Исключительную важность представляют эксперименты, в которых делаются попытки моделировать начальные пути биосинтеза белка.
Фокс исследовал взаимодействие полиаминокислот и мононуклеотидов. В процессе этих опытов удалось установить, что полиаргинин по-разному взаимодействует с аденином и урацилом. Точно так же и полилизин поразному реагировал на различные типы нуклеиновых оснований.
Ну чем не начало кодирования? Конечно, на самом примитивном уровне.
В лаборатории Фокса изучалось и взаимодействие термически синтезированных протеиноидов, образующих морфологические структуры с различными полинуклеотидами. В результате этих исследований было установлено, что протеиноид определенного типа имеет различное химическое сродство к разным полинуклеотидам.
Они объединились, и вновь образованные структуры можно было бы рассматривать как предшественники рибосом, прарибосомы.
Данные некоторых опытов, проведенных в лаборатории Фокса, свидетельствуют о возможном дорибосомальном механизме трансляции.
Конечно, эти эксперименты нужно расценивать как первые шаги в новой области добиологического синтеза - моделировании динамических процессов. Основная трудность здесь в том, что в лабораторных экспериментах концентрации реагентов могут очень сильно отличаться от реальных природных концентраций, соответствующих геологическим и геохимическим условиям, которые существовали на примитивной Земле около 4 миллиардов лет назад. Пока именно это обстоятельство кажется наиболее уязвимым местом в изложенных выше результатах.
Тем не менее мне думается, что именно теоретическое и экспериментальное моделирование динамических клеточных процессов - самое важное направление в работах по проблеме происхождения жизни.
Вряд ли кто-нибудь, даже самый большой оптимист, считает, что в ближайшее время удастся синтезировать живой организм, однако мне кажется, что именно усилия в изучении эволюции механизгов репликации и синтеза уже в ближайшее время, несомненно, принесут большие открытия.
Попробуем немного пофантазировать и представить себе гипотетическую последовательность событий, которые могли иметь место на примитивной Земле после того, как сформировалось достаточное количество предшественников белков.
Исходная посылка состоит в том, что до возникновения нуклеотидов и полинуклеотидов шла продолжительная эволюция пептидов и полипептидов Бесспорно, что параллельно происходило образование других классов биологически важных соединений, в том числе предшественников нуклеиновых кислот. Однако в любой момент времени концентрация полипептидов была заметно больше концентрации полинуклеотидов.
Здесь мне хотелось бы обратить внимание на хорошо известный биологам механизм, не требующий в принципе участия нуклеиновых кислот, - механизм самосборки. Вполне можно предположить, что на ранних этапах эволюции самосборка происходила автономно Характерным примером является самосборка низкомолекулярного белка грамицидина, не требующая генетического контроля.
Сейчас есть все основания считать, что процесс самосборки был определяющим при образовании примитивных клеточных мембран, которые могли состоять из полипептидов и предшественников липидов. На этой ступени эволюции появились первые морфологические единицы, которые еще нельзя назвать клетками, - это были просто микросферы. Но с возникновением таких микросфер стала возможна дальнейшая эволюция биополимеров Обладая большой концентрационной способностью, микросферы резко ускорили ход химических реакций Нельзя исключить, что на примитивных мембранах начались процессы синтеза полинуклеотидов, которые катализировались полипептидами, входящими как составные части в примитивную мембрану.
Таким образом, на этом этапе мог бы осуществляться процесс протобелок протонуклеиновая кислота.
С появлением первых матриц мог начаться в том или ином виде прямой матричный синтез полипептидов. Достаточно было появления полипептида, который умел хотя бы немного "помогать" процессу репликации, и тогда сразу же мог возникнуть другой процесс процесс снятия копий - начало протожизни.
Эти предклетки должны были обладать достаточной устойчивостью к воздействию внешних условий Они должны были иметь свое и весьма продолжительное "время жизни".
Процесс репликации мог происходить и без участия ферментов, просто за счет изменения параметров среды, например, изменения температуры или кислотности раствора.
Схемы эволюции можно представить следующим образом: сначала был первичный океан. Затем под воздействием источников энергии на атмосферу и переноса продуктов реакций образовался разбавленный раствор мономеров. Потом в результате медленной эволюции возникла жизнь. Это классическая схема зарождения жизни в океане.
Возможен и другой вариант, связанный, например, с районами активной вулканической деятельности. В этом случае последовательность событий можно представить так. В некоторых локальных областях образуется концентрированный раствор мономеров (аминокислот и так далее). Мы уже видели, что вполне возможны реакции полимеризации этих мономеров. Следующим этапом является концентрирование полимеров на минералах. Это дает возможность для образования протоклеток и "включения" механизмов самосборки. Затем происходит дополнительное концентрирование органического материала в протоклетках.
Именно на этой стадии возникает примитивный прямой матричный механизм. Природа слепа, она работает методом проб и ошибок. С того момента, как она "нашла" прямое матричное копирование, могли пройти еще многие миллионы лет, прежде чем возник современный вариант трансляционного механизма.
В рамках этой схемы тоже очень трудно представить себе, как могли возникнуть трансляция и код и почему код оставался неизменным в течение 3,5 миллиарда лет.
"Глядя" на генетический код, невольно думаешь о том, что в какой-то момент времени природа получила удовлетворение от своей работы и сочла этот этап своей деятельности завершенным.
Стратегическое направление исследований - изучение возникновения динамической организации - сейчас на начальной стадии. Слишком много сегодня нерешенных вопросов в этой области. Полезно их перечислить.
Как возникло кодовое соответствие между полинуклеотидами и полипептидами?
Как возникла транскрипция и трансляционный аппарат?
Как возник информационный поток между полимерами?
Как возникло сопряжение механизмов транскрипции и трансляции?
В биологии XX века произошла революция: родилась новая наука молекулярная биология.
Бесспорно, начало этой революции следует приурочить к определению структуры ДНК. Крик назвал это событие "концом начала". Когда устанавливали структуру генетического кода, Крик сказал, что это - "начало конца". Он имел здесь в виду, что главное в молекулярной биологии уже сделано. С этим вряд ли можно согласиться.
Величайшая загадка молекулярной эволюции еще ждет своего решения. Сегодняшний день в проблеме происхождения жизни - начало начал.
Глава IX
ПРАВОЕ И ЛЕВОЕ
В нашем рассказе о живых клетках до сих пор не говорилось ни слова еще об одном удивительном свойстве биоорганических молекул - об их оптической активности.
Пропустим луч солнечного света через кристалл исландского шпата разновидность широко распространенного минерала кальцита. Луч расщепится на две части, два луча. В чем здесь дело?
Обычный белый свет - это набор электромагнитных волн, имеющих разную длину и колеблющихся в различных плоскостях. Даже если с помощью фильтров или специальных источников получить свет определенной длины волны монохроматический свет, то и он будет состоять из волн, колебания которых происходят в различных плоскостях.
Кристалл исландского шпата имеет такое строение, что при прохождении через него световой волны образуются два световых луча - "обыкновенный" и "необыкновенный"; колеблющееся электрическое поле одного луча находится в плоскости, перпендикулярной плоскости другого луча.
Физики говорят, что эти лучи поляризованы в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.
Если определенным образом разрезать, а потом склеить два кристалла исландского шпата, мы получим поляризатор света, который называется призмой Николя.
Она пропускает только "необыкновенный" луч плоскополяризованного света.
Действие призмы Николя можно понять из следующей аналогии. Если попытаться вложить столовый нож в закрытую книгу, это удастся сделать лишь при условии, что нож повернут в определенной плоскости. Книга - призма, нож - "необыкновенный" луч.
Явления, о которых мы сейчас говорили, были замечены учеными в самом начале XIX века.
Началось интенсивное исследование свойств плоскополяризованного света. В 1811 году французский физик Л. Араго обнаружил интересное явление. Он пропускал поляризованный свет через кристаллы кварца. Оказалось, что кристалл кварца способен поворачивать плоскость поляризации направленного на него светового луча.
Более того, Ж. Био, работавший вместе с Л. Араго, установил, что одни кристаллы вращают плоскость поляризации влево, а другие вправо. Такие кристаллы получили название энантиоморфных, то есть относящихся друг"к другу как правая и левая руки, зеркально.
Но Био сделал еще одно важное открытие. В 1815 году он обнаружил оптическую активность (способность вращать плоскость поляризации света) у некоторых природных органических соединений. Он установил, что этим свойством обладают водный раствор тростникового сахара, скипидар, камфара.
Био прекрасно понимал разницу между оптической активностью кварца и органических соединений. Он подчеркивал, что оптическая активность кварца исчезает при разрушении его кристаллической структуры.
Для этого вполне достаточно переплавить кристалл.
Оптическую же активность жидкостей Био связывал со свойствами самих молекул жидкости.
В 1874 году молодые химики Я. Вант-Гофф и Ж- Ле-Бель установили основополагающее правило.
Ни одна структура, ни одна молекула не может быть оптически активной, если ее атомы лежат в одной плоскости. Открытие этого правила положило начало стереохимии.
Необходимо подчеркнуть, что за 13 лет до открытия Вант-Гоффа и Ле-Беля выдающийся русский химик А. Бутлеров, впервые предложивший термин "химическое строение", писал, что важно знать, каким образом каждый атом в молекуле пространственно связан с другими атомами.
Нужно также сказать, что значительный вклад в изучение оптической активности внес великий Л. Пастер.
В 1848 году ему впервые удалось разделить смесь двух оптически активных соединений. Естественно, что сама исходная смесь была оптически неактивной. Одна ее часть вращала плоскость поляризации света влево, а другая вправо. Это был раствор винной кислоты, состоящий из двух энантиомерных форм. Одна из них называется d-формой (от латинского слова dextro - правый), другая 1-формой (levo - левый). Такие вещества, абсолютно одинаковые по своим химическим свойствам и отличающиеся только направлением вращения плоскости поляризации света, называются оптическими изомерами, или энантиомерами.
Пастер, тогда еще молодой человек, ему было всего 19 лет, представил свою работу во Французскую академию наук. Академия попросила Био дать рецензию на открытие Пастера. До этого Био исследовал образец виноградной кислоты и нашел его оптически неактивным.
Био предоставил Пастеру все требуемые реагенты, и в одной из лабораторий Коллеж де Франс начался знаменитый опыт. Через некоторое время Пастер передал Био кристаллы и сказал, что они будут вращать свет влево. Так оно и произошло. Маститый Био был потрясен.
Идеи Пастера и легли в основу теории Вант-Гоффа и Ле-Беля. За 14 лет до четкой формулировки основного положения стереохимии, в 1860 году Пастер писал: "Расположены ли атомы правой винной кислоты в направлении витков правой спирали... Или они образуют какую-то другую асимметричную группировку? Мы не можем ответить на эти вопросы. Однако нет никакого сомнения, что расположение атомов является асимметричным и не совместимым со своим зеркальным изображением.
Не менее достоверно и то, что атомы 1-формы кислоты обладают точно противоположным расположением".
Великий ученый замечательно ясно и точно объяснил загадку оптической активности.
После работ Пастера, Вант-Гоффа и Ле-Беля биохимиками был установлен поразительный факт. Во всем мире живого, в органических молекулах любой клетки белки построены только из одного типа пространственных изомеров аминокислот, а именно из 1-аминокислот.
Белки коровы, дерева, дрожжей и даже вирусов состоят из 1-аминокислот.
Почему? Ведь правые и левые молекулы химически абсолютно одинаковы.
Они одинаковы, лишь когда дело касается взаимодействия с оптически неактивными веществами. Если же они реагируют с другими правыми и левыми молекулами, проявляются их стереохимические особенности.
Лауреат Нобелевской премии шведский физик X. Альвен развивает идею существования антимиров, где роль электрона выполняет позитрон, а вместо протона в ядре атома - антипротон. Такой мир, в терминах физики, являлся бы зеркальным отображением нашего мира.
При соприкосновении они были бы уничтожены, аннигилировали. А в мире живого?
Этот вопрос был поднят еще в XIX веке, но не физиками или биологами, а автором знаменитой "Алисы в Зазеркалье" Л. Кэрролом. Правда, он известен и как математик. "Может быть, зеркальное молоко не годится для питья", рассуждает Алиса в знаменитой книге.
Кэррол прав. Если бы мы с вами были построены из белков, в состав которых входили бы не 1-, а d-аминокислоты, внешне ничего бы не переменилось. Возможно, большинство людей писало бы левой рукой, а сердце билось бы справа. И животные и микроорганизмы дышали бы так же, как и сейчас. Но если бы 1-человек стал бы есть d-белки, он очень скоро умер бы от голода, так как d-аминокислоты не сумели бы включиться в состав 1-белкового мира.
Итак, почему у нас 1-, а не d-мир? Почему и как в результате эволюции произошел отбор только одной формы изомеров молекул?
В живых системах всегда присутствует только один оптический изомер, в то время как в процессах небиологического синтеза при прочих равных условиях (без использования оптически активных матриц) образуется рацемическая смесь молекул, то есть смесь, состоящая поровну из 1- и d-форм и не вращающая плоскость поляризации, в процессах биосинтеза синтезируются оптически активные соединения. По этому поводу существует целый ряд предположений, и мы остановимся на обзоре лишь некоторых гипотез, представляющих, на наш взгляд, наибольший интерес.
Лауреат Нобелевской премии известный химик Д. Уолд подчеркивает различие формы у энантиомеров как весьма важное качество для ряда биохимических реакций и обосновывает предположение, что оптическая активность возникла в результате естественного отбора молекул из начальной рацемической смеси.
Целесообразно, однако, указать сначала на природные источники оптической асимметрии, которые могли бы играть определенную роль в отборе молекул. Так, еще в 1896 году было обнаружено, что оптические изомеры отличаются коэффициентами поглощения поляризованного света. Это явление могло бы в принципе служить механизмом отбора, так как на поверхность Земли попадает некоторое количество поляризованного излучения.
Однако результирующий эффект, по-видимому, слишком мал, чтобы играть заметную роль в возникновении столь явно выраженного отбора энантиомера одного типа.
В качестве возможной причины появления оптической активности рассматривались кристаллы кварца, которые могут разделять оптические изомеры с различной адсорбцией и играть определенную роль в ассиметрическом синтезе (небиологическом) на поверхности. Но для этого одна форма кварца должна быть преимущественной. Если же правые и левые кристаллы кварца встречаются одинаково часто в природе, то остается надежда лишь на локальные флуктуации какой-либо из этих форм.
Правда, известный геохимик В. Гольдшмит сообщил в свое время о преимущественном распространении правых кристаллов кварца. Он полагал, что правых кристаллов в 10 раз больше, чем левых. Другие геологи не сумели подтвердить численные данные Гольдшмита. Однако нельзя исключить того обстоятельства, что правых кристаллов действительно несколько больше, чем левых.
Тем не менее кристаллы кварца не могли играть скольлибо серьезной роли в возникновении биологической оптической активности, так как экспериментально была доказана равная эффективность правых и левых кристаллов кварца в отношении поверхностной ориентации аминокислот.
Уолд видит объяснение эволюционного пути этого явления в постепенной селекции молекул. Для обоснования своей идеи он рассматривает полипептиды и белки, с одной стороны, и полинуклеотиды и нуклеиновые кислоты - с другой.
Большинство известных белков имеет в своей структуре спирализованные участки, называемые а-спиралью, а-спираль была открыта и изучена лауреатом Нобелевской премии и Ленинской премии мира знаменитым химиком Л. Полингом.
При изучении синтетических полимеров аминокислот удалось показать, что они образуют в некоторых растворах а-спиральную структуру самопроизвольно. Может ли а-спираль образовываться из смеси 1- и d-аминокислот? Тщательно проанализировав этот вопрос, Уолд приходит к выводу, что небольшие включения d-аминокислот не оказывают существенного влияния на а-спиральную конфигурацию. Однако возникновение а-спирали в рацемической смеси аминокислот маловероятно, если не невозможно, по все тем же стереохимическим причинам.
Сравнивая процессы полимеризации и свойства 1-, dаминокислот и полимеров, можно сделать следующие важные выводы: полимер, состоящий из смеси 1- и d-аминокислот, растет значительно медленнее, чем l-илиd-фopма отдельно (примерно в 20 раз медленнее). Кроме этс го, смешанные полимеры короче, чем 1- или d-формы, образованные в аналогичных условиях. Но это еще не все.
Смешанные полимеры гораздо менее стабильны в своей конфигурации, чем 1или d-формы.
Все эти факторы могут обеспечить естественный отбор на молекулярном уровне по признаку стерического (стереохимического) преимущества.
Еще более нагляден пример с нуклеиновыми кислотами. Ведь они тоже оптически активны. Вернее, оптически активна молекула сахара, входящая в состав и ДНК и РНК. Полная геометрия двойной спирали определена структурой групп, связанных с асимметрическим атомом углерода в молекуле сахара.
Поскольку компонентами нуклеотидов являются d-caхара, то устанавливается определенная пространственная ориентация азотистых оснований по отношению к асимметричному углеродному атому молекулы сахара.
Именно поэтому конфигурация нуклеиновой кислоты стерически четко определена, что и дает возможность для спаривания оснований. В случае же использования смеси 1- и d-сахаров азотистые основания не могут располо-житься комплементарно и двойная спираль не сможет образоваться.
Что же определяет в природе выбор правого или левого?
Саму оптическую активность объяснить нетрудно.
Труднее объяснить, почему природа сделала столь определенный выбор. Обсуждая этот вопрос, Уолд вспоминает свой разговор с Эйнштейном.
Почему живое использует 1-аминокислоты? Этот вопрос аналогичен проблеме зарядовой симметрии в физике. Эйнштейн говорил, что он часто задавал себе вопрос, почему электрон заряжен отрицательно. И в том и в другом случае можно дать аналогичный ответ: одна форма победила другую. Возможно, говорит Уолд, некоторое время существовали 1- и d-организмы. Затем одна популяция вытеснила другую. Возможно также, что отбор произошел раньше, на стадии предбиологической эволюции.
Идеи Уолда представляются весьма интересными и обоснованными именно в части естественного отбора оптических антиподов, их внутренней приспособленности для построения структур высшего порядка. Что касается вопроса о том, почему мы имеем на Земле жизнь, a нe "антижизнь", то есть системы, построенные из 1-аминокислот и d-сахаров, а не наоборот, то, по-видимому, сегодня мы не в состоянии решить эту задачу.
Во всяком случае, проблема возникновения оптической активности не кажется сегодня столь загадочной, и можно уверенно констатировать, что наметились конкретные пути решения.
Совсем другое дело - загадка происхождения генетического кода. Трудности на этом пути столь велики, что даже в настоящее время возникают идеи о внеземном происхождении земной жизни.
Так, совсем недавно Ф. Крик и Л. Оргел с учетом космологических данных ревизовали модель панспермии и предложили модель так называемой направленной панспермин, в которой возникновение жизни на Земле объясняется целенаправленной деятельностью цивилизаций, возраст которых больше возраста Солнца.
Бесспорно, что, пока не будет решена проблема возникновения генетического аппарата в чисто философском аспекте, мы не можем полностью отвергать идею панспермии, в какой бы форме она ни предлагалась. Однако нужно помнить о том, что эта идея не дает решения проблемы возникновения жизни в целом, относя его в другое место и в другое время.
Нужно сказать, что в чисто философском плане эта модель представляет интерес как пример труднодоказуемого и также трудноопровергаемого предположения.
Ортодоксальная теория панспермии, выдвинутая впервые Аррениусом и развитая впоследствии другими учеными, заключается в том, что жизнь была занесена на Землю в виде спор внутри метеорита внесолнечного происхождения. В такой форме теория приводит к экстремально низким вероятностям зарождения жизни вследствие чрезвычайно малой частоты подобного рода событий.
Крик и Оргел считают последнюю точку зрения ошибочной, поскольку могли существовать планеты другого типа, чем Земля. На этих планетах каталитическая активность минералов (и это особенно важно для возникновения живых систем) могла сильно отличаться от земной. Такие планеты могли существовать задолго до образования Земли.
Авторы принимают, что время существования Галактики - 13 миллиардов лет, и спустя 2 миллиарда лет после возникновения Галактики могли появляться звезды, которые содержали не только легкие, но и тяжелые элементы.
Таким образом за 6,5 миллиарда лет до образования нашей солнечной системы могли возникнуть планетные системы, в которых были планеты типа Земли.
Поскольку время, в течение которого на Земле возникла технологически развития цивилизация, меньше 4 миллиардов лет, то даже до образования Земли как планеты в Галактике могли существовать высокоразвитые технологические цивилизации.
На основании этих астрофизических данных Крик и Оргел предполагают, что жизнь на Земле возникла в результате заражения нашей планеты микроорганизмами, специально посланными высокоразвитой цивилизацией для осеменения планет, потенциально пригодных для жизни. Для этой цели был использован автоматический космический зонд.
Исходя из ближайших возможностей нашей собственной цивилизации, нетрудно убедиться, что создание такого космического корабля вполне реальная задача.
При полезной нагрузке в одну тонну можно послать десять образцов по 10^16 микроорганизмов в каждой или 100 образцов по 10^15 клеток. Нет никакой необходимости ускорять корабль до очень больших скоростей, так как время в астрономическом плане не является лимитирующим фактором. Радиус нашей Галактики составляет приблизительно 10б световых лет, и, таким образом, в принципе за 108 лет автоматический корабль может достигнуть границ Галактики, если его скорость составляет 0,001 от скорости света.
Здесь неясным моментом является вопрос о сохранности зародышей в течение времени порядка 10е-108 лет.
Однако, если сохранять споры при температурах, близких к абсолютному нулю, эта трудность может быть разрешена.
Таким образом, Крик и Оргел не считают невероятным появление жизни на Земле именно таким путем.
В защиту своей позиции они выдвигают следующие аргументы.
Химический состав живых систем должен хотя бы в некоторой степени отражать условия их возникновения и развития. Поэтому наличие в земных формах жизни редких элементов может свидетельствовать об их внеземном происхождении.
Авторы считают, что молибден является свидетелем внеземного происхождения нашей земной жизни. Процентное содержание хрома, никеля и молибдена составляет на Земле 0,2; 3,16 и 0,02 процента соответственно.
И хотя первые два элемента не играют в биохимии практически никакой роли, молибден принимает участие во многих ферментативных реакциях.
Если бы удалось показать, что элементы, представленные в земных организмах, коррелируют с содержанием элементов в так называемых "молибденовых" звездах, это послужило бы серьезным доказательством в пользу выдвигаемой гипотезы. Однако этот аргумент не выдерживает критики в силу того, что нужно рассматривать не процентное содержание элементов в массе Земли в целом, а степень их концентрирования в живых системах по сравнению с их концентрациями в земной коре или морской воде. Тогда оказывается, что молибден не занимает никакого особенного положения по сравнению, например, с фосфором.
Фокс исследовал взаимодействие полиаминокислот и мононуклеотидов. В процессе этих опытов удалось установить, что полиаргинин по-разному взаимодействует с аденином и урацилом. Точно так же и полилизин поразному реагировал на различные типы нуклеиновых оснований.
Ну чем не начало кодирования? Конечно, на самом примитивном уровне.
В лаборатории Фокса изучалось и взаимодействие термически синтезированных протеиноидов, образующих морфологические структуры с различными полинуклеотидами. В результате этих исследований было установлено, что протеиноид определенного типа имеет различное химическое сродство к разным полинуклеотидам.
Они объединились, и вновь образованные структуры можно было бы рассматривать как предшественники рибосом, прарибосомы.
Данные некоторых опытов, проведенных в лаборатории Фокса, свидетельствуют о возможном дорибосомальном механизме трансляции.
Конечно, эти эксперименты нужно расценивать как первые шаги в новой области добиологического синтеза - моделировании динамических процессов. Основная трудность здесь в том, что в лабораторных экспериментах концентрации реагентов могут очень сильно отличаться от реальных природных концентраций, соответствующих геологическим и геохимическим условиям, которые существовали на примитивной Земле около 4 миллиардов лет назад. Пока именно это обстоятельство кажется наиболее уязвимым местом в изложенных выше результатах.
Тем не менее мне думается, что именно теоретическое и экспериментальное моделирование динамических клеточных процессов - самое важное направление в работах по проблеме происхождения жизни.
Вряд ли кто-нибудь, даже самый большой оптимист, считает, что в ближайшее время удастся синтезировать живой организм, однако мне кажется, что именно усилия в изучении эволюции механизгов репликации и синтеза уже в ближайшее время, несомненно, принесут большие открытия.
Попробуем немного пофантазировать и представить себе гипотетическую последовательность событий, которые могли иметь место на примитивной Земле после того, как сформировалось достаточное количество предшественников белков.
Исходная посылка состоит в том, что до возникновения нуклеотидов и полинуклеотидов шла продолжительная эволюция пептидов и полипептидов Бесспорно, что параллельно происходило образование других классов биологически важных соединений, в том числе предшественников нуклеиновых кислот. Однако в любой момент времени концентрация полипептидов была заметно больше концентрации полинуклеотидов.
Здесь мне хотелось бы обратить внимание на хорошо известный биологам механизм, не требующий в принципе участия нуклеиновых кислот, - механизм самосборки. Вполне можно предположить, что на ранних этапах эволюции самосборка происходила автономно Характерным примером является самосборка низкомолекулярного белка грамицидина, не требующая генетического контроля.
Сейчас есть все основания считать, что процесс самосборки был определяющим при образовании примитивных клеточных мембран, которые могли состоять из полипептидов и предшественников липидов. На этой ступени эволюции появились первые морфологические единицы, которые еще нельзя назвать клетками, - это были просто микросферы. Но с возникновением таких микросфер стала возможна дальнейшая эволюция биополимеров Обладая большой концентрационной способностью, микросферы резко ускорили ход химических реакций Нельзя исключить, что на примитивных мембранах начались процессы синтеза полинуклеотидов, которые катализировались полипептидами, входящими как составные части в примитивную мембрану.
Таким образом, на этом этапе мог бы осуществляться процесс протобелок протонуклеиновая кислота.
С появлением первых матриц мог начаться в том или ином виде прямой матричный синтез полипептидов. Достаточно было появления полипептида, который умел хотя бы немного "помогать" процессу репликации, и тогда сразу же мог возникнуть другой процесс процесс снятия копий - начало протожизни.
Эти предклетки должны были обладать достаточной устойчивостью к воздействию внешних условий Они должны были иметь свое и весьма продолжительное "время жизни".
Процесс репликации мог происходить и без участия ферментов, просто за счет изменения параметров среды, например, изменения температуры или кислотности раствора.
Схемы эволюции можно представить следующим образом: сначала был первичный океан. Затем под воздействием источников энергии на атмосферу и переноса продуктов реакций образовался разбавленный раствор мономеров. Потом в результате медленной эволюции возникла жизнь. Это классическая схема зарождения жизни в океане.
Возможен и другой вариант, связанный, например, с районами активной вулканической деятельности. В этом случае последовательность событий можно представить так. В некоторых локальных областях образуется концентрированный раствор мономеров (аминокислот и так далее). Мы уже видели, что вполне возможны реакции полимеризации этих мономеров. Следующим этапом является концентрирование полимеров на минералах. Это дает возможность для образования протоклеток и "включения" механизмов самосборки. Затем происходит дополнительное концентрирование органического материала в протоклетках.
Именно на этой стадии возникает примитивный прямой матричный механизм. Природа слепа, она работает методом проб и ошибок. С того момента, как она "нашла" прямое матричное копирование, могли пройти еще многие миллионы лет, прежде чем возник современный вариант трансляционного механизма.
В рамках этой схемы тоже очень трудно представить себе, как могли возникнуть трансляция и код и почему код оставался неизменным в течение 3,5 миллиарда лет.
"Глядя" на генетический код, невольно думаешь о том, что в какой-то момент времени природа получила удовлетворение от своей работы и сочла этот этап своей деятельности завершенным.
Стратегическое направление исследований - изучение возникновения динамической организации - сейчас на начальной стадии. Слишком много сегодня нерешенных вопросов в этой области. Полезно их перечислить.
Как возникло кодовое соответствие между полинуклеотидами и полипептидами?
Как возникла транскрипция и трансляционный аппарат?
Как возник информационный поток между полимерами?
Как возникло сопряжение механизмов транскрипции и трансляции?
В биологии XX века произошла революция: родилась новая наука молекулярная биология.
Бесспорно, начало этой революции следует приурочить к определению структуры ДНК. Крик назвал это событие "концом начала". Когда устанавливали структуру генетического кода, Крик сказал, что это - "начало конца". Он имел здесь в виду, что главное в молекулярной биологии уже сделано. С этим вряд ли можно согласиться.
Величайшая загадка молекулярной эволюции еще ждет своего решения. Сегодняшний день в проблеме происхождения жизни - начало начал.
Глава IX
ПРАВОЕ И ЛЕВОЕ
В нашем рассказе о живых клетках до сих пор не говорилось ни слова еще об одном удивительном свойстве биоорганических молекул - об их оптической активности.
Пропустим луч солнечного света через кристалл исландского шпата разновидность широко распространенного минерала кальцита. Луч расщепится на две части, два луча. В чем здесь дело?
Обычный белый свет - это набор электромагнитных волн, имеющих разную длину и колеблющихся в различных плоскостях. Даже если с помощью фильтров или специальных источников получить свет определенной длины волны монохроматический свет, то и он будет состоять из волн, колебания которых происходят в различных плоскостях.
Кристалл исландского шпата имеет такое строение, что при прохождении через него световой волны образуются два световых луча - "обыкновенный" и "необыкновенный"; колеблющееся электрическое поле одного луча находится в плоскости, перпендикулярной плоскости другого луча.
Физики говорят, что эти лучи поляризованы в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.
Если определенным образом разрезать, а потом склеить два кристалла исландского шпата, мы получим поляризатор света, который называется призмой Николя.
Она пропускает только "необыкновенный" луч плоскополяризованного света.
Действие призмы Николя можно понять из следующей аналогии. Если попытаться вложить столовый нож в закрытую книгу, это удастся сделать лишь при условии, что нож повернут в определенной плоскости. Книга - призма, нож - "необыкновенный" луч.
Явления, о которых мы сейчас говорили, были замечены учеными в самом начале XIX века.
Началось интенсивное исследование свойств плоскополяризованного света. В 1811 году французский физик Л. Араго обнаружил интересное явление. Он пропускал поляризованный свет через кристаллы кварца. Оказалось, что кристалл кварца способен поворачивать плоскость поляризации направленного на него светового луча.
Более того, Ж. Био, работавший вместе с Л. Араго, установил, что одни кристаллы вращают плоскость поляризации влево, а другие вправо. Такие кристаллы получили название энантиоморфных, то есть относящихся друг"к другу как правая и левая руки, зеркально.
Но Био сделал еще одно важное открытие. В 1815 году он обнаружил оптическую активность (способность вращать плоскость поляризации света) у некоторых природных органических соединений. Он установил, что этим свойством обладают водный раствор тростникового сахара, скипидар, камфара.
Био прекрасно понимал разницу между оптической активностью кварца и органических соединений. Он подчеркивал, что оптическая активность кварца исчезает при разрушении его кристаллической структуры.
Для этого вполне достаточно переплавить кристалл.
Оптическую же активность жидкостей Био связывал со свойствами самих молекул жидкости.
В 1874 году молодые химики Я. Вант-Гофф и Ж- Ле-Бель установили основополагающее правило.
Ни одна структура, ни одна молекула не может быть оптически активной, если ее атомы лежат в одной плоскости. Открытие этого правила положило начало стереохимии.
Необходимо подчеркнуть, что за 13 лет до открытия Вант-Гоффа и Ле-Беля выдающийся русский химик А. Бутлеров, впервые предложивший термин "химическое строение", писал, что важно знать, каким образом каждый атом в молекуле пространственно связан с другими атомами.
Нужно также сказать, что значительный вклад в изучение оптической активности внес великий Л. Пастер.
В 1848 году ему впервые удалось разделить смесь двух оптически активных соединений. Естественно, что сама исходная смесь была оптически неактивной. Одна ее часть вращала плоскость поляризации света влево, а другая вправо. Это был раствор винной кислоты, состоящий из двух энантиомерных форм. Одна из них называется d-формой (от латинского слова dextro - правый), другая 1-формой (levo - левый). Такие вещества, абсолютно одинаковые по своим химическим свойствам и отличающиеся только направлением вращения плоскости поляризации света, называются оптическими изомерами, или энантиомерами.
Пастер, тогда еще молодой человек, ему было всего 19 лет, представил свою работу во Французскую академию наук. Академия попросила Био дать рецензию на открытие Пастера. До этого Био исследовал образец виноградной кислоты и нашел его оптически неактивным.
Био предоставил Пастеру все требуемые реагенты, и в одной из лабораторий Коллеж де Франс начался знаменитый опыт. Через некоторое время Пастер передал Био кристаллы и сказал, что они будут вращать свет влево. Так оно и произошло. Маститый Био был потрясен.
Идеи Пастера и легли в основу теории Вант-Гоффа и Ле-Беля. За 14 лет до четкой формулировки основного положения стереохимии, в 1860 году Пастер писал: "Расположены ли атомы правой винной кислоты в направлении витков правой спирали... Или они образуют какую-то другую асимметричную группировку? Мы не можем ответить на эти вопросы. Однако нет никакого сомнения, что расположение атомов является асимметричным и не совместимым со своим зеркальным изображением.
Не менее достоверно и то, что атомы 1-формы кислоты обладают точно противоположным расположением".
Великий ученый замечательно ясно и точно объяснил загадку оптической активности.
После работ Пастера, Вант-Гоффа и Ле-Беля биохимиками был установлен поразительный факт. Во всем мире живого, в органических молекулах любой клетки белки построены только из одного типа пространственных изомеров аминокислот, а именно из 1-аминокислот.
Белки коровы, дерева, дрожжей и даже вирусов состоят из 1-аминокислот.
Почему? Ведь правые и левые молекулы химически абсолютно одинаковы.
Они одинаковы, лишь когда дело касается взаимодействия с оптически неактивными веществами. Если же они реагируют с другими правыми и левыми молекулами, проявляются их стереохимические особенности.
Лауреат Нобелевской премии шведский физик X. Альвен развивает идею существования антимиров, где роль электрона выполняет позитрон, а вместо протона в ядре атома - антипротон. Такой мир, в терминах физики, являлся бы зеркальным отображением нашего мира.
При соприкосновении они были бы уничтожены, аннигилировали. А в мире живого?
Этот вопрос был поднят еще в XIX веке, но не физиками или биологами, а автором знаменитой "Алисы в Зазеркалье" Л. Кэрролом. Правда, он известен и как математик. "Может быть, зеркальное молоко не годится для питья", рассуждает Алиса в знаменитой книге.
Кэррол прав. Если бы мы с вами были построены из белков, в состав которых входили бы не 1-, а d-аминокислоты, внешне ничего бы не переменилось. Возможно, большинство людей писало бы левой рукой, а сердце билось бы справа. И животные и микроорганизмы дышали бы так же, как и сейчас. Но если бы 1-человек стал бы есть d-белки, он очень скоро умер бы от голода, так как d-аминокислоты не сумели бы включиться в состав 1-белкового мира.
Итак, почему у нас 1-, а не d-мир? Почему и как в результате эволюции произошел отбор только одной формы изомеров молекул?
В живых системах всегда присутствует только один оптический изомер, в то время как в процессах небиологического синтеза при прочих равных условиях (без использования оптически активных матриц) образуется рацемическая смесь молекул, то есть смесь, состоящая поровну из 1- и d-форм и не вращающая плоскость поляризации, в процессах биосинтеза синтезируются оптически активные соединения. По этому поводу существует целый ряд предположений, и мы остановимся на обзоре лишь некоторых гипотез, представляющих, на наш взгляд, наибольший интерес.
Лауреат Нобелевской премии известный химик Д. Уолд подчеркивает различие формы у энантиомеров как весьма важное качество для ряда биохимических реакций и обосновывает предположение, что оптическая активность возникла в результате естественного отбора молекул из начальной рацемической смеси.
Целесообразно, однако, указать сначала на природные источники оптической асимметрии, которые могли бы играть определенную роль в отборе молекул. Так, еще в 1896 году было обнаружено, что оптические изомеры отличаются коэффициентами поглощения поляризованного света. Это явление могло бы в принципе служить механизмом отбора, так как на поверхность Земли попадает некоторое количество поляризованного излучения.
Однако результирующий эффект, по-видимому, слишком мал, чтобы играть заметную роль в возникновении столь явно выраженного отбора энантиомера одного типа.
В качестве возможной причины появления оптической активности рассматривались кристаллы кварца, которые могут разделять оптические изомеры с различной адсорбцией и играть определенную роль в ассиметрическом синтезе (небиологическом) на поверхности. Но для этого одна форма кварца должна быть преимущественной. Если же правые и левые кристаллы кварца встречаются одинаково часто в природе, то остается надежда лишь на локальные флуктуации какой-либо из этих форм.
Правда, известный геохимик В. Гольдшмит сообщил в свое время о преимущественном распространении правых кристаллов кварца. Он полагал, что правых кристаллов в 10 раз больше, чем левых. Другие геологи не сумели подтвердить численные данные Гольдшмита. Однако нельзя исключить того обстоятельства, что правых кристаллов действительно несколько больше, чем левых.
Тем не менее кристаллы кварца не могли играть скольлибо серьезной роли в возникновении биологической оптической активности, так как экспериментально была доказана равная эффективность правых и левых кристаллов кварца в отношении поверхностной ориентации аминокислот.
Уолд видит объяснение эволюционного пути этого явления в постепенной селекции молекул. Для обоснования своей идеи он рассматривает полипептиды и белки, с одной стороны, и полинуклеотиды и нуклеиновые кислоты - с другой.
Большинство известных белков имеет в своей структуре спирализованные участки, называемые а-спиралью, а-спираль была открыта и изучена лауреатом Нобелевской премии и Ленинской премии мира знаменитым химиком Л. Полингом.
При изучении синтетических полимеров аминокислот удалось показать, что они образуют в некоторых растворах а-спиральную структуру самопроизвольно. Может ли а-спираль образовываться из смеси 1- и d-аминокислот? Тщательно проанализировав этот вопрос, Уолд приходит к выводу, что небольшие включения d-аминокислот не оказывают существенного влияния на а-спиральную конфигурацию. Однако возникновение а-спирали в рацемической смеси аминокислот маловероятно, если не невозможно, по все тем же стереохимическим причинам.
Сравнивая процессы полимеризации и свойства 1-, dаминокислот и полимеров, можно сделать следующие важные выводы: полимер, состоящий из смеси 1- и d-аминокислот, растет значительно медленнее, чем l-илиd-фopма отдельно (примерно в 20 раз медленнее). Кроме этс го, смешанные полимеры короче, чем 1- или d-формы, образованные в аналогичных условиях. Но это еще не все.
Смешанные полимеры гораздо менее стабильны в своей конфигурации, чем 1или d-формы.
Все эти факторы могут обеспечить естественный отбор на молекулярном уровне по признаку стерического (стереохимического) преимущества.
Еще более нагляден пример с нуклеиновыми кислотами. Ведь они тоже оптически активны. Вернее, оптически активна молекула сахара, входящая в состав и ДНК и РНК. Полная геометрия двойной спирали определена структурой групп, связанных с асимметрическим атомом углерода в молекуле сахара.
Поскольку компонентами нуклеотидов являются d-caхара, то устанавливается определенная пространственная ориентация азотистых оснований по отношению к асимметричному углеродному атому молекулы сахара.
Именно поэтому конфигурация нуклеиновой кислоты стерически четко определена, что и дает возможность для спаривания оснований. В случае же использования смеси 1- и d-сахаров азотистые основания не могут располо-житься комплементарно и двойная спираль не сможет образоваться.
Что же определяет в природе выбор правого или левого?
Саму оптическую активность объяснить нетрудно.
Труднее объяснить, почему природа сделала столь определенный выбор. Обсуждая этот вопрос, Уолд вспоминает свой разговор с Эйнштейном.
Почему живое использует 1-аминокислоты? Этот вопрос аналогичен проблеме зарядовой симметрии в физике. Эйнштейн говорил, что он часто задавал себе вопрос, почему электрон заряжен отрицательно. И в том и в другом случае можно дать аналогичный ответ: одна форма победила другую. Возможно, говорит Уолд, некоторое время существовали 1- и d-организмы. Затем одна популяция вытеснила другую. Возможно также, что отбор произошел раньше, на стадии предбиологической эволюции.
Идеи Уолда представляются весьма интересными и обоснованными именно в части естественного отбора оптических антиподов, их внутренней приспособленности для построения структур высшего порядка. Что касается вопроса о том, почему мы имеем на Земле жизнь, a нe "антижизнь", то есть системы, построенные из 1-аминокислот и d-сахаров, а не наоборот, то, по-видимому, сегодня мы не в состоянии решить эту задачу.
Во всяком случае, проблема возникновения оптической активности не кажется сегодня столь загадочной, и можно уверенно констатировать, что наметились конкретные пути решения.
Совсем другое дело - загадка происхождения генетического кода. Трудности на этом пути столь велики, что даже в настоящее время возникают идеи о внеземном происхождении земной жизни.
Так, совсем недавно Ф. Крик и Л. Оргел с учетом космологических данных ревизовали модель панспермии и предложили модель так называемой направленной панспермин, в которой возникновение жизни на Земле объясняется целенаправленной деятельностью цивилизаций, возраст которых больше возраста Солнца.
Бесспорно, что, пока не будет решена проблема возникновения генетического аппарата в чисто философском аспекте, мы не можем полностью отвергать идею панспермии, в какой бы форме она ни предлагалась. Однако нужно помнить о том, что эта идея не дает решения проблемы возникновения жизни в целом, относя его в другое место и в другое время.
Нужно сказать, что в чисто философском плане эта модель представляет интерес как пример труднодоказуемого и также трудноопровергаемого предположения.
Ортодоксальная теория панспермии, выдвинутая впервые Аррениусом и развитая впоследствии другими учеными, заключается в том, что жизнь была занесена на Землю в виде спор внутри метеорита внесолнечного происхождения. В такой форме теория приводит к экстремально низким вероятностям зарождения жизни вследствие чрезвычайно малой частоты подобного рода событий.
Крик и Оргел считают последнюю точку зрения ошибочной, поскольку могли существовать планеты другого типа, чем Земля. На этих планетах каталитическая активность минералов (и это особенно важно для возникновения живых систем) могла сильно отличаться от земной. Такие планеты могли существовать задолго до образования Земли.
Авторы принимают, что время существования Галактики - 13 миллиардов лет, и спустя 2 миллиарда лет после возникновения Галактики могли появляться звезды, которые содержали не только легкие, но и тяжелые элементы.
Таким образом за 6,5 миллиарда лет до образования нашей солнечной системы могли возникнуть планетные системы, в которых были планеты типа Земли.
Поскольку время, в течение которого на Земле возникла технологически развития цивилизация, меньше 4 миллиардов лет, то даже до образования Земли как планеты в Галактике могли существовать высокоразвитые технологические цивилизации.
На основании этих астрофизических данных Крик и Оргел предполагают, что жизнь на Земле возникла в результате заражения нашей планеты микроорганизмами, специально посланными высокоразвитой цивилизацией для осеменения планет, потенциально пригодных для жизни. Для этой цели был использован автоматический космический зонд.
Исходя из ближайших возможностей нашей собственной цивилизации, нетрудно убедиться, что создание такого космического корабля вполне реальная задача.
При полезной нагрузке в одну тонну можно послать десять образцов по 10^16 микроорганизмов в каждой или 100 образцов по 10^15 клеток. Нет никакой необходимости ускорять корабль до очень больших скоростей, так как время в астрономическом плане не является лимитирующим фактором. Радиус нашей Галактики составляет приблизительно 10б световых лет, и, таким образом, в принципе за 108 лет автоматический корабль может достигнуть границ Галактики, если его скорость составляет 0,001 от скорости света.
Здесь неясным моментом является вопрос о сохранности зародышей в течение времени порядка 10е-108 лет.
Однако, если сохранять споры при температурах, близких к абсолютному нулю, эта трудность может быть разрешена.
Таким образом, Крик и Оргел не считают невероятным появление жизни на Земле именно таким путем.
В защиту своей позиции они выдвигают следующие аргументы.
Химический состав живых систем должен хотя бы в некоторой степени отражать условия их возникновения и развития. Поэтому наличие в земных формах жизни редких элементов может свидетельствовать об их внеземном происхождении.
Авторы считают, что молибден является свидетелем внеземного происхождения нашей земной жизни. Процентное содержание хрома, никеля и молибдена составляет на Земле 0,2; 3,16 и 0,02 процента соответственно.
И хотя первые два элемента не играют в биохимии практически никакой роли, молибден принимает участие во многих ферментативных реакциях.
Если бы удалось показать, что элементы, представленные в земных организмах, коррелируют с содержанием элементов в так называемых "молибденовых" звездах, это послужило бы серьезным доказательством в пользу выдвигаемой гипотезы. Однако этот аргумент не выдерживает критики в силу того, что нужно рассматривать не процентное содержание элементов в массе Земли в целом, а степень их концентрирования в живых системах по сравнению с их концентрациями в земной коре или морской воде. Тогда оказывается, что молибден не занимает никакого особенного положения по сравнению, например, с фосфором.