загрузка...

Асимметрия и возникновение жизни

  • 16.06.2010 / Просмотров: 6839
    //Тэги: генетика   Гордон   эволюция  

    Есть ли у живой материи особое реликтовое свойство, оставшееся в наследство от предбиологической эволюции? Свойство, которое могло бы играть такую же роль в построении картины возникновения жизни, какую играет "реликтовое излучение" при отборе моделей эволюции Вселенной? Ученые полагают, что таким свойством может быть хиральная чистота биоорганического материала. О феномене нарушенной зеркальной симметрии биоорганического мира сегодня после полуночи в цикле "Возникновение жизни" доктор физико-математических наук Владик Аветисов и доктор химических наук Рэм Костяновский.

загрузка...







загрузка...

Для хранения и проигрывания видео используется сторонний видеохостинг, в основном rutube.ru. Поэтому администрация сайта не может контролировать скорость его работы и рекламу в видео. Если у вас тормозит онлайн-видео, нажмите паузу, дождитесь, пока серая полоска загрузки содержимого уедет на некоторое расстояние вправо, после чего нажмите "старт". У вас начнётся проигрывание уже скачанного куска видео. Подробнее

Если вам пишется, что видео заблокировано, кликните по ролику - вы попадёте на сайт видеохостинга, где сможете посмотреть этот же ролик. Если вам пишется что ролик удалён, напишите нам в комментариях об этом.


Расшифровка передачи


Александр Гордон. Доброй ночи! Опять и опять об
одной из самых интригующих, волнующих и неразре-
шимых тем пока – происхождении жизни, но на сей раз-
то с другой немножко точки зрения, чем это было пре-
жде в наших передачах. Сегодня мы поговорим о том,
что такое симметрия в живом и неживом, и почему её
нарушение может привести к тому, что мы называем
«феноменом жизни»? Правильно я всё сказал?
Владик Аветисов. Да, конечно.
Александр Гордон. Итак, пожалуйста, кто начнёт?
Рэм Костяновский. Начнём с общеизвестной тали-
домидной трагедии, потому что финал этой страшной
истории, видимо, мало кому известен.
С 1957 года по 1962 год во многих странах Западной
Европы, Канады, Бразилии, Японии и Австралии роди-
лись десятки тысяч детей с пороками развития кост-
ных тканей, вплоть до полного их отсутствия. Тщатель-
ное расследование причин привело к препарату одной
немецкой фирмы, который широко распространился в
мире и использовался беременными женщинами как
успокоительное и мягкое снотворное. Но лишь 17 лет
спустя удалось показать, что дело было в действую-
щем начале этого препарата: имиде талоилглютами-
новой кислоты, в хиральном соединении, которое бы-
ло разделено на энантиамеры, на зеркальные антипо-
ды. Испытание этих антиподов показало, что только
левый антипод вызывает эти страшные уродства, то-
гда как правый является совершенно безопасным ле-
карственным средством. Многие органические соеди-
нения, хиральные органические соединения подобно-
го типа, энантиамеры этих соединений, скажем, души-
стые вещества, обладают совершенно различным за-
пахом и разным вкусом. Это заметил ещё Пастер, ко-
гда на заседании французской Академии наук, обсу-
ждая открытие левого и правого аспарагина, высказал
идею о том, что это различие восприятия обусловлено
диссимметрией живых тканей – рецепторов, с нынеш-
них позиций. В исследованиях хиральных соединений,
которые характеризуются несовместимостью со своим
зеркальным отражением (это и есть зеркальные изо-
меры) выяснилось постепенно, что живая природа по-
строена именно на основе этого строительного мате-
риала. То есть только одна зеркальная форма исполь-
зуется ею как строительный материал.
Владик Аветисов. Да, это действительно одна из самых захваты-
вающих проблем. Зеркальная симметрия, это, конеч-
но, только один из типов симметрии, симметрий может
быть много. Но факт нарушения зеркальной симме-
трии, пожалуй, интересовал человека всегда гораздо
больше, чем факт нарушения какой-либо другой сим-
метрии.
Давайте всё-таки обратимся к тому, в чём состоит
феномен нарушенной зеркальной симметрии биоорга-
нического мира. Что мы об этом знаем сейчас, спустя
150 лет после Пастера? Мы знаем, что очень многие
органические соединения, из которых построено жи-
вое, на самом деле являются соединениями хираль-
ными, то есть соединениями, которые могут существо-
вать в виде двух зеркально антиподных форм. Слово
«хиральность» от греческого слова «хеир» – «рука»,
«ручность», как две руки, левая и правая. Но ведь от-
разить в зеркале можно всё, что угодно. Особенность
тут состоит в том, что отражённый предмет невозмож-
но совместить с исходным. Вот если вы не можете от-
ражённый в зеркале предмет совместить с исходным,
вот такой объект называется хиральным. Если можете,
то он ахиральный.
Александр Гордон. А что значит «совместить» в данном случае?
Владик Аветисов. Это означает, как сказал лорд Кельвин, опреде-
ляя хиральность, совместить путём непрерывного пе-
ремещения в пространстве.
Рэм Костяновский. До полного слияния.
Владик Аветисов. Да, совершить полное слияние. Итак, мы зна-
ем, что многие биоорганические соединения хираль-
ны. Это первое. Второе. Мы видим и знаем, что из двух
возможных зеркальных антиподов этих хиральных со-
единений в живой природе, в структуре клеток исполь-
зуется только один. И пример с талидомидом как раз
говорит о том, насколько опасно использовать другой.
Что мы ещё знаем? Мы знаем, что на самом деле у
нас нет единообразия в зеркальных изомерах каких-то
веществ – в целом. Например, если мы возьмём ка-
кое-либо соединение в клетке одного организма, то в
клетке другого организма, микроба, например, это со-
единение может быть в другой форме. Но оно обяза-
тельно будет в определённой форме. Но что мы знаем,
так это то, что все аминокислоты, которые входят в со-
став функциональных белков, это только левые ами-
нокислоты. Таким образом, белок – это есть полимер-
ная такая цепочка, сделанная только и только из ле-
вых аминокислот. По крайней мере, мы не обнаружили
ни одного функционального белка, в котором была бы
хотя бы одна правая аминокислота.
Полипептиды с правыми аминокислотами есть, на-
пример, нейропептиды и так далее, но это не функци-
ональные белки. То есть организмы используют проти-
воположную аминокислоту для строения, для разных
функций. Но белки собраны только из левых аминоки-
слот. Поразительным является ещё тот факт, что РНК
и ДНК собраны только из правых сахаров. При этом
надо заметить, что левые аминокислоты и правые са-
хара – это не есть зеркальные антиподы. Так просто
сложилось, что одни стали называть левыми, а другие
стали называть правыми, вот, собственно, и всё.
Таким образом, получается, что, во-первых, у нас
эти цепочки самых важных молекул в жизни – белков
и аминокислот – собраны только из кирпичиков одно-
го типа хиральности. Это называется свойством гомо-
хиральности, гомохиральные полимеры. И, во-вторых,
мы нигде не встречали каких-либо признаков жизни
с противоположным строением. То есть, мы нигде не
встречали белки, пусть гомохиральные, но собранные
из правых аминокислот. Или РНК, или ДНК, тоже пусть
гомохиральные, но собранные из левых сахаров.
Почему это должно поражать наше воображение?
Потому что есть всё-таки какие-то фундаментальные
законы и фундаментальные представления, которыми
мы пользуемся в обычной жизни. А эти представления
говорят буквально о следующем. Что ответственным
за все химические превращения является электромаг-
нитное взаимодействие. А электромагнитное взаимо-
действие сохраняет зеркальную симметрию. Именно
поэтому зеркальные антиподы – левая и правая моле-
кула – в химических реакциях проявляет себя одинако-
во. Спрашивается, каким же образом в мире, который
управляется симметричными силами или симметрич-
ными взаимодействиями, могло возникнуть полное на-
рушение симметрии? Вот это и есть та загадка, над ко-
торой бьётся уже, по крайней мере, 150 лет множество
учёных.
Конечно, для того чтобы поговорить об этом, о том,
каковы взгляды на эту проблему, мы должны перейти
(если мы говорим об эволюционном аспекте этой про-
блемы) к некоему эволюционному сценарию. На са-
мом деле, сейчас не так важно для нас, каков конкрет-
ный сценарий. Мы понимаем, что как бы мы ни рассма-
тривали эволюцию Вселенной или эволюцию на Зе-
мле, у нас, безусловно, возникает некий химический
мир. А раз возникает химический мир, то он должен
быть симметричным. Предположим, что у нас есть не-
кий этап, на котором возник симметричный химический
мир. Пусть далее в результате каких-то причин этот
симметричный мир оказался асимметричным, то есть
произошло нарушение симметрии. И возник какой-то
асимметричный, но тоже химический мир. И пусть да-
лее в этом уже асимметричном химическом мире ка-
ким-то образом (каким, пока мы не знаем) возникли
сложные структуры, похожие на белки РНК и ДНК, и
зародилась жизнь. Тогда, если мы представляем себе
такую логику развития событий, мы должны задать, по
крайней мере, два вопроса. Вопрос первый: а возмож-
но ли нарушение зеркальной симметрии в ходе есте-
ственных природных процессов? И вопрос второй: а
возможна ли сборка сложных структур, пусть даже в
асимметричном хиральном мире? Вот об этих двух во-
просах – с точки зрения хиральной упорядоченности и
хиральной специфики живого материала – мы и пого-
ворим.
Первый вопрос, понятно, это вопрос о химии. И по-
этому, я думаю, здесь никто лучше Рэма Костяновского
этот вопрос не прокомментирует. Какова история раз-
вития этого вопроса?
Рэм Костяновский. Он восходит к Пастеру. Луи Пастер, будучи мо-
лодым учёным, 25 лет от роду, сделал фундаменталь-
ное открытие, о котором я сейчас расскажу. Но, прежде
всего, надо взглянуть на то состояние духа во Фран-
ции, в котором он воспитывался, жил и учился.
На знамёнах французской науки в то время были на-
писаны яркие слова. Первое, что кристаллография –
это наука всех наук. И интенсивно развивались идеи
геометризма. То есть, что по форме кристалла можно
определить форму молекул, входящих в него. Эти две
идеи были впитаны им и, естественно, привели к тем
открытиям, которые он сделал. Он интенсивно изучал
форму оптически активных кристаллов, энантиамерно
чистых веществ и рацематов, то есть эквивалентной
смеси энантиамеров или антиподов, изучал свойства
этих кристаллов.
Одним из объектов была винная кислота – продукт,
образующийся при сбраживании виноградного сока.
Соль именно этой кислоты выпадает в чанах и боч-
ках в процессе виноделия и носит название «тартар».
«Тартарик эйсид», то есть «винная кислота» происхо-
дит именно от этого слова.
Владик Аветисов. То есть решалась совершенно банальная про-
блема виноделия – как сделать бочки чистыми.
Рэм Костяновский. Великий шведский химик Шееле установил стро-
ение этого соединения – это хиральное соединение.
Тогда имели лишь одну оптически активную форму. И
случай способствовал тому, что на одной из маленьких
винодельческих фабрик рабочий перегрел этот оса-
док и получил совершенно новое вещество, по соста-
ву тождественное той самой тартарной кислоте, но не
обладающее характерной для неё оптической актив-
ностью. То есть это был уже рацемат («рацемус» – «ви-
ноград», отсюда «виноградная кислота»), эта рацеми-
ческая винная кислота состоит из равного количества
левых и правых молекул.
И уже прямо перед Пастером немецкий кристалло-
граф Митчерлих сообщил о сенсационном открытии, о
том, что он обнаружил абсолютное сходство кристал-
лов рацемической винной кислоты и оптически актив-
ной, природной. И их одинаковую плотность. Это сразу
было обсуждено на заседании французской Академии
наук, и Пастер буквально зажёгся целью выяснить, в
чём тут дело. Он исследовал снова эти кристаллы. И
ему удалось обнаружить скошенную грань на кристал-
лах рацемической соли, натрий-аммониевой соли. И
это зеркально противоположная скошенная грань на-
блюдалась и на других кристаллах.
И вот тут его осенила догадка – это смесь оптически
активных кристаллов той самой природной винной ки-
слоты и её антипода, и их надо было просто разделить.
И вот он разделил кристаллы с левым и правым ско-
сом и получил, что знак оптической активности одних
кристаллов – левый, других – правый. Вот так состоя-
лось это открытие. Что оно означает?
Оно означает принципиальную возможность спон-
танного нарушения симметрии. То есть на уровне мо-
нокристаллов это возможно. Вот что доказал Пастер.
В том же самом 1848 году он демонстрировал этот
эксперимент своему учителю Био, который тщатель-
но своими руками проверял оптическую активность,
форму кристаллов, чтобы убедиться в том, что это не
ошибка. И доложил об этом успехе на заседании фран-
цузской Академии наук, которая в то время тщательно
следила за всё новыми находками.
Удивительно, что в том же самом году, в той же са-
мой Франции, в Париже, математик Браве, который ни-
чего не знал об экспериментах Пастера, путём чисто-
го математического расчёта обнаружил строгое коли-
чество возможных кристаллических решёток. Решётки
Браве существуют до сих пор в кристаллографии.
И завершил теорию кристаллографии наш русский
учёный Фёдоров. В 1890-м году он открыл, что суще-
ствует 230 и только 230 способов идеального заполне-
ния пространства.
Владик Аветисов. Здесь имеется в виду плотная упаковка – «иде-
альное заполнение пространства».
Рэм Костяновский. Он вывел это чисто теоретически. Что есть толь-
ко 230, как он называл, способов создания простран-
ства. И среди этих 230 групп – 65 хиральных.
Владик Аветисов. А что значит «хиральные группы»? Это не впол-
не понятно.
Рэм Костяновский. То есть этот кристалл строится только из моле-
кул одной хиральности.
Владик Аветисов. То есть сам кристалл обладает свойством зер-
кальной диссимметрии, существует две формы кри-
сталла, несовместимые одна с другой, левая форма
и правая. По-видимому, это то, что наблюдал Пастер
в своём эксперименте, когда он разделил на левое и
правое.
Рэм Костяновский. То есть независимо, чисто теоретически, мате-
матика пришла к неизбежности такого фундаменталь-
ного явления. Таким образом завершилось абсолют-
ное доказательство возможности спонтанного наруше-
ния симметрии – предопределённое, просто предопре-
делённое. Таким образом, возникновение жизни уже
предопределено.
Александр Гордон. Но всё-таки хотелось бы понять, каковы должны
быть условия для этого спонтанного разделения.
Рэм Костяновский. Вещество должно кристаллизоваться в одной
из этих 65-ти хиральных пространственных групп. По-
началу считалось, что случай, который наблюдал Па-
стер – это исключительный случай, редкий случай. Но
к 1994 году список таких соединений насчитывал уже
250. И в нашей лаборатории только за 5 лет было от-
крыто ещё 50 таких соединений.
Владик Аветисов. Взрывное развитие.
Рэм Костяновский. Я вижу в массе работ, которые публикуют, почти
в каждом журнале, новое соединение, которое может
подвергаться спонтанному разделению. То есть обра-
зовывать так называемый конгломерат, смесь гомохи-
ральных кристаллов.
Владик Аветисов. Вот что самое главное. Не нарушается симме-
трия спонтанно. То есть на самом деле происходит, ко-
нечно, распад симметричной смеси в результате кри-
сталлизации на кристаллы левые и правые. Но это
по-прежнему симметричная смесь кристаллов, то есть
они присутствуют в равном количестве. Поэтому кри-
сталлизация сама по себе (то есть спонтанное наруше-
ние симметрии в целом, в больших объёмах) не приво-
дит к нарушению симметрии. Да, происходит разделе-
ние фаз, но к нарушению симметрии это не приводит.
Локально, если вы возьмёте маленький объемчик кри-
сталла, конечно, в нём происходит некое, как вы може-
те сказать, нарушение симметрии. Но реально по мно-
жеству кристаллов симметрия у вас сохраняется.
Так что здесь электромагнитное взаимодействие
продолжает оставаться симметричным. И нет никако-
го нарушения. Но вот есть же эксперименты, где выра-
щивается один кристалл?
Рэм Костяновский. Владик, извините. Но вот ровно к 150-летию
открытия Пастера я посмотрел на соль Пастера и
пришёл к очень простому следствию. Сама винная ки-
слота кристаллизуется как рацемат, то есть в кристалл
входит левая и правая молекула. Её натриевая соль –
то же самое, аммониевая соль – то же самое. Но на-
трий-аммониевая соль, которая кристаллизуется в ви-
де тетрагидрата, образует конгломерат, то есть гомо-
хиральный кристалл.
Я просто назвал эти натрий-аммоний ионы и четыре
молекулы воды конгломераторами. То есть они опре-
деляют способность кристаллизоваться в виде конгло-
мерата. И это был алгоритм. Отсюда сразу следовало:
если я возьму недостаток конгломератора, то это не бу-
дет приводить (после того как первый кристалл обра-
зовался) к перенасыщению маточного раствора по вто-
рому энантиомеру. И я действительно получаю весь
оптически активный осадок таким простым способом.
Владик Аветисов. Это так, как сделал Хавинга?
Рэм Костяновский. Стоп. Хавинга сделал ещё похлеще. Это то-
же следствие открытия Пастера. Если соединение
кристаллизуется в виде гомохирального кристалла, а
образование полностью рацемического осадка, о кото-
ром вы говорили, связано с перенасыщением по вто-
рому энантиомеру. Он говорит: а если я найду способ
рацемизации соединения в растворе…
Владик Аветисов. То есть превращение левого в правого.
Рэм Костяновский. Чтобы не было перенасыщения по противопо-
ложному энантиомеру, я могу осуществить полный пе-
реход рацемата в один энантиамер…
Владик Аветисов. То есть вырастить один кристалл.
Рэм Костяновский. И он это сделал. В 39 году написаны его первые
работы – в редком голландском журнале, на голланд-
ском языке, и были поэтому недоступны. Потом нача-
лась Вторая мировая война, она перебила все его экс-
перименты. В 54 году только он издал их на английском
языке.
Владик Аветисов. То есть удивительно вот что. Вообще получает-
ся так, что если, скажем, выпадение левых и правых
кристаллов – это локальное нарушение симметрии, но
симметрия при этом в целом остаётся, потому что у нас
равное количество левых и правых изомеров, то, ни-
чего не делая специально и не выходя за пределы хи-
мии, я могу сделать так, что у меня в колбе или в ка-
ком-то объёме вырастет полностью только один кри-
сталл. А как же так? А как же электромагнитное взаи-
модействие? А как же симметрия?
Александр Гордон. Куда денется та его часть, которой нет?
Владик Аветисов. Да, её же уже нет. Мы же уже превратили весь
объём. А как же с электромагнитным взаимодействи-
ем?
Рэм Костяновский. Дело в том, что, повторяя эксперимент, я с такой
же вероятностью получу противоположный результат.
Владик Аветисов. Вот. Если теперь я буду повторять эксперимент,
то с точно такой же вероятностью у меня будет выра-
стать либо большой правый кристалл, либо левый кри-
сталл. И так далее. Так что симметрия по-прежнему со-
храняется.
Рэм Костяновский. И эти эксперименты неоднократно проводились.
Проводились на нескольких тысячах измерениях опти-
ческой активности нескольких тысяч кристаллов. И по-
лучалось примерно равновероятно. Но, если это про-
вести на миллиарде измерений, может быть, мы най-
дём статистически достоверную разницу. Но длитель-
ность такого эксперимента, пусть даже только минута
тратится на измерение, это несколько веков, это слиш-
ком длинный эксперимент.
Александр Гордон. Давайте считать, что мы ответили на первый во-
прос, и будем двигаться дальше. То есть, возможны в
определённом объёме спонтанные образования гомо-
хиральных соединений.
Владик Аветисов. Да, я хотел бы только здесь отметить ещё
один цикл работ, который обозначил эту же пробле-
му о спонтанном нарушении симметрии немножко по-
другому. Об этом нужно сказать обязательно. Потому
что кристаллизация – это всё-таки некоторый специ-
альный процесс. Представить себе, что кристаллиза-
ция явилась, в действительности, тем самым процес-
сом, который решил проблему нарушения симметрии
на ранних стадиях предбиологической эволюции – это
представляется несколько легкомысленным.
Александр Гордон. То есть это просто модель…
Владик Аветисов. Это модель процесса. А каков процесс? А про-
цесс на самом деле связан с нелинейными химически-
ми процессами. То есть теперь уже речь может идти
об огромных ареалах (геохимических, например) раз-
ного масштаба, в которых естественным образом мо-
жет возникать и эволюционировать глобальная хими-
ческая среда. И различные процессы, протекающие
в таких масштабах, процессы превращения, образо-
вания хиральных органических соединений, они могут
подчиняться таким уравнениям, которые приводят к
неустойчивости рацемического или симметричного со-
стояния. И тогда симметрия нарушается уже во всём
этом ареале глобально, именно так, как это происхо-
дило в эксперименте Хавинга, не в смысле кристалли-
зации, а в смысле некоего образа кристалла.
Здесь, конечно, нужно обязательно сказать о том,
что эти работы были сделаны нашими учёными – Лео-
нидом Морозовым и Владимиром Кузьминым. И очень
долгое время эти работы опекал и вёл Виталий Иоси-
фович Гольданский. Это целая эпоха в этом направле-
нии, которая занимала время примерно с середины 70-
х годов и практически до 90-х годов.
И вот теперь я хотел бы вернуться к нашей схеме,
к нашей эволюционной модели. Кажется вполне есте-
ственным, что с первым вопросом мы как-то разобра-
лись. Мы теперь можем считать, что этого вопроса, во-
обще говоря, нет. Мы представим на суд множество
разных экспериментов, подтверждающих то, как сим-
метрия может нарушаться в маленьких или в больших
ареалах.
И теперь второй вопрос. Можем ли мы теперь от
асимметричной среды перейти к достаточно сложным
структурам? Для того чтобы теперь попробовать отве-
тить на второй вопрос, а именно: можем ли мы создать
гомохиральные последовательности, гомохиральные
полимерные цепи, уже имея среду с нарушенной сим-
метрией? Для этого, конечно, нужно каким-то образом
предложить простые критерии перехода. Мы же что-то
должны сохранить в этом переходе. Мы должны в этом
переходе следовать какому-то признаку. Ну, например,
признаку репликации. Давайте попробуем понять, мо-
жем ли мы каким-то образом эволюционировать от
асимметричной среды к сложным структурам, во-пер-
вых, создав такие системы, которые могли бы репли-
цироваться. А во-вторых, создав условия для эволю-
ции таких систем.
Рэм Костяновский. Вадик, извините. Такие системы созданы уже.
Простейшие молекулярные системы, способные к са-
морепликации уже есть, это работы…
Владик Аветисов. Типичный взгляд химика – «проблем нет, химия
всё может». Это работы Ребека?
Рэм Костяновский. Да, работы Джулиуса Ребека.
Владик Аветисов. Да я прекрасно знаю об этих работах. Это во-
обще остроумнейшая вещь. Ребек, как бы комменти-
руя дискуссию о том, что репликация – это свойство ис-
ключительно биологических систем… Ну, это вообще
блестящий химик, разумеется. Химия сейчас – это во-
обще архитектура молекулярного уровня. Он постро-
ил систему, которая действует как «инь» и «янь». Она
вообще выглядит как «инь» и «янь», как этот знаме-
нитый знак – две запятые, вложенные одна в другую.
И он сделал две такие молекулы, причём «янь» соби-
ралась на «инь», а уже потом они распадались, и на
каждой из этих двух половинок собиралась соответ-
ствующая комплементарная половинка. Обратите вни-
мание, здесь он использовал один принцип, который
взял из биологии – принцип комплементарного соот-
ветствия, как это происходит, например, в двойной спи-
рали ДНК.
Рэм Костяновский. Кстати, использовал аналоги. Вот он, этот ана-
лог нуклеотида.
Владик Аветисов. И более того, нужно сказать, что у него-то во-
обще процесс репликации шёл только тогда, когда все
нужные компоненты способны собираться таким инь-
яновским способом – все компоненты были хирально
чистые, в среде не было никакой грязи. А среда была
оптически активной.
Но что он показал? Он показал, что молекулярные
структуры могут быть достаточно простыми, и, тем
не менее, они могут обладать свойством репликации.
Миф о том, что репликация есть свойство исключи-
тельно биологии, был немедленно разрушен.
Рэм Костяновский. Но их же можно сколь угодно долго усложнять.
Владик Аветисов. Конечно. Сколь угодно много, и сколь угодно
сильно. Ну что, мы решили проблему возникновения
жизни? Давайте всё-таки посмотрим на это аккуратнее.
Следующий шаг (на самом деле, всё это примерно
совпадало по времени) был сделан Оргелом и Джей-
сом – американскими учёными, которые, вообще го-
воря, сделали довольно хитрую и тонкую вещь. Они
в точности использовали принцип копирования двой-
ных спиралей РНК, комплементарного спаривания, но
показали, что этот процесс сборки репличной нити на
подложке типа РНК или ДНК может идти без фермен-
тов, что было чрезвычайно важно. Потому что, конеч-
но, когда у вас есть и ферменты (то есть белки), когда
есть у вас РНК и ДНК, и всё это ещё собрано в клет-
ки, и всё это функционирует, тогда, конечно, это будет
реплицироваться, мы и так это знаем. А всё дело вот
в чём: а как же сделать такие системы, где нет фер-
ментов, где нет белков, но, тем не менее, могут возник-
нуть сложные структуры? Вот в чём проблема. И Ор-
гел и Джейс показали, что на такой гребёнке за счёт
комплементарного спаривания образуется вторая нит-
ка. Прекрасно. Но опять у них выходило одно жёсткое
условие: то, из чего они должны были собирать, то есть
среда, в которой плавали все нужные компоненты для
сборки этой второй нити, она должна была быть опти-
чески чистой, она должна быть абсолютно хирально
чистой. Любое появление грязи, то есть энантиамерно-
го антипода противоположного знака немедленно бло-
кировало самосборку такой цепи. Казалось бы, тупик.
Но спустя некоторое время, буквально спустя годы,
Эшенмоузер – швейцарский химик – сделал ещё одну
очень интересную работу, в которой показал, что, ис-
пользуя комплементарность, «степ бай степ», то есть
путём такого спаривания – «это сюда, а это сюда, а
это сюда», и так далее, – можно собирать достаточно
длинные цепочки. И это уже было сенсацией. Мало то-
го, он показал, что сборка идёт столь селективно, что,
вообще говоря, и не требуется условие сильного нару-
шения асимметрии. Достаточно, чтобы были нужные
элементы…
Рэм Костяновский. И небольшое обогащение.
Владик Аветисов. Да, маленькое обогащение, вполне способное
проявиться за счёт каких-то естественных процессов.
Рэм Костяновский. И о которых как раз вы говорили, что их не хва-
тает.
Владик Аветисов. Да. Хорошо. Так что же получается? Всё, опять
проблема решена? Теперь мы выстраиваем таким
образом достаточно длинные цепочки, они складыва-
ются в такие специальные структуры, РНК или ДНК
(остановимся, например, на концепции эволюции РНК-
мира) – и всё. Дальше мы попадаем в область эволю-
ции совершенно других структур и других правил. Мы
проскочили барьер от неживой химии к живой.
Но нет. И тут возникает проблема. А какая пробле-
ма? А проблема возникает вот какая. Эшенмоузер со-
брал примерно 18 звеньев и сказал, что «я могу соби-
рать так сколь угодно много». На самом деле нет. Ока-
залось, по теоретическим оценкам, что критической
является длина порядка 30 единиц.
Александр Гордон. Что недостаточно.
Владик Аветисов. Явно недостаточно. Из этих 30 единиц мы ни-
какие специфические – в функциональном смысле –
структуры не создадим. А почему критическим оказы-
вается длина порядка 30 единиц? По одной простой
причине. По той причине, которая называется «ката-
строфой ошибок». И вот эта катастрофа ошибок связа-
на со сложностью структур. Мы уже как-то говорили и
о парадоксе Левинталя, и о катастрофе ошибок. А всё
дело тут вот в чём.
Ведь что такое построить гомохиральную цепочку?
Это построить определённую последовательность, на-
пример, только из левых молекул. Из очень большо-
го числа всевозможных последовательностей левых и
правых молекул, которые можно представить. Оказы-
вается, когда это число становится слишком большим,
у вас есть два варианта. Вы должны либо очень точно
собирать, либо отказаться от сборки.
Чтобы точно собирать, нужно иметь очень специаль-
ные процессы, которые могут обеспечить только та-
кие специфические структуры, как белки, то есть такие
процессы, какие мы наблюдаем в биологии. Но если у
вас их нет, то тогда у вас только один способ: вы долж-
ны держать настолько чистой среду, чтобы в этой сре-
де у вас были только, скажем, левые изомеры, из ко-
торых вы строите. А правых было бы исчезающе мало,
настолько мало, чтобы вероятность появления непра-
вильного звена была бы очень маленькой. То есть вы
специфичность функций заменяете специфичным со-
стоянием среды.
Александр Гордон. От чего – не легче.
Владик Аветисов. От чего, конечно, не легче, но, может быть, всё-
таки можно сделать это в химии? Посмотрим на все
процессы спонтанного нарушения симметрии на уров-
не химии, то есть зададимся таким вопросом: а мо-
жем ли мы такую среду создать на уровне химической
эволюции или на каких-то чуть более поздних стади-
ях эволюции? И выясняется, что нет. Даже механизм
спонтанного нарушения симметрии (который приводит
к асимметрическому состоянию) требует столь специ-
фичного распознавания левых и правых молекул для
создания очень сильной асимметрии, которое возмож-
но только на биологическом уровне.
И вот тут появляется замкнутый круг. С одной сторо-
ны, получается, что требование, чтобы у нас возникло
нарушение зеркальной симметрии на стадии предбио-
логии, не помогает нам перейти к строительству слож-
ных структур – мы не можем построить гомохиральные
структуры, потому что мы не можем создать такую чи-
стую среду, в которой такие сложные структуры могли
бы строиться.
С другой стороны, если, тем не менее, мы найдём
какой-то способ, как пройти катастрофу ошибок, как
перейти этот барьер, то тогда, как показывают теоре-
тические оценки, нам не важно, в какой среде мы стар-
туем: в симметричной или в асимметричной. В этом
смысле сценарий асимметричной среды для возник-
новения гомохиральных полимеров вовсе и не нужен.
Основная проблема в вопросе возникновения гомо-
хиральных последовательностей, это проблема ката-
строфы ошибок. И она вообще является проблемой,
общей для всей эволюционной концепции, – как прой-
ти катастрофу ошибок.
Но тут, конечно, ещё есть вопрос о том, каков выбор
знака. Мы же знаем всё-таки, что мы состоим из левых
аминокислот и правых сахаров. Но мы не знаем, как
это получилось. Потому что, чтобы ответить на этот во-
прос, нам надо построить теорию предбиологической
эволюции. Мы не можем построить эту теорию, потому
что мы пока не знаем, как решить проблему катастро-
фы ошибок.
Рэм Костяновский. Владик, извините, всё-таки жизнь-то произошла.
Владик Аветисов. Ну, это да.
Рэм Костяновский. Мы ещё не оговорили массу возможных усили-
тельных элементов – и в повышении хиральной чисто-
ты, и возможности появления простых асимметриче-
ских катализаторов, которые бы повышали оптическую
чистоту среды в узком регионе. Но давайте всё-таки
немножко пофантазируем.
Человеческая фантазия, которая проникла, каза-
лось бы, повсюду, остановилась вдруг перед дверью
хиральности. Я долго искал в искусстве, в живописи, в
скульптуре какие-то элементы хиральности. И нашёл
только два примера. Это картина Тишбайна в галерее
во Франкфурте-на-Майне, где Гёте нарисован в двух
левых ботинках, картина второй половины XVIII века.
И 3260 лет назад построенная в Долине Цариц гроб-
ница царственной жены Рамсеса II Нифертари, у кото-
рой, как вы видите, две левые руки.
Владик Аветисов. Обратите внимание: у одной – левая и правая
рука, а у другой – только левые.
Рэм Костяновский. У богини Изиды левая и правая руки, а у Нифер-
тари – только левые. Что это, что это такое? Давай всё-
таки пофантазируем. Что могло определить…
Владик Аветисов. Есть захватывающая история, которая разви-
валась, по крайней мере, в последние 50 лет в науке
в связи с выбором и не случайностью выбора именно
левых аминокислот и правых сахаров. Я могу вкратце
рассказать об этой истории. Вкратце.
Александр Гордон. А я сейчас подумал, что, вообще, любой орна-
мент – это гомохиральное соединение.
Владик Аветисов. То есть повторять и повторять, это как кристалл.
Александр Гордон. Да, да, да. Мало того, часто используется приём
как раз разделения гомохиральности – на левую и на
правую.
Владик Аветисов. У Эшера этот приём используется очень актив-
но.
Александр Гордон. Да в любом орнаменте, по сути.
Владик Аветисов. И в любом орнаменте тоже.
Александр Гордон. Интересно. Да, продолжайте, извините.
Рэм Костяновский. Ещё мы должны призвать молодых, в возрасте
Пастера, заняться этими захватывающими вопросами,
которых очень много, чтобы всё-таки решить проблему
возникновения жизни.
Владик Аветисов. Конечно, проблема возникновения жизни явля-
ется фундаментальной проблемой. И мне представля-
ется, что она является фундаментальной не столько
потому, что есть вызов образованной части человече-
ства, а потому что она постоянно генерирует такие во-
просы, которые очень часто приводят науку в замеша-
тельство. Именно науку. И наука ищет ответы, внима-
тельно и пристально изучая тот базис, на котором она
стоит. Вот это чрезвычайно важно и чрезвычайно ин-
тересно.
Рэм Костяновский. И полезно. Способ разделения, спонтанного
разделения – это способ получения хиральных ле-
карств. Это важно, вся мировая фармация перешла на
хирально чистые лекарства. Это было инициировано
именно той трагедией, с которой я начал.
Александр Гордон. Так какова история?
Владик Аветисов. История такова. В 56-м, по-моему, году Мил-
лер и Юри показывают, что органические соединения
могут синтезироваться естественным образом. Вооб-
ще, с биологией связано очень много мифов. Обрати-
те внимание, 56-й год, это всего 50 лет назад. Доказы-
валось, что органи/bческие соединения могут быть син-
тезированы естественным образом, что они не явля-
ются исключительно продуктами жизнедеятельности.
Доказали. Как теперь с асимметрией быть? Происхо-
дит открытие: несохранение чётности в бета-распа-
де. Слабое взаимодействие. Слабое взаимодействие
является одним из четырех фундаментальных взаимо-
действий. Это 4 слона, на котором покоится наша Все-
ленная.
Рэм Костяновский. Но это слишком слабо.
Владик Аветисов. Тем не менее. Из всех четырех взаимодействий
только слабое взаимодействие…
Рэм Костяновский. 10 в минус 17-й степени!
Владик Аветисов. Тем не менее.
Рэм Костяновский. Ну что это такое?!
Владик Аветисов. Тем не менее, только слабое взаимодействие
обладает нарушенной зеркальной симметрией. Ну, не-
возможно, чтобы не появилась гипотеза, которая бы
попыталась связать нарушенную зеркальную симме-
трию слабого взаимодействия с асимметрией живой
природы. Катастрофа – там очень слабое взаимодей-
ствие. Немедленно встал вопрос: может ли слабое
взаимодействие проявить себя на химическом уров-
не? Оценки показали, что для того чтобы слабое вза-
имодействие проявило себя на химическом уровне,
нужно усилить, условно говоря, величину 10 в минус
17-й степени (это единица, делённая на единицу с 17-
ти нулями) нужно увеличить до единицы. Как это сде-
лать?
Рэм Костяновский. И как измерить?
Владик Аветисов. Как измерить? Кстати, первые оценки были сде-
ланы Летоховым. Потом оценки сделал Зельдович. Да-
же Зельдович занимался проблемой возникновения
зеркальной асимметрии.
Рэм Костяновский. Кстати, ещё Пастер ведь писал о «диссимметри-
зующих силах», прямо имея в виду Вселенную.
Владик Аветисов. Имея в виду, что есть космические силы, кото-
рые, так сказать, диссимметризуют живую природу.
Рэм Костяновский. Ну, так что может быть усилителем слабого вза-
имодействия?
Владик Аветисов. Идёт дискуссия: что может быть усилителем?
Ульбрихт предлагает уже в 56-м году простой экспе-
римент: поляризованный электрон разменивается на
циркулярно поляризованное тормозное излучение, а
раз оно циркулярно поляризованное, то оно уже будет
по-разному взаимодействовать с левыми и правыми
молекулами. Это то же самое, как если бы вы левую
перчатку, скажем, попытаетесь надеть на две руки: на
правую и левую. А она по-разному будет надеваться.
Поставлен был один эксперимент – нулевой резуль-
тат. Второй эксперимент – нулевой результат. Третий
– нулевой результат. Серия экспериментов – нулевые
результаты. В некоторых случаях было заявлено, что
наблюдали эффект. Перепроверили – не наблюдается
эффекта.
Проявляется или не проявляется? Сложилось, ко-
нечно, огромное поле самых различных спекуляций –
теоретических, в хорошем смысле спекуляций. То есть
оценок, догадок и так далее.
В конце концов, остановились на том, что если у
вас действительно имеется процесс типа спонтанного
нарушения симметрии (это может быть не только кри-
сталлизация, а могут быть нелинейные реакции с кри-
тическим поведением, с неустойчивостью симметрич-
ного состояния), то тогда вблизи критических условий,
то есть там, где зарождается нарушение симметрии,
вот в этот момент зарождения нарушения симметрии
(то есть потери устойчивости симметричного состоя-
ния) оказывается, что слабое взаимодействие стано-
вится очень сильным. Само-то оно не становится силь-
ным…
Александр Гордон. Понятно, поскольку система выходит из равно-
весия, достаточно чуть-чуть толкнуть, чтобы…
Владик Аветисов. То есть, это своеобразный фазовый переход в
критической точке. Оценки должны были показать – а
какая всё-таки нужна система, чтобы это прошло? Вы-
яснилось, что система нужна вполне даже геохимиче-
ская. То есть, это море, 10 км на 100 км и глубиной,
предположим, 300 метров. Прекрасно.
Александр Гордон. Вполне отвечает.
Владик Аветисов. Вполне отвечает. Но дальнейший анализ и
жёсткие дискуссии по этому поводу показали, что в
этой критической точке для того, чтобы вы усилили та-
кую слабую асимметрию, вам нужно время, большее
времени существования Вселенной.
Александр Гордон. Продолжение сразу после рекламы… Пожалуй-
ста.
Владик Аветисов. Да, всё-таки, конечно, проблема возникновения
жизни – это невероятно интересная, очень интригую-
щая, очень непонятная проблема.
Рэм Костяновский. И тяжёлая.
Владик Аветисов. Но тяжёлая не по решению, тяжёлая по поста-
новке задачи. Вот в чём всё дело.
Рэм Костяновский. Дело в выборе подходов.
Владик Аветисов. Как говорил академик Владимиров (и Виталий
Иосифович Гольданский, кстати, говорил то же самое):
«Учёные полжизни тратят на постановку задачи. По-
сле того как вы поставили задачу, вы испытываете бла-
женство, купаясь в море чётко сформулированной мы-
сли».
В данном случае, конечно, мне представляется, что
самая захватывающая часть этой задачи связана с ка-
тастрофой ошибок, парадоксом Левинталя, то есть с
тем, что мы называем «переходом к непреодолимой
сложности». Я, Рэм, хочу пофантазировать… Не по-
фантазировать, а, в конце концов, поговорить вот на
какую тему.
Ведь мы же всё прекрасно понимаем, насколько
сильно живое отличается от неживого. А в чём, соб-
ственно, различие? Репликация? Пожалуйста, повто-
рили на маленьких молекулах. Органические соеди-
нения? Пожалуйста, сделали их естественным путём.
В чём, тем не менее, это ощущение совершенно не-
преодолимого конфликта, непреодолимой пропасти?
В сложности? Определите, что такое сложность! В уни-
кальности? «Это не может появиться, потому что это
не может появиться никогда». Да, мы уже близки к это-
му. К тому, что перед нами нечто, что само по себе по-
вторить невозможно. Вот это и есть катастрофа оши-
бок. Это и есть парадокс Левинталя. И мне кажется, это
центральная проблема, которая, если будет атакована
правильным образом и если будет найден способ ре-
шения, тогда только мы сможем сделать хоть какой-то
шаг в направлении создания осмысленной теории эво-
люции. Я думаю, что на решение этих проблем, в хи-
мии – тоже, и в физике – тоже, конечно, нужно потра-
тить большие усилия. Я мечтаю создать центр, где бы
можно было бы собрать людей…
Рэм Костяновский. Вот кристаллограф Гавеззотти в одном из обзо-
ров построил образ идеальной лаборатории такого ти-
па. Она требует, по его расчётам, три миллиона долла-
ров. И потом по миллиону долларов в год.
Владик Аветисов. Да нет.
Рэм Костяновский. Владик, никуда не денешься.
Владик Аветисов. Нет, это как-то совершенно неправильно. Хотя
мы говорим сейчас уже не о науке, а о её организаци-
онной стороне…
Рэм Костяновский. Но ты же поставил задачу уже…
Владик Аветисов. Нет, нет. Наука не требует больших денег, это
неправильно.
Рэм Костяновский. Это разве большие деньги?
Владик Аветисов. Конечно, три миллиона долларов – это боль-
шие деньги.
Рэм Костяновский. Для такой проблемы?
Владик Аветисов. Нет, наука не требует больших денег, идеи не
требуют больших денег. Технологии – да. Мир идёт
по пути развития научных технологий только для того,
чтобы приблизить их непосредственно к рынку, это сто-
ит дорого. Но научные идеи и создание среды, в кото-
рой могли бы генерироваться научные идеи, это стоит
недорого. И не надо пугать людей.
Александр Гордон. Но стоят достойного уровня жизни учёного.
Владик Аветисов. Абсолютно правильно, достойного уровня, но
не жизни, а как вам сказать… Просто должна быть не-
кая среда, в которой ты ощущал бы себя достойно. Вот
собственно и всё. Речь идёт о среде. Ну, ладно, это,
так сказать, детали…


Материалы к программе


Из статьи В. А. Аветисова и В. И. Гольданского «Нарушение зеркальной симметрии и возникновение жизни»
Как это ни парадоксально, впечатляющие достижения молекулярной биологии привели к тому, что представления о факторах, способствующих возникновению жизни, стали еще более расплывчатыми. Конечно, сегодня можно утверждать, что жизнь зарождается в безжизненной органической среде, как только создаются необходимые условия. Это утверждение содержит в себе все, и в то же время ничего, поскольку неизвестно, какие именно условия являются необходимыми.
Какие же известные факты физики и химии могут помочь в поиске таких условий? Есть ли у живой материи некое особое свойство, которое осталось в наследство от самых ранних этапов эволюции, и которое могло бы послужить «точкой опоры» в построении научной картины зарождения жизни также, как «реликтовое излучение» служит в космологии критерием отбора стандартных моделей возникновения и эволюции Вселенной? К счастью, такое особое свойство есть — хиральная специфичность биологических структур и функций. Именно это свойство, называемое попросту хиральной чистотой или гомохиральностью, может быть положено в основу физического анализа проблемы возникновения жизни.
Что такое хиральная чистота? Величайший из «охотников за микробами» Луи Пастер (L.Pasteur) в возрасте двадцати пяти лет открыл явление, значимость которого может оказаться выше всех его замечательных работ по микробиологии, — диссимметрию биоорганических соединений.
Молекулы, в которых имеется асимметрический центр, например, атом углерода, связанный с четырьмя разными соседями, могут существовать в виде двух зеркально-антиподных, «диссимметричных», как их назвал Пастер, конфигурациях, схожих и вместе с тем отличных друг от друга, как левая и правая перчатки, левая и правая ладони (рис. 1). Это «левые» (L — от латинского laeva) и «правые» (D — от латинского dextra) энантиомеры, характерное свойство которых — оптическая активность, способность вращать (соответственно влево или вправо) плоскости поляризации падающего на них света. Свойство зеркальной асимметрии, т. е. несовместимость в пространстве предмета и его зеркального отображения, получило название хиральности от греческого слова — hiros — рука.
При искусственном синтезе органических соединений в обычных лабораторных условиях получаются равные количества левых и правых молекул — так называемые рацемические смеси. Но в биоорганическом мире все гораздо сложнее. Еще Пастер, исследуя различные продукты жизнедеятельности организмов, обнаружил, что их растворы оптически активны, т. е. содержат один из зеркальных изомеров в избытке. Более того, используя рацемический раствор питательного субстрата Пастер показал, что бактерии выбирают только один энантиомер субстрата, оставляя другой в растворе. В результате он пришел к исключительно важному выводу о том, что молекулярная основа жизни не только хиральна, но и асимметрична.
Что же известно об этом сейчас, когда по крайней мере о достаточно простых организмах, например, бактериальных клетках, кажется, известно все, кроме, пожалуй, того, как они могли возникнуть?
Читатель, конечно, знаком с тем, что ДНК, РНК и белки-ферменты играют главную роль в самой впечатляющей и фундаментальной биологической функции — репликации клетки. Полимерные цепи, образующие двунитевую структуру ДНК, могут содержать миллионы нуклеотидных звеньев, похожие на них цепи РНК состоят из сотен и тысяч нуклеотидных звеньев и, наконец, цепи белков-ферментов состоят обычно из нескольких сотен аминокислотных звеньев. ДНК содержит всю информацию о том, из чего состоит клетка и что нужно делать, чтобы воспроизвести ее составляющие элементы, включая и саму ДНК, а все необходимые операции осуществляются ферментами. Роли ДНК и ферментов различны: ДНК — это информационные носители, а ферменты — это функциональные носители. Несколько особое место занимают РНК, которые осуществляют необходимые «посреднические» функции между ДНК и ферментами, а в некоторых случаях могут даже взять на себя выполнение обязанностей какой либо из этих двух сторон. Поэтому РНК могут проявлять себя как универсальные, в информационном и функциональном смысле, носители.
Однако с точки зрения хиральности, эти биополимеры обладают общим примечательным свойством — нуклеотидные звенья РНК и ДНК имеют только D-конфигурацию — включают исключительно D-рибозу и D-дезоксирибозу, а макромолекулы ферментов состоят только из L-энантиомеров аминокислот. Другими словами, ДНК, РНК и ферменты — гомохиральные полимеры. Это свойство главных биологических макромолекул не имеет исключений.
В отличие от сахаров в РНК и ДНК и аминокислот в белках-ферментах, другие хиральные компоненты клетки могут встречаться как в одной, так и в другой энантиомерной форме. В частности, в некоторых бактериях обнаружены даже L-сахара и D-аминокислоты — не в ДНК, РНК и ферментах конечно, а среди продуктов многочисленных биохимических превращений, происходящих в клетке. Поэтому биоорганический мир, если рассматривать его как целое, не вдаваясь в детали отдельных образующих его структур, не обнаруживает хиральной чистоты. Скорее напротив, каждый биологический вид имеет определенный «энантиомерный портрет», и в процессе репликации воспроизводятся не только конкретные органические соединения, но и их хиральные конфигурации. Это последнее свойство обусловлено тем, что ферменты, там где это необходимо, выполняют энантиоселективные функции — распознают энантиомеры хирального субстрата, как, например, в экспериментах Пастера по выращиванию бактерий на рацемических питательных средах, или осуществляют энантиомерный контроль хиральных органических соединений непосредственно в ходе их биосинтеза. Интересно отметить, что энантиомерный контроль осуществляется и на системном уровне: определенные группы ферментов выполняют «полицейские» функции, уничтожая «неприродные» энантиомеры, возникающие спонтанно, в процессе старения, либо под действием вредных экологических факторов, например, ионизирующего излучения.
В ходе биосинтеза таких ключевых макромолекул, как РНК, ДНК и белки-ферменты, энантиомерная конфигурация звеньев, включаемых в соответствующие полимерные цепи, контролируется очень точно (менее одной ошибки на миллиард звеньев). Однако, хотя биохимия клетки в целом подчинена тому, чтобы поставлять именно L-аминокислоты и D-нуклеотиды для строительства ключевых макромолекул, по мере удаления от «центра» метаболизма — механизма репликации информационных и функциональных носителей, к его «периферии» — своеобразной кухне по переработке поступающего извне разнообразного сырья, энантиомерная избирательность биохимических превращений падает. В результате биологическая активность органических соединений может зависеть не только от химической формулы соединения, но и от его изомерного состава. Фармакологи, например, прекрасно знают, что разные энантиомерные формы одного и того же лекарственного препарата могут привести к прямо противоположному результату при лечении.
Таким образом, можно выделить два важнейших аспекта хиральной специфичности биоорганического мира. Во-первых, структурный — это гомохиральность макромолекул, играющих ключевую роль в механизме биологической репликации. Звенья информационных и функциональных носителей имеют унифицированный для всего живого тип хиральности, а именно, РНК и ДНК содержат только D-нуклеотиды, а энзимы содержат только L-аминокислоты. Во-вторых, функциональный — это энантиоселективность функций, обеспечивающих репликацию гомохиральных цепей биологических макромолекул.
Итак, повторим, хиральная специфичность — неотъемлемое свойство живой природы, а воспроизведение и поддержание такой специфичности — одна из характернейших функций жизнедеятельности.
Но почему же все-таки мы считаем, что хиральная специфичность — древнейшее свойство и природа не могла обойтись без него уже на ранних этапах «конструирования» живого? Основа такой уверенности — эксперименты группы американских и голландских химиков по моделированию процессов образования «предков» ДНК и наш анализ процесса эволюции таких макромолекул, которые показали, что прежде, чем возникла основа жизни — самовоспроизводящиеся системы, должны были образоваться полимерные цепи, содержащие только один тип хиральных звеньев! Дело в том, что фрагмент полинуклеотидной цепи с «хиральным дефектом» — звеном с хиральной конфигурацией, отличающейся от конфигурации остальных звеньев в цепи, вообще не может воспроизводиться по правилу комплементарного соответствия звеньев исходной цепи и ее копии. Именно в этом принципиальное отличие хирального дефекта от генетической мутации, которая тоже нарушает комплементарное соответствие звеньев родительской ДНК и ее копии, однако при этом мутантная копия остается пригодной для построения точно таких же копий.
Но это еще не все. В отсутствие энантиоспецифических ферментов, способных точно распознавать хиральную конфигурацию звеньев в процессе сборки цепей, репликация (самовоспроизведение) гомохиральных полимеров может осуществляться только в хирально чистой среде. Как в детской игре в испорченный телефон, в рацемической среде рано или поздно будет утрачена любая, даже самая простая информация, записанная природой на полинуклеотидной цепочке.
Таким образом, для возникновения гомохиральных полимерных цепочек, способных самовоспроизводиться благодаря матричному копированию, требуются либо хиральная чистота того органического материала, из которого строятся такие цепи-матрицы, либо энантиоспецифические ферментативные функции, способные очень точно контролировать хиральную конфигурацию молекулярных фрагментов с тем, чтобы обеспечить сборку гомохиральных цепий независимо от энантиомерного состава окружающей среды. Вот почему хиральная специфичность биоорганического мира действительно древнейшее свойство — память о тех стадиях эволюции, которые, возможно, непосредственно предшествовали зарождению жизни.
Сценарий асимметричного зарождения жизни. Еще совсем недавно казалось, что нарушение зеркальной симметрии в ходе естественной эволюции добиологической органической среды невозможно. Это противоречило обычным представлениям о поведении химических систем, следуя которым система должна стремиться к состоянию с максимальной энтропией, максимальной хаотичности, и значит — к рацемической смеси.
В то же время в физике уже были хорошо известны разнообразные процессы, в которых упорядоченные состояния возникают скачкообразно и самопроизвольно, спонтанно. Мы часто сталкиваемся с ними в повседневной жизни, например, при кристаллизации, когда хаотическое распределение молекул в жидкости переходит в строго упорядоченную структуру кристалла. Важная особенность этих процессов заключается в том, что для перехода из разупорядоченного состояния в упорядоченное совсем не обязательно иметь какое то внешнее упорядочивающее воздействие. Как только в системе достигаются некоторые (критические) условия, беспорядочное состояние становится неустойчивым, и система самопроизвольно (спонтанно) переходит в упорядоченное состояние.
Похожие критические явления существуют в химии, биологии, экологии и даже социальной жизни. Более того, выяснилось, что они представляют собой один из естественных, и достаточно универсальных механизмов возникновения порядка из хаоса. Это оказалось настолько важно, что возникла специальная область науки — синергетика, которая изучает сложные взаимосвязи усиливающих друг друга процессов, приводящих к смене эволюционного развития системы скачкообразным изменением ее важнейших свойств и качеств. Новейшая история нашего государства тому ярчайший пример!
Универсальность синергетики вселяла надежду на то, что ее применение к проблеме возникновения жизни может, наконец, привести к существенному прогрессу. По мнению лауреата Нобелевской премии бельгийского ученого И.Пригожина, одного из создателей науки о скачкообразном самоупорядочении сложных химических систем, возникновение протобиологических структур в безжизненной среде могло быть именно таким процессом. Примерно в это же время, в начале восьмидесятых годов, российский ученый Л. Л. Морозов высказал еще более смелую мысль: главным следствием такого процесса должно было быть нарушение зеркальной симметрии органической среды, и, следовательно, зарождение жизни можно представить физической картиной фазового перехода с потерей зеркальной симметрии!
Опираясь на представления о самоорганизации химических систем на различных уровнях, от простых молекул до сложных полимерных цепей, мы попытались представить себе основные черты сценария асимметричного зарождения жизни. Схематичный набросок картины, в создании которой значительную роль сыграл и другой российский ученый — В. В. Кузьмин, получился таким.
Первый этап (мы опускаем этапы формирования самого космического объекта, на котором возникает жизнь) — образование и накопление аминокислот, сахаров, нуклеотидов и других органических молекул — строительных блоков важнейших биомолекул. На этом этапе органическое вещество возникало в виде рацемических смесей.
Следующий этап — спонтанное нарушение зеркальной симметрии и формирование хирально чистой среды. Образно говоря, в результате скачкообразного перехода остаются только левые аминокислоты и правые сахара, которые и ныне используются в составе биомолекул. Этот этап — отправная точка для последующей эволюции преджизненного состояния.
Полимерный захват хирально чистой органической среды, образование цепочек олигонуклеотидов — блоков будущих ДНК и РНК, и цепочек олигопептидов — заготовок для будущих белков, следующие кадры этого сценария. И вот здесь выясняется ключевая роль хиральной чистоты среды: уже на молекулярном уровне появляются такие структуры, которые способны к репликации и отбору.
На следующем этапе, в ходе эволюции таких гомохиральных структур, происходит еще одно важное событие: некоторые цепочки аминокислот (предки ферментов) начинают выполнять специальную функцию — блокируют возможность появления хиральных дефектов при репликации гомохиральных цепочек — олигополинуклеотидов (предков ДНК). В результате появления такой энантиоспецифической функции гомохиральные цепочки приобретают способность эволюционировать за счет репликации и отбора д. Так достигается первая ступень той лестницы саморазвития, которая ведет к сложным биологическим системам — возникает самоподдерживающийся и саморазвивающийся макромолекулярный мир, обладающий хиральной специфичностью.
Следующая ступень — еще один качественный скачок: уже могут образовываться связанные комплексы прото-ферментов и прото-ДНК, и в результате возникают простейшие модели сложнейшей машины самовоспроизведения биополимеров.
Это последние кадры той части сценария, которая относится к эволюции преджизненного состояния, эволюции предбиосферы. Следующая часть — собственно биологическая эволюция, от простейших протоклеток к человеку.
Так что же, загадка возникновения жизни решена?
Увы нет. Совсем недавно нами было показано, что при спонтанном нарушении симметрии степень хиральной чистоты среды зависит от точности, с которой взаимодействующие молекулы способны распознавать хиральную конфигурацию друг друга. Для достижения высокой степени чистоты требуется очень точное распознавание, а в добиологических, химических условиях, на уровне простейших органических молекул, она слишком мала. Поэтому на третьем шаге описанного выше сценария, в ходе полимерного захвата среды, будут возникать только очень короткие фрагменты гомохиральных цепей, не способные в дальшейшем стать протоферментами. Саморазвивающийся макромолекулярный мир, обладающий хиральной специфичностью, возникнуть в таких условиях не может.
Сейчас уже ясно, что в развитии науки о происхождении жизни наступает новый и очень интересный этап. Не только в этой области, но и в естественных науках в целом, ощущается то известное «критическое» состояние, за которым должно последовать развитие принципиально новых, универсальных представлений о возникновении порядка из хаоса. Возможно, именно они позволят, наконец, прийти к непротиворечивым представленим об эволюционной цепи, приведшей к возникновению жизни.
Из статьи В. А. Аветисова «Физические аспекты предбиологической эволюции: сложность, иерархичность, динамика».
«Не спрашивайте меня, что физика может дать биологии, спросите, что биология может дать физике».
Стэн Улам.
Интерес Виталия Иосифовича Гольданского к проблеме возникновения жизни был особый. Обсуждению физических и химических аспектов этой проблемы посвящены более полутора сотен работ, опубликованных им в течение почти сорока лет. Среди этого богатого научного наследия две темы были самыми, пожалуй, любимыми. Это концепция «холодной предыстории жизни», в развитие которой вклад Виталия Иосифовича трудно переоценить, и возникновение биологической гомохиральности — проблема, которая увлекла его еще в начале 60-х и не оставляла до последних дней его жизни.
Я остановлюсь здесь на этой, второй теме. Не потому, что она важнее или интереснее первой, а лишь по той простой причине, что с Виталием Иосифовичем мне посчастливилось работать более всего именно над ней, и еще потому, что эта работа привела нас к нетривиальным физическим задачам, как оказалось, совершенно общим в химической физике сложных систем. Историю этих исследований со всеми идеями, надеждами и разочарованиями можно проследить по серии обзоров, опубликованных В. И. Гольданским за последние 15 лет. В данной статье обсуждается лишь результат этой истории — задачи, к которым мы пришли размышляя о возникновении биологической гомохиральности, то, почему они нетривиальны, и где мы пытаемся искать пути их решения.
Биологическая гомохиральность. Вначале несколько слов о хиральности. Молекула называется хиральной, если ее пространственная конфигурация не инвариантна относительно зеркального отражения. Подавляющее большинство биоорганических соединений, в частности, аминокислоты, сахара и нуклеотиды — хиральны. Хиральная молекула имеет две зеркально антиподные пространственные конфигурации — левый (L) и правый (D) энантиомеры. С химической точки зрения L и D энантиомеры эквивалентны. Это обстоятельство имеет фундаментальную причину и обусловлено сохранением четности в электромагнитных взаимодействиях. Поэтому в химических процессах, протекающих в симметричных условиях, образуется равное количество L и D энантиомеров. В отличие от этого, в клетке синтезируется только одна энантиомерная форма органических соединений — либо L, либо D — в зависимости от соединения. Это характерное свойство биосинтеза обеспечивается высокой стереоселективностью ферментативного катализа. Например, при биосинтезе белков энантиомерная конфигурация аминокислот контролируется ферментами с точностью не ниже 10 в степени -4, а при репликации ДНК — не ниже 10 в степени -8.
Другое, тоже важное для темы данной статьи, понятие — гомохиральность. В этом случае речь идет о последовательности L и D энантиомеров в полимерной цепи, собранной из хиральных звеньев. Если имеется цепь длиной в N звеньев, то существует 2 в степени N различных L и D последовательностей. Среди множества всех этих последовательностей имеется две последовательности, у которых все звенья имеют одну и ту же энантиомерную конфигурацию — это последовательность только из L звеньев и последовательность только из D звеньев. Такие последовательности называются гомохиральными. Главные биополимеры — ДНК, РНК и белки — являются гомохиральными полимерами. Белки состоят только из L-аминокислот, а РНК и ДНК только из D-нуклеотидов.
Проблема возникновения биологической гомохиральности, по-существу, сводится к одному, и в самом деле очень непростому, вопросу — как возникли гомохиральные последовательности, сложность которых сопоставима со сложностью биополимеров.
Сложность. Чтобы ввести представление о том, что понимается под «сложностью биополимеров», сравним долю гомохиральных последовательностей длиной N (среди всех возможных L, D-последовательностей) c флуктуацией числа частиц в системах различного масштабами.
Пусть имеется система «лабораторного» масштаба состоящая из 10 в 24-й степени частиц (последовательностей). Тогда относительная доля гомохиральных цепей среди всех прочих (примерно 2 в степени N) будет порядка масштаба флуктуаций числа частиц в такой системе при N=40. Это означает, что если длина цепи не превышает нескольких десятков звеньев, то все возможные L,D-последовательности могут быть реализованы. Вопрос о возникновении гомохиральных последовательностей такой длины не содержит в себе физической проблемы, поскольку даже при равновероятном выборе энантиомерной конфигурации звена на каждом шаге сборки цепи, относительная доля гомохиральных цепей среди всех прочих будет не исчезающе мала.
Последовательности такой длины можно назвать структурами «химического уровня сложности». Среди таких структур, «запоминание случайного выбора» может осуществляться путем перебора всех возможных вариантов. Конечно, если речь идет о возникновении коротких, но специальных нуклеотидных последовательностей, например, способных к матричной репликации, то ряд «химических вопросов» остается, но не более того.
Возьмем теперь систему «космологического» масштаба с числом частиц порядка числа атомов углерода в Солнечной системе (примерно 10 в 50-й степени). Тогда относительная доля гомохиральных цепей среди всех прочих становится сопоставима с масштабом флуктуаций числа частиц при длине последовательностей N=80. Это означает, что вероятность возникновения гомохиральной цепи в 100 и более звеньев в результате неселективной сборки исчезающе мала. Кроме того, понятно, что подавляющая часть последовательностей длиной в пару сотен звеньев и более не может быть реализована в природе — просто потому, что даже вся Вселенная исчезающе мала для этого.
Этот уровень сложности можно назвать «биологическим». Не только потому, что белки, РНК и ДНК — это гомохиральные цепи длиной от нескольких сотен звеньев до миллионов звеньев. Но главным образом потому, что для сборки определенных последовательностей такой длины необходимы жестко заданные «алгоритмы» — специфические функции, способные осуществлять сборку с высокой точностью. По образному выражению Виталия Иосифовича Гольданского, химия живого — это «алгоритмическая химия», в отличие от обычной, «стохастической химии».
Конечно, то, что мы можем подразумевать под биологической эволюцией, должно принципиально отличаться от того, что мы понимаем под химической эволюцией.
Что такое «алгоритмическая химия»? При всей кажущейся неопределенности этого вопроса, вполне ясный ответ на можно найти в нескольких работах. Я остановлюсь здесь на одной из них — модели эволюции квазивидов по двум причинам. Это, пожалуй, самый яркий и поучительный пример эволюционной модели вполне общего положения, отражающий «дарвиновскую» парадигму отбора и «принципы самоорганизации» нелинейных диссипативных систем. И, кроме того, данная эволюционная модель вполне отвечает популярной сейчас концепции «эволюции РНК-мира».
Имеется три типа процессов. Первый — это копирование последовательностей Ii. Количество точных копий последовательности Ii , производимых в единицу времени, пропорционально вероятности точного копирования Wii= (p в степени N), где p — относительная вероятность точного копирования отдельного звена последовательности Ii. Здесь можно говорить о малых и больших «мутационных прыжках». Второй процесс — это деструкция последовательностей Ii . Bi -параметр скорости деструкции. Отметим, что величина, характреризующая «способность к выживанию» последовательности Ii и может быть названа «фитнесом квазивида Ii». Наконец, третий процесс представляет собой просто поток, вымывающий полимерные цепи из реакционного объема.
Теперь поясним, как в такой системе происходит отбор. Пусть имеется некоторый набор последовательностей с различным значением фитнесов. Пусть среди них имеется так называемая главная последовательность I «нулевое» с максимальным значением фитнеса. Предположим, что последовательности копируются абсолютно точно. Тогда сначала начнут расти концентрации тех последовательностей, фитнес которых выше среднего (по начальному распределению) значения фитнеса. Концентрации последовательностей с меньшим фитнесом будут уменьшаться. Это, в свою очередь, приведет к росту среднего значения фитнеса. В результате начнут вымываться последовательности с большим значением фитнеса и среднее значение фитнеса снова возрастет. Процесс последовательного вымывания последовательностей с все большими и большими значениями фитнеса будет продолжаться до тех пор, пока не останется главная последовательность I «нулевое» с максимальным значением фитнеса.
Рассмотрим теперь случай, когда копирование сопровождается ошибками. Тогда, помимо главной последовательности I «нулевое» будут «выживать» и другие последовательности. По мере уменьшения точности копирования, сначала будут «выживать» последовательности, отличающиеся от главной одной мутацией, затем двумя мутациями и т.д. Если точность копирования достаточно высока, то большинство последовательностей будут по-прежнему «вымываться» из объема и конечное распределение будет оставаться достаточно узким. Такой режим сохраняется до тех пор, пока вероятность мутационных прыжков на большие расстояния остается исчезающе малой.
Конечно с уменьшением точности копирования вероятность реализации «большого мутационного прыжка» в единичной копии растет. Главное, однако не в этом. Главное в том, что число способов реализации таких больших «прыжков» растет комбинаторно (экспоненциально) с ростом длины прыжка. Поэтому, если последовательности достаточно длинные, то даже небольшое уменьшение точности копирования одного звена может привести к катастрофическим последствиям. Начиная с некоторого уровня точности копирования, каждая последовательность будет продуцировать совершенно произвольные копии и любое начальное их распределение быстро превратится в биномиальное. В этом режиме система полностью теряет способность к отбору.
Переход в режим эволюции без отбора происходит настолько резко, что это явление было названо катастрофой ошибок. Отбор имеет место лишь до некоторого критического значения точности копирования pc, которое называется барьером ошибок. Заметим, что поскольку статистика ошибок при копировании подчинена биномиальному распределению, то (1-p)N есть среднее число ошибок в единичной копии длины N . Поэтому условие отбора имеет очень простой смысл — среднее число ошибок в единичной копии не должно превышать единицы.
Хотелось бы еще раз подчеркнуть, что это условие возникает не из-за значительного уменьшения точности копирования одного звена, а главным образом из-за экспоненциально большого числа путей реализации больших мутационных прыжков при копировании достаточно длинных цепей.
Данное условие может рассматриваться как своего рода критерий, отделяющий «алгоритмическую химию» от «стохастической химии».
Теперь я хотел бы изложить наше понимание того, в чем состоит проблема перехода от «стохастической химии» к «алгоритмической химии».
Контуры проблемы. Наше видение проблемы основано на предположении, что катастрофа ошибок является естественным атрибутом не только биологической эволюции, но, что принципиально, и предбиологической эволюции. Как показывают оценки, ярко выраженная катастрофа ошибок имеет место уже для последовательностей длиной примерно 50 звеньев. Помимо всех прочих «химических» проблем, природе приходилось решать еще один важный вопрос — как быть с катастрофой ошибок при копировании последовательностей от десятков звеньев до нескольких сотен звеньев.
В рамках концепции отбора имеется только один рецепт решения этой проблемы: уже на предбиологической стадии, эволюция информационных структур (последовательностей) в направлении возрастания их сложности должна поддерживаться специфическими функциями. Разумеется, мы не считаем бессмысленным продолжать поиск «простейших» структур, способных выполнять такие функции. Это направление «эволюционной мысли» продолжает оставаться традиционным, а с традициями нужно обращаться бережно. Однако нам представляется, если угодно, более интересным исследовать совершенно другое направление. Мы подозреваем, что решение проблемы предбиологической эволюции скрыто в самой природе динамики сложных системы, в большей степени, чем в специфичности тех или иных химических превращений.
Почему динамика сложных системы столь привлекательна? Прежде всего потому, что именно здесь возникает иерархичность — тот тип организации, который является совершенно общим для биологических систем.
В самом общем виде, задача может быть сформулирована в виде простого вопроса. Как описать иерархическую динамику сложной системы, когда возможны как малые, так и большие «мутационные прыжки». Можно ли при этом, сохранять и передавать информацию, или она быстро теряется? Интерес к такой задаче в последнее время проявляется совершенно явный. Однако все, что пока сказано по этому поводу, состоит из качественных рассуждений. Развитие аналитических моделей, пригодных для описания иерархической динамики сложных систем, является сейчас главной целью наших исследований.
Контуры задач. Чтобы описать эволюцию сложной системы в пространстве последовательностей, необходимо, как и в модели эволюции квазивидов, каждой последовательности приписать некоторое значение фитнеса. Эта характеристика играет в эволюционных моделях роль, аналогичную энергии в физических системах. Различие лишь в том, что физическая система стремится к состояниям с минимумом энергии, а эволюционная система стремится к состояниям с максимумом фитнеса.
Задав значения фитнесов для каждой последовательности мы можем построить некоторую поверхность фитнесов в многомерном пространстве последовательностей. Такую многомерную поверхность называют ландшафтом фитнесов. В этих терминах, предбиологическую эволюцию можно описать некоторым случайным процессом, характер которого определяется структурой многомерного ландшафта фитнесов.
Какие ландшафты фитнесов следует выбрать? Кажется естественным исходить из предположения, что на предбиологическом этапе эволюции значения фитнесов определялись большим числом случайных факторов. В этом случае ландшафт фитнесов можно генерировать случайным алгоритмом. При этом оказывается, что число максимумов на таких случайных многомерных ландшафтах исключительно велико. Для пространств последовательностей размерности N>>1, включающих 2 в степени N состояний, число максимумов оказывается порядка 2 в степени aN, где a — немногим меньше единицы. Таким образом, возникает задача о случайном блуждании на экстремально пересеченных ландшафтах, с огромным числом «пиков» и «впадин».
Примечательно, что с подобными ландшафтами (только энергетическими) сталкиваются в стеклах, кластерах, макромолекулах и биополимерах. Исследование свойств сильно пересеченных многомерных ландшафтов, исследование динамики систем, характеризующихся такими ландшафтами является сейчас едва ли не самым актуальным направлением в физике сложных систем. И именно в этих исследованиях был найден тот «ключ», который открывает «нужную дверь» на пути построения теории динамики сложных систем. Оказалось, что локальные энергетические минимумы на сильно пересеченных многомерных ландшафтах обладают примечательным свойством. Они группируются в своего рода «кластеры» различных масштабов, вложенные друг в друга иерархическим образом. Иерархический порядок оказывается единственно возможным в условиях «конфликта интересов», присущего сложным системам.
Несколько заключительных замечаний. Важным элементом теории предбиологической эволюции, как нам представляется, могут оказаться модели возникновения и развития иерархического типа организации. Построение таких моделей трудная, и пока не решенная задача. Не вполне ясны даже те принципы, которые можно было бы положить в основу соответствующих теоретических конструкций. В действительности, эта задача является центральной во многих областях, где исследуется динамика сложных систем, в частности, в проблеме фолдинга белка. В этом смысле, возможно, процесс фолдинга белка можно рассматривать как прототип процесса предбиологической эволюции.
Можно ли моделировать биологическую эволюцию в терминах «блуждания на многомерных иерархических ландшафтах фитнесов»? Окончательного ответа пока тоже нет. Добиться прогресса в развитии теоретических методов исследования подобных моделей удалось только в самое последнее время. Окажется ли это достаточным, чтобы получить ответы на подобные вопросы, покажет ближайшее будущее.

Библиография


Аветисов В. А., Гольданский В. И. Физические аспекты нарушения зеркальной симметрии биоорганического мира//Успехи физических наук. 1996. № 166.
Аветисов В. А., Гольданский В. И. Нарушение зеркальной симметрии и возникновение жизни/Наука и человечество. М., 1997.
Гольданский В. И., Кузьмин В. В. Спонтанное нарушение зеркальной симметрии в Природе и происхождение жизни//Успехи физических наук. 1989. № 157 (1).
Гутина В. Н., Кузьмин В. В. Теория молекулярной диссимметрии Л. Пастера/История и современность. М., 1990.
Морозов Л. Л. Несохраняющаяся четность в молекулярном мире организмов//Природа. 1977. № 1.
Avetisov V. A., Goldanskii V. I., Kuzmin V. V. Handedness, Origin of Life and Evolution//Physics Today. 1991. № 44.
Avetisov V. A. Biomolecular homochirality emergence: complexity, hierarchicity and Dynamics/Fundamental of Life/Eds. L. Gaglioti, G. Palyi, C. Zucchi. Amsterdam; Elsevier, 2001.
Bonner W. A. Chirality and Life//Origins of Life and Evolution of the Biosphere. 1993. № 25.
Keszthelyi L. Origin of the homochirality of biomolecules//Quarterly Reviews of Biophysics. 1995. № 28 (4).
Kostyanovsky et al. Resolution of racemates with achiral reagents//Mendeleev Communications. 2000. № 3.
Kostyanovsky et al. Chiral drugs via the spontaneous resolution//Mendeleev Communications. 2002. № 1.
Morozov L. L. Mirror symmetry breaking in biochemical evolution//Origins of Life. 1979. № 9.

  • ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ РАЗДЕЛА:
  • РЕДАКЦИЯ РЕКОМЕНДУЕТ:
  • ОСТАВИТЬ КОММЕНТАРИЙ:
    Имя
    Сообщение
    Введите текст с картинки:

Интеллект-видео. 2010.
RSS
X