы типа hammerhead разбивают молекулу РНК на два фрагмента. Исследователи использовали полимеразу для создания копий рибозима hammerhead, а затем выделили и воспроизвели те копии, которые функционировали. Рибозимы оставались функциональными после нескольких поколений копирования, поэтому исследователи утверждали, что продемонстрировали, что система РНК может сохраняться в ходе дарвиновской эволюции.

Вмешательство исследователя

В статье Washington Post утверждается:

Хотя эксперименты, описанные в новой статье, заняли два года, Джойсу и его коллегам потребовалось около 10 лет, чтобы подготовить почву для эксперимента, терпеливо выращивая поколение за поколением молекул РНК. Если ученым удастся создать РНК, способную копировать саму себя, эволюция сможет развиваться в основном сама по себе.

Правда опять же прямо противоположна тому, что утверждается.

Создание новейшей полимеразы требовало вмешательства исследователей на каждом шагу:

1. Исследователи начали с высоких концентраций сверхчистых нуклеозидтрифосфатов (т.е. активированных нуклеотидов). Профессор химии Университета Райса Джеймс Тур подробно описал неправдоподобность происхождения нуклеотидов на ранней Земле даже в мизерной доли концентрации и чистоты, необходимых для создания длинной РНК.^{6 7}

2. Исследователи генерировали полимеразы на каждом этапе, соединяя нуклеотиды с помощью механизмов современных клеток. Длина последней полимеразы составляет 182 нуклеотида. Однако РНК, состоящая даже из нескольких десятков нуклеотидов, не могла возникнуть на ранней Земле, поскольку нуклеотиды скорее всего связывались с другими молекулами, а не друг с другом.^{8 9}

3. Команда Джойса, а не природа, после каждого раунда модификаций выбирала полимеразы, которые лучше всего выполняли целевую функцию.

4. Полимеразы могли транскрибировать РНК-шаблоны только при добавлении праймеров, которые запускали процесс репликации. Праймер – это определенная последовательность нуклеотидов, которая связывается с концом РНК-шаблона. Полимераза начинает с праймера и продолжает добавлять к нему нуклеотиды до тех пор, пока не образуется комплементарная РНК.

5. Процесс репликации требует тщательной организации экспериментальных условий, включая регулировку температуры и добавление нужных вспомогательных молекул в нужное время. Все подобные эксперименты требуют точных протоколов.^{10 11}

6. Каждый раунд модификаций начинался с полимераз и праймеров в концентрациях, соответствующих десяткам триллионов РНК на миллилитр воды. Если концентрация падала ниже миллиона РНК на миллилитр, скорость распада РНК значительно превышала скорость копирования РНК. Все полимеразы разрушились бы задолго до того, как была бы скопирована хотя бы крошечная часть шаблонов.

В развитие последнего пункта из экспериментальной процедуры¹ Джойса прямо следует верхняя граница концентрационного порога для поддержания репликации РНК. Среднее время, необходимое полимеразам для репликации шаблона, составляло более часа, а период полураспада связей, соединяющих нуклеотиды в РНК, составляет порядка нескольких лет.¹² Поскольку длина полимераз превышает 100 нуклеотидов, почти все они разрушатся в течение нескольких месяцев. Скорость копирования линейно зависит от концентрации полимераз, поэтому начальная концентрация не может опуститься ниже миллиарда полимераз на миллилитр, прежде чем скорость репликации упадет ниже скорости деградации. Миллион РНК на миллилитр сильно занижает порог, но вероятность того, что в одном миллилитре воды в любой момент истории Земли может находиться даже дюжина полимераз, крайне мала.

Подводя итог, можно сказать, что полимеразы могли появиться на ранней Земле только в том случае, если команда Джойса и его лаборатория были перенесены в прошлое и руководили всем процессом. То же самое справедливо для всех теорий о том, как могла возникнуть жизнь.

Смертельный удар по миру РНК

Как ни странно, даже если не принимать во внимание все эти проблемы, эксперимент Джойса все равно не подтверждает правдоподобность гипотезы о мире РНК. Напротив, он полностью дискредитирует ее. Вероятность образования РНК определенной длины уменьшается экспоненциально с увеличением длины. Рибозим типа hammerhead состоит всего из 34 нуклеотидов, в то время как рибозимы полимеразы значительно длиннее 100 нуклеотидов. В целом, рибозимы, разрушающие РНК, могут быть гораздо меньше рибозимов, копирующих РНК, поэтому вероятность их появления в любом процессе генерации РНК гораздо выше.

Кроме того, новая полимераза Джойса транскрибирует РНК с точностью примерно 90 процентов на нуклеотид. Джойс продемонстрировал, что такой точности достаточно для поддержания нескольких поколений функциональных рибозимов типа hammerhead. Но для поддержания функциональных полимераз требуется точность более 97 процентов. Этот результат еще раз доказывает, что деструктивную РНК гораздо легче создать, чем полимеразы. Ведущий специалист по происхождению Стивен Беннер называет эту проблему парадоксом вероятности.¹³ Любая случайная библиотека РНК будет включать гораздо больше деструктивных РНК, чем полимераз. Следовательно, даже если бы чудесным образом появилась система реплицирующейся РНК, полимеразы быстро бы исчезли, а все РНК распались бы на более простые молекулы.

Если бы автор Washington Post полностью понимал суть исследования Джойса, он бы изложил его примерно так:

«Последнее исследование Джеральда Джойса окончательно опровергает гипотезу о мире РНК. Оно показывает, что для возникновения РНК, способной копировать другие РНК, необходимо создать условия, которые никогда не могли возникнуть на ранней Земле, и провести тщательно спланированные экспериментальные процедуры, не имеющие аналогов в природе. Его команде пришлось задействовать молекулярный механизм современных клеток, чтобы постоянно создавать новые РНК, а также отбирать и копировать те РНК, которые выполняли целевые функции. Даже после десяти лет тщательной работы над созданием РНК, способной копировать другие РНК, эта РНК могла эффективно копировать только те РНК, которые расщепляли другие РНК. Она не могла копировать себя с достаточной точностью, чтобы функциональные копии сохранялись в течение более чем нескольких поколений. Результаты Джойса показывают, что никаких эволюционирующих систем РНК никогда не могло существовать. Ведущий исследователь происхождения Ли Кронин, скорее всего, назвал бы "мошенничеством" любые заявления о том, что подобные исследования могут помочь объяснить происхождение жизни».