У РНК есть некоторые из достоинств ДНК как репликатора и некоторые из достоинств белка как универсального формообразователя ферментов. Четыре буквы РНК довольно похожи на четыре буквы ДНК, настолько, что любая последовательность может служить шаблоном для другой. С другой стороны, РНК с трудом образует длинную двойную спираль, что означает, что она несколько уступает ДНК как репликатор. Это отчасти потому, что система двойной спирали пригодна для исправления ошибок. Когда двойная спираль ДНК разделяется, и каждая отдельная спираль тут же служит шаблоном для комплементарной спирали, ошибка может быть немедленно выявлена и исправлена. Каждая дочерняя цепь остается прикрепленной к своему «родителю», и происходит сравнение с двумя шаблонами, мгновенно обнаруживая ошибку. Исправление ошибок, основанное на этом принципе, уменьшает количество мутаций до примерно одного на миллиард, что делает большие геномы, как наш, возможными. У РНК, у которой отсутствует этот вид исправления ошибок, количество мутаций в тысячи раз больше, чем у ДНК. Это означает, что только простые организмы с маленькими геномами, такие как некоторые вирусы, могут использовать РНК в качестве своего основного репликатора.

Но отсутствие структуры двойной спирали имеет и свою положительную сторону, наряду с недостатками. Поскольку цепь РНК не все время соединена со своей комплементарной цепью, а отделяется от нее, как только образуется, она легко скручивается в узлы, подобно белку. Так же, как белок скручивается на основании химического сродства аминокислот с другими аминокислотами в различных частях одной цепи, РНК делает это, используя простое правило спаривания оснований Уотсона-Крика, то же, что используется при создании копии РНК. Иными словами, испытывая недостаток в партнерской цепи, чтобы соединиться в двойную спираль, подобно ДНК, РНК легко «образует пары» со своими отдельными частями. РНК находит свои маленькие фрагменты, с которым она может образовывать пары, либо в миниатюрной двойной спирали, либо в некоторой другой форме. Правило образования пар утверждает, что эти фрагменты должны быть направлены в противоположные стороны. Цепь РНК, поэтому, имеет тенденцию образовывать ряд крутых изгибов.

Ассортимент трехмерных форм, которые способна образовать молекула РНК, возможно, не столь велик, как ассортимент большой молекулы белка. Но он достаточно большой, чтобы вселить мысль, что РНК могла бы обеспечить универсальный арсенал средств ферментов. И конечно, было обнаружено много ферментов РНК, названных рибозимами. Вывод в том, что у РНК есть некоторые из достоинств репликатора ДНК и некоторые из достоинств фермента белков. Возможно, до того, как появилась ДНК, первичный репликатор, и до того, как появился белок, первичный катализатор, был мир, в котором только одна РНК имела достаточно многие свойства, чтобы заменить обоих. Возможно, огонь РНК зажегся в первозданном мире и затем позже начал делать белки, которые изменились и помогли синтезировать РНК, а позже и ДНК, которая взяла на себя функции основного репликатора. Есть надежда на теорию РНК-мира. Она получила косвенное подтверждение в ряде прекрасных экспериментов, начатых Солом Шпигельманом (Sol Spiegelman) из Колумбийского университета и повторенных в различном виде через несколько лет другими учеными. Эксперименты Шпигельмана используют белковый фермент, который можно было бы посчитать обманом, но они приводят к таким захватывающим результатам, освещая такие важные звенья теории, что нельзя удержаться от чувства, что она имеет ценность, так или иначе.

Во-первых, история вопроса. Есть вирус, называемый Qb. Это – РНК-вирус, что означает, что вместо ДНК его гены полностью состоят из РНК. Для копирования своей РНК он использует фермент, названный Qb репликазой. В дикой форме Qb – бактериофаг (для краткости фаг) – паразит бактерий, в частности кишечной бактерии Escherichia coli. Бактериальная клетка «думает», что РНК Qb – часть ее собственной информационной РНК, и рибосомы клетки обрабатывают ее точно так же, как свою собственную, но белки, которые при этом производятся, приносят пользу вирусу вместо хозяйской бактерии. Есть четыре таких белка: белок оболочки, чтобы защитить вирус; клеящий белок, чтобы прикрепляться к бактериальной клетке; так называемый фактор репликации, к которому я вернусь через мгновение; и бомбовый белок, чтобы разрушить бактериальную клетку, когда вирус заканчивает копирование, таким образом, выпуская несколько десятков тысяч вирусов, каждый путешествующий в своей небольшой белковой оболочке, пока не натолкнется на другую бактериальную клетку, и цикл возобновляется. Я сказал, что я возвращусь к фактору репликации. Вы могли бы подумать, что он должен быть ферментом Qb репликазой, но в действительности он меньше и проще. Все, что небольшой вирусный ген делает самостоятельно, это производит белок, который сшивает вместе три других белка, создаваемых бактерией, так или иначе, для своих собственных (совсем других) целей. Когда они сшиваются собственным небольшим белком вируса, образованное таким образом соединение является Qb репликазой.

Шпигельман смог выделить из этой системы только два компонента, Qb репликазу и Qb РНК. Он соединял их в воде с некоторым низкомолекулярным сырьем – стандартными блоками для создания РНК – и наблюдал, что происходит. РНК захватывала маленькие молекулы и строила свои копии, используя правило спаривания оснований Уотсона-Крика. Она умело обращалась с ними безо всякой бактерии-хозяина и без белковой оболочки или любой другой части вируса. Это само по себе было хорошим результатом. Заметьте, что синтез белка, который является частью нормальной работы этой РНК в естественных условиях, был полностью изъят из цикла. У нас есть упрощенная система репликации РНК, делающей свои копии, не потрудившись создать белок.

Затем Шпигельман сделал нечто поразительное. Он запустил разновидность эволюции в этом полностью искусственном мире пробирок вообще без участия клеток. Представьте себе его установку в виде длинного ряда пробирок, содержащих Qb репликазу и голые строительные блоки, но никакой РНК. Он отбирал первую пробирку с маленьким количеством Qb РНК, и она должным образом реплицировала намного больше своих копий. Затем он брал маленькую порцию жидкости и помещал каплю во вторую пробирку. Эта затравочная РНК теперь приступала к реплицированию во второй пробирке, и через некоторое время Шпигельман брал каплю из второй пробирки и вносил затравку в третью нетронутую пробирку. И так далее. Это похоже на искру от одного костра, служащую затравкой для нового костра в сухой траве, новый костер служит затравкой для другого, и так далее. Но результат был совсем иным. Если костры не наследуют ни одно из своих качеств от затравки, молекулы РНК Шпигельмана наследуют. И результатом была ... эволюция путем естественного отбора в своей самой начальной и упрощенной форме.

Шпигельман отбирал образцы РНК в своих пробирках в течение «поколений» и контролировал ее свойства, включая возможность инфицирования бактерий. То, что он обнаружил, было замечательным. Эволюционирующая РНК физически становилась меньше и меньше, и, в то же время, всё менее и менее инфекционной, когда бактерии подвергались воздействию ее образцов. После 74 поколений (Это, конечно – пробирочные поколения: число поколений РНК было бы больше, потому что молекулы РНК копируются много раз в каждом пробирочном поколении.) обыкновенная молекула РНК в пробирке эволюционировала в маленький по размеру фрагмент своего «дикого предка». Дикая РНК была ожерельем, длиной приблизительно 3 600 «бусинок». После 74 поколений естественного отбора среднестатистический обитатель пробирки уменьшился до всего лишь 550: не годился для инфицирования бактерий, но был великолепным в инфицировании пробирок. Было ясно, что произошло. Спонтанные мутации РНК случались во всем, и мутанты, которые выжили, были хорошо приспособлены для этих целей в мире пробирок, в отличие от естественного мира бактерий, ожидающих заражения паразитами. Главное различие было, по-видимому, в том, что РНК в мире пробирок могла обойтись без всего кода, предназначенного для создания тех четырех белков, которые должны были создать оболочку, бомбу и другие необходимые условия для выживания дикого вируса как действующего паразита бактерий. То, что осталось, было голым минимумом, необходимым для копирования в избалованном мире пробирок, полных Qb-репликазы и исходных