Естественный отбор среди молекул

Естественный отбор среди молекул

Введение

В начале были простейшие молекулы. Какая из них стала предвестницей зарождения жизни? Что должно было произойти для того, чтобы появились первые носители генетической информации? По одной из гипотез, ответ звучит так: причиной тому автокаталитические реакции. Учёные Института катализа СО РАН изучают реакцию Бутлерова как реакцию, определившую естественный отбор в органическом веществе на древней Земле. Рибоза -- один из продуктов этой реакции -- в этом случае вполне годится на роль «запчастей» для сборки ДНК и РНК.

Существуют сотни определений явления «жизнь», но ни одно из них внятно так и не объясняет, где пролегает грань между «существую» и «живу». Со школы мы усвоили, что абсолютно всё в нашем мире состоит из атомов и молекул, взаимодействующих строго по законам физики и химии. Но странно: упомянутые определения не используют физические и химические термины. Почему? Может ли „жизнь“ быть сведена к физическим и химическим законам?

Конечно, жизненные процессы основаны на таких же химических и физических процессах, как и всё остальное на планете. Какое бы биологическое событие в организме мы ни взяли, оно никогда не состоится с нарушением фундаментальных законов физики и химии. И, тем не менее, природа упрямо делится на живую и неживую. Причём живой объект может погибнуть и стать неживым, а вот оживления изначально неживого объекта в науке достоверно не наблюдалось. Правда, как быть с вирусами, которые «оживают» при попадании в наши организмы?

Химические правила жизни

Полтора века назад Ф. Энгельс определил жизнь как «способ существования белковых тел, характеризующийся обменом веществ с окружающей средой». В середине XX века нобелевский лауреат Илья Пригожин высказался более научно: живые объекты, по его мнению, это диссипативные структуры, существующие в сильно неравновесных условиях. С тех пор были найдены примеры неживых структур, подпадающих под это определение. Другой нобелевский лауреат, Манфред Эйген, объяснил, что жизнь -- это так называемые «гиперциклы», то есть «накручивающиеся» друг на друга этапы каталитических превращений. Примечательны эти этапы тем, что в них заложен механизм запоминания и передачи наследственной информации. Что в свободном переводе означает -- жизнь способна к развитию и к самоорганизации. Если разложить получившееся определение по полочкам, то окажется, что основные атрибуты явления «жизнь» для физической химии таковы:

Живой объект всегда чётко отделён от окружающей среды. В науке это называется «фазовая обособленность».

Живые объекты всегда обмениваются энергией и веществом с окружающей средой -- то есть постоянно функционируют.

Живые объекты способны к воспроизведению себе подобных -- к саморепликации.

Живые объекты и жизнь -- это всегда сообщество, открытая система себе подобных (популяция), вместе с более простыми и более сложными объектами, связанными между собою по меньшей мере пищевыми связями.

Среди живых объектов происходит естественный отбор, в результате чего в популяциях живых объектов закрепляются новые необходимые качества. Это и есть способность к прогрессивной эволюции, которая обеспечивается исключительно благодаря наличию биологической памяти.

Главное -- помнить о прошлом

Прогрессивная эволюция -- это возможность при каждом движении вперёд в развитии опираться на предыдущие «достижения». Это не обязательно усложнение системы, но обязательно «надстройка» нового качества на уже существующий «кирпич2. С этим всё понятно. Но воспроизведение себе подобных -- всегда ли жизнь? Любой химик сразу ответит -- нет. Иначе огромные кристаллы, «выросшие» из маленьких микрокристалликов совершенно такими же по образу и подобию, тоже нужно признавать живыми. Рост кристаллов широко распространён в природе, но нигде ещё ни один такой кристалл не ожил.

Идём далее. Обмен веществами между объектом и природой: будет ли это жизнью? Химики-каталитики только разведут руками: любая химическая реакция с участием твёрдого катализатора неизменно происходит в ходе обмена веществами между окружающей средой (реакционной смесью) и поверхностью катализатора. При этом также никто не оживает.

А вот биологическая память -- это действительно существенный момент, отличающий жизнь от нежизни. Все классические определения жизни упираются в необходимость существования РНК (рибонуклеиновых кислот) и ДНК (дезоксирибонуклеиновых кислот) -- молекулярных носителей биологической памяти. Именно биологическая память позволяет неживой химической системе превратиться в живую. При этом для химиков весьма важны следующие вопросы. А могут ли быть более простые носители биологической памяти? Вправе ли мы говорить о неких эволюционных предшественниках РНК и ДНК? Только ли эти молекулы -- абсолютно необходимый атрибут жизни?

Ни одна из известных теорий зарождения жизни не разъясняет, откуда взялись первые ДНК и РНК. Обратимся ли мы к гипотезе Опарина о самоорганизации вещества в «коацерватах» или к опытам Миллера по образованию сложных органических молекул из смеси простых газов с помощью ударов молнии, -- нет ответа. Предположим, что ДНК и РНК образовались случайно. Но вероятность „самосоздания“ таких молекул настолько ничтожна, что даже их единственный экземпляр не смог бы зародиться за всё время существования Земли -- 4,6 миллиарда лет. Столкнувшись с такими трудностями, многие начинают подозревать жизнь во внеземном происхождении -- дескать, куда проще согласиться с тем, что жизнь просто была занесена из космоса на кометах или метеоритах. Некоторые крупные учёные всё больше и больше склоняются к этой гипотезе. Но возраст метеоритов и других тел Солнечной системы совпадает с возрастом Земли, то есть зарождение жизни тогда необходимо отнести в глубины Вселенной. Действительно ли это так?

Смелые предположения

Учёные - физхимики, обращаясь к этой проблеме, начинают свои рассуждения с общеизвестных фактов. Среди химических процессов на «жизнь» больше всего похожи так называемые автокаталитические реакции, в которых происходит «размножение» молекул. Простейшая схема такой реакции: молекула „пищи“ плюс молекула „помощника“-автокатализатора дают в результате две молекулы этого самого автокатализатора. Вопрос: обладают ли такие реакции зачатками «памяти», сходной с биологической?

Возможно да. Для проверки этого смелого предположения нужно провести автокаталитическую реакцию в открытой системе с постоянной подачей пищи. Но условия должны быть стационарными -- когда количество «помощника» устанавливается неизменным во времени. Допустим, «пищи» всегда много, а автокатализатор со временем заканчивается (например, каким-то образом исчезает из системы). Используя математические и физические законы, легко вычислить, что автокаталитическая реакция в таком случае может оказаться в двух совершенно разных состояниях: либо количество автокатализатора в системе станет равным нулю, либо оно будет линейно возрастать с концентрацией пищи. По-другому, при уменьшении количества «еды» количество «помощников» тоже уменьшается. Но оказывается, для автокаталитических реакций существует критический предел, при котором „еда“ ещё есть, а автокатализатор уже весь исчез, то есть „вымер“. Вот это критическое количество пищи является точкой раздвоения дальнейших событий, „бифуркацией“ открытой системы.

Теперь представим, что молекулы автокатализатора могут мутировать. Чуть-чуть изменяться -- за счёт, например, изменения структуры или даже состава молекулы. Тогда из той же „пищи“ будут получаться молекулы „помощников“, различающихся по свойствам. И для каждого из „помощников“ точки бифуркации теперь будут, соответственно, немного различаться. Начнём уменьшать концентрацию „пищи“ -- некоторые „помощники“, пройдя свои точки бифуркации, полностью исчезнут. А другие останутся! И если количество „пищи“ станет увеличиваться, то реагировать с ними уже придётся только оставшимся „в живых“ автокатализаторам -- тем, чьи потребности оказались наименьшими.

Голодный сытого не разумеет

В этом можно разглядеть некоторый аналог тому, что биологи называют естественным отбором. Критерием этого отбора является ни что иное, как способность «помощников»-автокатализаторов сохраняться при наименьших количествах «пищи». Иными словами, двигателем прогресса выступает голод: чем меньше ты ешь, тем больше у тебя шансов выжить. При этом и отпрыскам своим требуется передать способность выживать на голодном пайке. Всё это не соответствует знакомой нам со школы теории о «жирном бульоне» древнейшей Земли, в котором жизнь начала развиваться из-за избытка питательных веществ. Но физическая химия в нашем случае категорична: не избыток, а только голод.

Теория смелая и доказательная. Но есть ли в химии реакции, в точности соответствующие приведённому примеру? Однозначного ответа на этот вопрос пока нет. Впрочем, по крайней мере, одна реакция попадает под подозрение. Это реакция Бутлерова, описанная великим русским химиком ещё в 1864 году. В иностранной научной литературе за ней закрепилось название „формоза“. Это синтез различных сахаров из формальдегида в слабощелочных водных растворах в присутствии ионов кальция.

Общепризнанно, что реакция Бутлерова -- автокаталитическая, хотя до сих пор доподлинно неизвестны ни природа, ни действия её автокаталитического механизма. Изучение автокаталитических реакций -- одна из актуальных проблем современной каталитической химии. Интересно, что в семидесятые годы XX века на исследование реакции Бутлерова были истрачены десятки миллионов долларов: США и СССР надеялись получить с её помощью источник искусственной пищи для длительных полетов на Марс. Увы, получаемая смесь сахаров всегда оказывалась ядовитой. Подопытные мышки, которых кормили этими сахарами, погибали. Нужные сахара не получались, и химики укрепились во мнении, что реакция неуправляема. Эксперименты, посвящённые исследованию поведения реакции Бутлерова при уменьшении количества «пищи», до сих пор никем не проводились.

Формальдегид и сахар создали жизнь

Во всех гипотезах зарождения жизни пальма первенства отдаётся белкам. Но самостоятельная «сборка» больших белковых молекул в растворах с малым количеством аминокислот -- дело практически безнадёжное. Если воды много а аминокислот мало, то только что, «собранный» белок тут же распадётся на исходные аминокислоты. А в реакции Бутлерова таких проблем нет: создающимся caxapaм ничего не мешает. И мутации в этой реакции есть: в каждом сахаре по разному развёрнуты молекулярные группы. С точки зрения химика, это настоящие «генетические» изменения!

Какая же мутация наиболее заинтересовала физхимиков? Вспомним, что РНК (рибонуклеиновая кислота) и ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) в основе своих названий имеют рибозу, которая есть самый настоящий сахар. Все нуклеотиды РНК созданы на основе рибозы. Эти нуклеотиды легко образуются сами из нужных частей, „плавающих“ в водном растворе, Лишь бы были эти „запчасти“.

Нуклеотид ДНК -- это те же кислоты как и в РНК, только с небольшими изменениями. Чувствуете тенденцию? Продолжим: АТФ (аденозинтрифосфорная кислота) главный переносчик жизненной энергии -- тоже собрана на основе рибозы. Логичный вывод: необходимые „запчасти“ для „сборки“ первых РНК или ДНК способны в виде рибозы появиться в ходе реакции Бутлерова.

Скептики спросят: а могла ли в древности протекать на Протоземле такая реакция? Откуда миллиарды лет назад взялся формальдегид? Из исследований условий формирования Протоземли однозначно следует: в древности была гремучая атмосфера -- водород, оксид углерода, метан, водный пар, углекислый газ, аммиак… Настоящий коктейль! В подобных условиях для образования формальдегида хватало просто горячей, содержащей железо поверхности. А уж с этим у протопланеты в те времена проблем не было.

После почти тридцатилетнего перерыва учёные Института катализа СО РАН вновь начали эксперименты по исследованию реакции Бутлерова. Реакция действительно сложна и пока практически непредсказуема. Каждый раз получаются самые разные сахара. Непонятно и то, зачем нужен кальций или магний. Какова его роль? Если удастся во всём этом разобраться, для химиков это будет большой удачей. Но уже точно известно, что в этой реакции появляются малоизученные сахара -- аналоги рибозы. Не они ли и стали исходными для зарождения ДНК, РНК и прочих признанных носительниц жизни?

Эта гипотеза не решает глобальной проблемы возникновения жизни. Она лишь чуть-чуть приоткрывает завесу тайны над происхождением некоторых субстанций, которые по прошествии какого-то числа лет станут живыми. Сколько раз зарождалась жизнь на Протоземле? Являемся ли мы с вами «окончательным вариантом»? Стоит ли отбрасывать возможность занесения случайных молекул белков или молекул РНК из космоса? Необъятное поле работы лежит перед химиками. Где-то на его просторах находятся ответы на заданные вопросы.