Клітину часто описують як фабрику – вельми незвичайну фабрику, здатну працювати автономно й відтворювати саму себе. Перша клітина вимагала довгого списку компонентів, рівнів організації та великої кількості складної заданої інформації. [Але є] ще одна вимога до життя: велика кількість специфічних механізмів репарації.

Пошкодження «фабрики» клітини відбувається на двох рівнях: пошкодження інформації, що зберігається (або в процесі реплікації, або в результаті природної деградації з плином часу), та пошкодження виробничого механізму (або в результаті помилкового виробництва нового механізму, або в процесі використання). Кожен тип ушкодження вимагає особливих механізмів відновлення, які демонструють передбачення – очікування того, що ушкодження станеться, й здатність розпізнавати, ремонтувати та/або переробляти тільки ті компоненти, що ушкоджені. Усі відомі види життя вимагають наявності таких механізмів.

Пошкодження збереженої інформації

Початковий процес реплікації ДНК здійснюється ферментом полімеразою, внаслідок чого на кожні 10 000-100 000 доданих нуклеотидів припадає приблизно одна помилка.¹ Однак жодне відоме життя не може існувати з таким високим рівнем помилок, якщо їх не виправляти.² На щастя, реплікація ДНК в усіх живих організмах містить в собі подальший етап корекції – тип відновлення ушкоджень, – який підвищує точність у 100-1000 разів. Наразі рекордсменом за найбільш неакуратною реплікацією ДНК живого організму в нормальних умовах є Mycoplasma mycoides (та її модифікований людиною родич JVCI-syn 3A), у якої лише 1 із 33 000 000 нуклеотидів копіюється неправильно.³

Після реплікації ДНК в нормальних умовах щодня виникає шквал пошкоджень ДНК. Тому життя вимагає складних й високоспецифічних механізмів відновлення ДНК. У людини реакція на пошкодження ДНК, за оцінками, включає ієрархічну організацію 605 білків у 109 агрегатах.⁴ Зусилля по створенню максимально простої клітини шляхом видалення всіх несуттєвих генів успішно звелися до мінімального набору з шести генів.⁵ Але ці шість генів закодовані в тисячах пар основ ДНК, а механізм транскрипції та переведення цих генів у ферменти відновлення потребує щонайменше 149 генів.⁶ Таким чином, код ДНК, необхідний для створення механізмів відновлення ДНК, легко перевищує 100 000 пар основ. Тут ми стикаємося з великим парадоксом, уперше виявленим в 1971 році Манфредом Ейгеном:⁷ репарація ДНК необхідна для підтримання ДНК, але гени, що кодують репарацію ДНК, не могли б розвинутися, якби механізми репарації вже не існували для захисту ДНК.

Неправильне виробництво нового обладнання

Ми звикли думати, що метаболічні механізми в клітині завжди виробляють ідеальні продукти. Але насправді неминучі збої, які призводять до утворення сміття що заважає, або токсичного сміття. Тому всі живі організми повинні мати механізми, які виявляють проблеми й або ремонтують, або переробляють дефектні продукти.

Центральна виробнича машина клітини – рибосома, диво, яке виробляє функціональні білки з ниток мРНК (за допомогою безлічі допоміжних молекул). На жаль, близько 2-4 відсотків ниток мРНК застряють в рибосомі під час переведення в білок.⁸ Це не тільки зупиняє виробництво, а й може призвести до утворення токсичного напівфабрикату білка.

Якби мітохондрії не змогли вибратися зі скрутного становища, життя, як ми його знаємо, припинилося б. В процесі самовідтворення одна клітина повинна виробити цілу бібліотеку білків, що створює велике навантаження на мітохондрії клітини. Але за 2-4-відсоткової частоти застрягання ниток мРНК в середній клітині кожна з її мітохондрій застрягне щонайменше п'ять разів, перш ніж клітина зможе реплікуватися.⁹ Тому життя ніколи не зможе відтворюватися, й метаболізм припиниться, якщо не розв'язати цю проблему.

На щастя, усі форми життя, навіть найпростіші,⁹ здатні до транс-трансляції (процес, що сприяє вивільненню рибосом, які засмітилися з різних причин – прим. перекл.), що зазвичай складається з трьох етапів. Спочатку молекула, що об'єднує транспортну й матричну РНК та дві допоміжні молекули (SymB і EF-Tu), розпізнає, що мРНК застрягла в рибосомі, та прикріплює мітку до білка, що напівутворився. Ця мітка, звана дегроном, по суті, є поліаланіновим пептидом. Засуджений білок розпізнається, руйнується й переробляється однією з багатьох протеаз. Нарешті, мРНК також має бути помічена й перероблена, щоб не засмічувати інші рибосоми. У деяких бактерій¹⁰ фермент пірофосфогідролаза модифікує кінець мРНК, позначаючи його для знищення. Потім РНКаза (інший фермент) розпізнає цю мітку, захоплює мРНК й притягує її до свого іона магнію, що призводить до розщеплення РНК. Інша РНКза завершує роботу, розщеплюючи мРНК на окремі нуклеотиди, які можуть бути використані повторно.

Необхідна наявність інструментів, здатних руйнувати білки й РНК, також вимагає, щоб ці інструменти були високоселективними. Якби ці інструменти еволюціонували, можна було б очікувати, що початкові версії будуть неселективними, такими, що знищують будь-які білки та РНК в межах досяжності, знищують життя та блокують процес еволюції.¹¹

Зверніть увагу, що набір інструментів для трансляції та рециклінгу білків й РНК зберігається в ДНК, яка має бути захищена механізмами репарації. І ці інструменти не можуть бути отримані без мітохондрій, але мітохондрії не можуть бути розблоковані без дії транс-трансляції. Таким чином, ми стикаємося з ще одним випадком колової причинності.

Пошкодження, отримані під час використання

Нормальна робота ферментів або метаболітів, таких як коферменти або кофактори, передбачає хімічні реакції, які протікають певними шляхами. Відхилення від бажаних шляхів можуть виникати через такі перешкоди, як радіація, окислювальний стрес або зустріч із неправильним «нерозбірливим» ферментом. Ці відхилення призводять до появи молекул-ізгоїв, які заважають метаболізму або токсичні для клітини. В результаті навіть найпростішим формам життя потрібно кілька механізмів відновлення метаболізму:

«Залишається мало місця для сумнівів у тому, що пошкодження метаболітів й системи, які цьому протистоять, є основними метаболічними процесами, які не можна відокремити від самого життя».¹²

«Стає дедалі очевиднішим, що метаболіти піддаються різним видам пошкоджень, що такі пошкодження відбуваються в усіх організмах й що клітини мають спеціальні системи для відновлення та стримування цих пошкоджень».¹³

Як відносно простий приклад необхідного механізму відновлення можна навести навіть найпростішу відому клітину (JVCI Syn 3A), якій доводиться справлятися зі складною ситуацією, пов'язаною з сіркою. Для кількох метаболічних реакцій потрібні молекули з тіоловою групою – сіркою, пов'язаною з воднем й органічною молекулою. Організму необхідно підтримувати свої тіолові групи, але вони мають неприємну тенденцію до перехресного зв'язування (тобто дві тіолові групи створюють дисульфідний зв'язок, з'єднуючи дві молекули разом). Щоб зруйнувати цей небажаний зв'язок, потрібен постійний догляд. Навіть найпростішій клітині потрібні два білки (TrxB/JCVISYN3A_0819 і TrxA/JCVISYN3A_0065) для відновлення тіолових груп й підтримки метаболізму.¹² Оскільки білки, що відновлюють, самі є продуктом метаболізму клітини, це створює ще один шлях колової причинності: неможливо мати тривалий метаболізм без механізмів відновлення, але неможливо створити механізми відновлення без метаболізму.

Грам профілактики вартий кілограма лікування

Окрім необхідних для життя механізмів відновлення, всі форми життя містять механізми запобігання ушкодженням. Ці механізми можуть знищувати небажані молекули, стабілізувати молекули, схильні до небажаних дій, або направляти хімічні реакції до менш шкідливих результатів. Наприклад, під час реплікації ДНК в нову нитку вбудовуються доступні мономери чотирьох канонічних нуклеотидів (G, C, T і A). Деякі з нормальних метаболітів клітини, наприклад дезоксиуридинтрифосфат (dUTP), схожі на канонічний нуклеотид й можуть бути помилково включені в ДНК. Навіть у найпростішій клітині (знову ж таки, JVCI-syn3A) є фермент (пірофосфатаза дезоксіуридінтрифосфату), що гідролізує dUTP й запобігає утворенню ушкодженої ДНК.⁶

Підводячи підсумок доказам

Прихильники некерованого абіогенезу просто відмахуються від усіх цих необхідних механізмів, стверджуючи, що життя зародилося у вигляді спрощених «протоклітин», які не потребували ремонту. Але немає жодних доказів того, що будь-яка форма життя могла б зберігатися або відтворюватися без цих ремонтних механізмів. А наявність ремонтних механізмів призводить до кількох прикладів колової причинності – доволі складне завдання тільки для неінтелектуальних природних процесів. Віра в те, що найпростіші «прото-клітини» не потребували ремонтних механізмів, вимагає сліпої віри, яка йде всупереч переважаючим науковим даним.