Джон Мейнард Смит указал на сходство гиперцикла с экосистемой. Количество рыбы зависит от популяции дафний (водяных блох), которыми они питаются. В свою очередь, численность рыб влияет на численность рыбоядных птиц. Птицы поставляют гуано, что помогает процветать водорослям, питаясь которыми процветают дафнии. Полный цикл зависимостей является гиперциклом. Эйген (Eigen) и его коллега Питер Шустер (Peter Schuster) предложили некий молекулярный гиперцикл как решение Загвоздки-22 происхождения жизни.
Я собираюсь оставить здесь теорию гиперцикла и вернуться к предположению, которое полностью совместимо с ним, что РНК в те ранние дни, когда жизнь только начиналась, и белков еще не было, могла служить своим собственным катализатором. Это - теория РНК-мира. Чтобы увидеть, насколько она правдоподобна, нам нужно понять, почему белки хороши как ферменты, но плохи как репликаторы; почему ДНК хороша как репликатор, но плоха как фермент; и, наконец, почему РНК может быть достаточно хороша в обеих ролях, чтобы избежать Загвоздки-22.
Трехмерная форма - вот то, что в основном влияет на ферментативную активность. Белки хороши в качестве ферментов, поскольку они могут принимать почти любую трехмерную форму, какую только пожелаете, как автоматическое следствие своей одномерной последовательности аминокислот. Именно химическое сродство аминокислот к другим аминокислотам в различных частях цепи определяет конкретный узел, в который сворачивается белковая цепь. Таким образом, трехмерная форма молекулы белка определяется одномерной последовательностью аминокислот, которая сама обусловлена одномерной последовательностью кодовых букв гена. В принципе (практика - другое дело, и чудовищно трудное) должно быть возможно написать последовательность аминокислот, которая самопроизвольно свернулась бы почти в любую желаемую форму: не только форму, хорошо работающую как фермент, а любую произвольную форму, которую бы вы выбрали. Этот талант белков определяет их способность действовать в качестве ферментов. Белок способен выбрать любую из сотен потенциальных химических реакций, которые могли бы идти в клетке, полной перемешанных компонентов.
Белки поэтому служат восхитительными ферментами, способными скручиваться в узлы любой желаемой формы. Но они - плохие репликаторы. В отличие от ДНК и РНК, чьи компоненты имеют определенные правила сопряжения ("правила комплементарности Уотсона и Крика", открытые этими двумя вдохновенными молодыми людьми), у аминокислот нет таких правил. ДНК, в отличие от них - восхитительный репликатор, но никчемный кандидат на роль фермента для жизни. Поэтому, в отличие от белков с их почти бесконечным разнообразием трехмерных форм, у ДНК есть только одна форма, знаменитая двойная спираль. Эта двойная спираль идеально подходит для репликации, поскольку две стороны лестницы легко отделяются друг от друга, каждая при этом представляет собой шаблон для присоединения новых букв, следуя правилам комплементарности Уотсона и Крика. Это не особо полезно для чего-либо еще.
У РНК есть некоторые достоинства ДНК как репликатора и некоторые достоинства белка как универсального формообразователя ферментов. Четыре буквы РНК достаточно похожи на четыре буквы ДНК, настолько, что любой набор может служить шаблоном для другой. С другой стороны, РНК не формирует длинную двойную спираль, что означает, что она несколько уступает ДНК как репликатор. Частично потому, что система двойной спирали пригодна для исправления ошибок. Когда двойная спираль ДНК разделяется, и каждая одиночная спираль сразу служит шаблоном для комплементарной спирали, ошибки могут быть сразу замечены и исправлены. Каждая дочерняя цепь, остается прицепленной к своей "родительской" цепи, и их сравнение делает возможным непосредственное выявление ошибок. Коррекция ошибок, основанная на этом принципе, уменьшает скорость мутаций до порядка одной на миллиард, что делает возможными большие геномы, такие как наш. РНК, лишенная этого типа коррекции ошибок, обладает скоростью мутаций, который в тысячи раз выше, чем у ДНК. Это означает, что только простые организмы с малыми геномами, такие как некоторые вирусы, могут использовать РНК в качестве своего основного репликатора.
Свободные связи в узлах. Компьютерная графика транспортной РНК связываясь сама с собой создает миниатюрную двойную спираль
