У истоков жизни

12.10.2007122470

Случайное появление в природе столь крупной самовоспроизводящейся молекулы, как РНК, крайне маловероятно. Гораздо больше шансов на успех в роли «зачинателей жизни» у энергозависимых сетей химических реакций между малыми молекулами.


Выдающиеся открытия рождают большие ожидания. Рассказывают, что после того как Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком была расшифрована структура ДНК, Крик «влетел в паб “Игл” и во всеуслышание объявил, что тайна жизни раскрыта». Действительно, модель ДНК Уотсона-Крика (двойная спираль) была так элегантна и проста, что столь громкое заявление не казалось большим преувеличением. Ученые выяснили, что вся наследственная информация живого организма записана в закодированном виде в молекуле ДНК с помощью четырех «букв» – азотистых оснований, играющих ту же роль, что и буквы алфавита.

Хранилище информации – ДНК – представляет собой двойную полимерную молекулу, цепочки которой соединяются друг с другом в соответствии со строгими правилами. Такая структура позволяет ответить на вопрос о способе воспроизведения ДНК: витки двойной спирали локально раскручиваются, расходятся на какое-то время и на каждой из них, как на матрице, из мономерных «деталей» (нуклеотидов) синтезируется вторая цепочка. Старые и новые звенья попарно скручиваются в двойную спираль, в результате из одной молекулы ДНК образуются две.

Открытие Уотсона-Крика повлекло за собой лавину исследований, касающихся функционирования живой клетки, что в свою очередь инициировало бурные дискуссии о происхождении жизни. Лауреат Нобелевской премии генетик Г.Дж. Меллер писал, что генетический материал представляет собой «живое вещество, дошедшего до наших дней представителя древней земной жизни», которое Карл Саган назвал «голым геном», свободно плавающим в разбавленном растворе органических соединений». (В данном контексте слово «органические» относится ко всем углеродсодержащим молекулам, как связанным с живыми системами, так и не имеющим к ним отношения.) Определений жизни существует огромное множество, но замечание Меллера лучше других согласуется с тем, которое было дано NASA: «Жизнь – это самоподдерживающаяся химическая система, подверженная дарвиновскому отбору».

Английский биолог, автор мирового бестселлера «Эгоистичный ген» Ричард Докинз так представлял себе возникновение жизни: «Однажды в результате случайного стечения обстоятельств образовалась замечательная молекула – назовем ее Репликатором. Она не обязательно была самой большой или самой сложной из всех существовавших тогда молекул, но она обладала необыкновенным свойством – способностью создавать копии самой себя». 30 лет назад, когда Докинз писал приведенные строки, наиболее вероятным кандидатом на роль первого носителя генетической информации была молекула ДНК. Затем ученые предположили, что были и другие, более ранние репликаторы. Однако я и мои единомышленники считаем, что «репликаторная» модель происхождения жизни вообще некорректна. Мы придерживаемся другой точки зрения, которая кажется нам более правдоподобной.

ОБЗОР: Происхождение жизни

Все теории возникновения жизни можно свести к двум категориям. Одни предполагают, что вначале случайно образовался репликатор – крупная молекула, способная к самовоспроизведению (например, РНК). Согласно другим, сначала появился метаболизм, в процессе которого малые молекулы образовали сеть химических реакций.

Теории, предполагающие, что «вначале был репликатор», должны объяснить, как столь сложная молекула могла возникнуть безо всякого воздействия естественного отбора.

Версии, утверждающие, что «вначале был метаболизм», должны доказать, что на первобытной Земле существовали предпосылки для образования и поддержания химических сетей, способных к расширению и эволюции.

Мир РНК

Сомнения в первичности ДНК как единицы жизни не заставили себя ждать. Репликация этой биологической молекулы не может происходить без участия белков – членов семейства крупных молекул, по своим химическим свойствам совсем не похожих на ДНК. И ДНК, и белки образуются путем последовательного соединения друг с другом мономерных единиц в длинные цепочки, но первая из молекул строится из нуклеотидов, вторая – из аминокислот. Белки выполняют в клетке самые разные функции. Так, наиболее известная их подгруппа, ферменты, ускоряют биохимические процессы, которые без них протекали бы слишком медленно, чтобы обеспечивать жизнедеятельность клетки. Все данные о синтезе современных белков записаны в ДНК.

Здесь впору вспомнить нескончаемый спор о том, что появилось раньше – курица или яйцо. Итак, ДНК – «держатель» инструкций о методе синтезирования белков, которые, однако, нельзя выполнить без помощи тех же белков. Какая же из молекул «главнее» – белок (курица) или ДНК (яйцо)?

Надежда на получение ответа забрезжила, когда внимание ученых привлекла еще одна молекула, претендующая на главенство, а именно – РНК. Молекулы РНК, как и ДНК, собираются из нуклеотидов, но выполняют в клетке разнообразные функции, например переносят информацию от ДНК к рибосомам – структурам, синтезирующим белки (рибосомы, в свою очередь, тоже содержат особые РНК). В зависимости от «порученной» роли, РНК принимают и разную конфигурацию – от линейной цепи (как многие белки) до двойной спирали (как ДНК).

В начале 1980-х гг. были открыты так называемые рибозимы – РНК, обладающие ферментативными свойствами. Казалось, дилемма «курица или яйцо» решена: жизнь началась с появления первой самовоспроизводящейся РНК. В 1986 г. нобелевский лауреат Уолтер Гилберт писал в журнале Nature: «Первой ступенькой в эволюции биологического мира, вероятно, стало появление молекул РНК, которые катализировали процессы, необходимые для сборки их самих в нуклеотидном бульоне». Получалось, что первая самореплицирующаяся молекула, образовавшаяся из предбиологического вещества, выполняла те функции, которые теперь распределены между РНК, ДНК и белками.

В пользу существования РНК-мира, предшествовавшего нынешнему с его ДНК и белками, говорит, в частности, тот факт, что во многих ферментативных реакциях участвуют малые молекулы – так называемые кофакторы, которые содержат РНК-нуклеотиды с неустановленными пока функциями. Такие структуры получили название «молекулярных ископаемых» – реликтов времен господства РНК.

Впрочем, полученные до сих пор данные свидетельствуют лишь о том, что РНК возникла раньше, чем ДНК и белки. Мы по-прежнему ничего не знаем о зарождении жизни – процессе, который мог включать стадии, где главенствовали еще какие-то единицы жизни. К сожалению, сегодня термин «РНК-мир» приобрел двоякий смысл. Поэтому я предпочитаю выражение «вначале была РНК» (RNA-first), акцентируя внимание на ее роли в зарождении жизни.

Репликатор или метаболизм

Все научные теории происхождения жизни относятся к одной из двух категорий, утверждающих первичность репликатора или метаболизма. В обоих случаях все начинается с малых молекул (шарики с символами), образующихся абиогенным путем (1).


Согласно модели «вначале был репликатор», некоторые молекулы случайно соединяются друг с другом в цепочку (возможно, прототип РНК), способную к самовоспроизведению (2).


В отдельных копиях репликатора возникают мутации (3); мутантные копии тоже могут самовоспроизводиться (4). Те из них, которые лучше приспособлены к существующим условиям, вытесняют предшествующие версии (5). В конце концов образуется некий отсек (протоклетка), в котором начинается метаболизм (6).


В рамках модели «вначале был метаболизм» все начинается со спонтанного образования отсеков (7). В некоторых из них содержится группа молекул, которые вступают в химические реакции, образующие циклы (8).


Со временем циклы все более усложняются (9), и наконец в системе появляются полимерные молекулы – хранилища информации.


Пустая кастрюля

Гипотеза первичности РНК требует ответа на чрезвычайно трудный вопрос: как именно возникла первая самореплицирующаяся молекула? Стоит нам попытаться представить подобный процесс, как нарисованная Гилбертом картина образования РНК в «нуклеотидном бульоне» превращается в сплошное белое пятно.

Строительные блоки РНК, нуклеотиды – сложные органические молекулы, состоящие из сахарного остатка, фосфатной группы и одного из четырех азотистых оснований. Каждый РНК-нуклеотид содержит до 10 атомов углерода, множество атомов азота и кислорода, фосфатную группу и имеет определенную конфигурацию. Все указанные атомы и группы можно соединить друг с другом разными способами и получить тысячи химических структур, готовых включиться в цепь РНК вместо канонических нуклеотидов, однако ни с одной из них ничего подобного не происходит. Существует еще несколько миллионов органических молекул, сходных по размерам с нуклеотидами, но в РНК они тоже не обнаруживаются.

В 1953 г. американские физикохимики Гарольд Юри (Harold Urey) и Стенли Миллер (Stanley L. Miller) продемонстрировали, как могли сформироваться искомые нуклеотиды. Пропуская электрические разряды через смеси газов, предположительно присутствовавших в первичной атмосфере Земли, они заметили, что наряду с другими соединениями из них образуются аминокислоты – такие же были обнаружены в ходе изучения Мерчисонского метеорита, упавшего на территорию Австралии в 1969 г. Подобные результаты позволили некоторым исследователям предположить, что все «строительные кирпичики жизни» можно без труда получить в ходе экспериментов или извлечь из метеоритов. Однако все намного сложнее.

Аминокислоты, в том числе и синтезированные Миллером и Юри, – значительно менее сложные молекулы, чем нуклеотиды. Все они содержат по одной амино-(NH2) и карбокси- (СООН) –группе, которые связаны с одним и тем же атомом углерода. Самая простая из тех 20 аминокислот, что входят в состав природных белков, имеет всего два углеродных атома, а 17 аминокислот из того же набора – шесть и более. Аминокислоты и другие молекулы, синтезированные Миллером и  рии, содержали не более трех атомов углерода. А нуклеотиды в процессе подобных экспериментов вообще никогда не образовывались. Не выявлены они и в составе исследованных метеоритов. По-видимому, для неживой природы характерна тенденция к созданию молекул с возможно меньшим числом углеродных атомов, и никаких свидетельств образования нуклеотидов, необходимых для появления нынешних форм жизни, не найдено.

Для спасения теории первичности РНК ее сторонники создали целое новое направление в той области науки, которая занимается происхождением жизни. Они пытались доказать, что РНК и ее компоненты можно получить в лаборатории из небиологических молекул в ходе последовательных тщательно контролируемых реакций в условиях, сходных с теми, что существовали на первобытной Земле.

Для того чтобы понять, насколько успешными могут быть подобные попытки, представьте следующую ситуацию. Некий человек играет в гольф на поле с 18 лунками и вдруг приходит к мысли, что мяч способен перемещаться и без его участия, причем исход игры не изменится. Такое возможно только в том случае, если та или иная комбинация природных катаклизмов (землетрясений, сильных ветров, смерчей, наводнений и т. д.) рано или поздно (вероятнее всего, очень поздно) приведет к желаемому результату. То же самое касается возникновения РНК: его образование не противоречит никаким законам физики, но вероятность подобного события стремится к нулю.

Некоторые химики предположили, что в «мире-до-РНК» вначале появился более простой репликатор, который и стал «правителем», причем он должен был обладать ферментативными свойствами, как и РНК. Однако никаких следов подобного древнейшего образования не обнаружено.

Но даже если бы природа «приготовила» примитивный «бульон» из подходящих ингредиентов – нуклеотидов или каких-то более простых аналогов, то их спонтанное слияние в репликатор было бы невозможно без еще более невероятных стечений обстоятельств. Предположим все-таки, что «бульон» был так или иначе «сварен», причем в таких условиях, которые способствовали соединению его компонент в цепочки. В нем присутствовали мириады «неподходящих» блоков, включение которых в растущую цепочку сразу лишило бы ее способности функционировать как репликатор (например, молекула с одной «ручкой», которой она держится за соседний блок, вместо двух, необходимых для роста цепи).

Теоретически природа могла бы соединять блоки случайным образом, составляя разнообразные короткие цепочки вместо гораздо более протяженной сети со стабильной основой, необходимой для выполнения функций репликатора и катализатора. Вероятностьуспешной реализации второго сценария крайне мала; если бы он и осуществился однажды в каком-то уголке Вселенной, то лишь по счастливой случайности.

Пять требований к теориям первичности метаболизма

Для того чтобы набор малых абиотических молекул перешел в категорию живых систем (такой переход мы определяем здесь как постепенное упорядочение локальной области пространства при участии циклических химических реакций, протекающих благодаря сопряжению с неким энергетическим потоком), необходимо выполнение по крайней мере пяти условий.


Во-первых, должна существовать граница раздела между локальной областью и окружением (1). Во-вторых, требуется источник энергии (здесь он назван минералом и выделен синим цветом), в котором протекают процессы с высвобождением тепла (2). В-третьих, нужно, чтобы энергия использовалась для запуска «движущей» химической реакции (3). В-четвертых, должна образоваться сеть химических превращений, способная приспосабливаться к изменяющимся условиям и эволюционировать (4). И наконец, вещество должно входить в сеть быстрее, чем выходить из нее, а отсеки – обладать способностью к делению (воспроизводству) (5). В таком случае никаких информационных молекул (таких как РНК или ДНК) не требуется.

Мир малых молекул

Нобелевский лауреат Кристиан де Дюв уподобил такое событие «чуду – явлению, находящемуся вне компетенции науки». Таким образом, ни ДНК, ни РНК, ни белки, ни другие крупные молекулы не могли находиться у истоков жизни. Остается предположить, что первоосновой были небольшие молекулы. Теории, строящиеся на данном предположении, появляются уже не один десяток лет. Давая определение жизни, они исходят из законов термодинамики, а не генетики: живой можно считать некую изолированную область пространства, упорядоченность которой повышается (соответственно энтропия понижается) в ходе циклических химических реакций, протекающих за счет поступления извне энергии в той или иной форме. Подобные гипотезы восходят к идеям советского биохимика А.И. Опарина. Они различаются лишь в деталях и удовлетворяют нескольким общим принципам. Здесь я приведу пять из них (и добавлю некоторые собственные суждения).

1. Для разграничения живого и неживого нужна поверхность раздела.
Отличительной особенностью живых систем является их высокая упорядоченность. В то же время, согласно второму закону термодинамики, Вселенная изменяется в направлении, при котором ее неупорядоченность (энтропия) возрастает. Однако есть небольшая уловка, с помощью которой можно понизить энтропию в ограниченном объеме при условии, что вне его она повысится на большую величину. В ходе роста и размножения живых клеток происходит превращение химической или радиационной энергии в тепло, под воздействием которого энтропия среды повышается, компенсируя ее понижение в клетках. Границы раздела обеспечивают изоляцию «жилых помещений» от окружения, в котором они образовались.
Нынешние живые клетки отделены от среды и друг от друга бислойной липидной мембраной. Когда жизнь только зарождалась, роль мембраны, вероятно, играли какие-то естественные перегородки. Так, Дэвид Дример (David W. Dreamer) из Калифорнийского университета в г. Санта-Крус обнаружил в составе упавших на Землю метеоритов мембраноподобные структуры. Возможно, перегородками служили мембраны из сульфида железа, поверхности каких-либо широко распространенных минералов (на них могли избирательно адсорбироваться заряженные молекулы), аэрозоли и т.д.

2. Процесс упорядочения невозможен без притока энергии.
Наш организм получает энергию, сжигая углеводы и жиры в ходе химического взаимодействия с кислородом, который мы вдыхаем. Микроорганизмы менее «привередливы» и могут использовать в качестве питательных веществ минералы. Однако в обоих случаях биохимические превращения по сути представляют собой окислительно-восстановительные реакции. Они заключаются в переносе электронов от восстановленных соединений (содержащих избыток электронов) к окисленным (имеющим дефицит электронов). Растения получают пищу от солнечных лучей. Часто движущей силой клеточных процессов становится трансмембранная разность потенциалов. Среди других источников энергии, наиболее широко распространенных не только на Земле, но и во всей Вселенной, – различные излучения и перепады температур.

3. Высвобождение энергии должно быть сопряжено с процессами упорядочения системы.
Испускаемая энергия не всегда расходуется по назначению. Так, для того чтобы тепло, выделяющееся при сгорании бензина в двигателе автомобиля, не рассеивалось, а использовалось для приведения машины в движение, должен существовать механизм его превращения в механическую энергию. Ежедневно клетки нашего организма расщепляют огромное количество высокоэнергетического соединения аденозинтрифосфата (АТФ). Высвобождаемая энергия служит движущей силой процессов, без которых биохимические реакции невозможны. Сопряжение между процессами генерации энергии и ее потребления осуществляется при участии общего для них промежуточного продукта и становится еще более эффективным в присутствии фермента. Одно из допущений теории возникновения жизни из малых молекул состоит в том, что сопряженных реакций и примитивных катализаторов достаточно для зарождения жизни.

4. Адаптация и эволюция невозможны без цепи химических реакций.
Предположим, что некая энергетически выгодная окислительно-восстановительная реакция с участием минерала обеспечивает превращение органического вещества А в другое вещество, В, причем весь процесс протекает в замкнутом пространстве. Назовем такое ключевое превращение «движущей реакцией», поскольку оно играет роль двигателя для упорядочения системы. Если В просто вновь превращается в А или покидает «место действия», то никакого повышения упорядоченности не произойдет. Но если существует многоступенчатый путь, например, В преобразуется в С, С – в D, а D снова в A, то мы получаем замкнутый цикл. Он обеспечивает непрерывность превращений, поскольку пополняет запасы А и поставляет энергию, необходимую для самоподдержания. Цепочка может иметь ответвления, например, возможно преобразование D в другое химическое соединение, Е, но чтобы такое отклонение не привело к обрыву цикла, равновесие реакции должно быть смещено в сторону формирования D.
Замкнутая система может приспосабливаться к изменениям среды. Помню, в детстве я завороженно следил, как вода из прохудившегося шланга, стекая под уклон, продвигается к ближайшему сточному колодцу. Если возникала преграда, струя терпеливо искала обходные маршруты. Точно так же, если колебание кислотности среды или какие-то другие обстоятельства «перекроют дорогу» от В к А, то поток вещества будет изменять направление, пока не отыщется другой путь к цели. Последовательно вводя аналогичные изменения, мы получим не замкнутый цикл, а сеть. Такое освоение химического ландшафта методом проб и ошибок может привести к появлению веществ, катализирующих важные этапы цикла, благодаря чему повысится эффективность использования энергии.

5. Сеть должна разрастаться и воспроизводиться.
Для сохранения и роста сети необходимо, чтобы питательные вещества поступали быстрее, чем расходовались. Частично они диффундируют из замкнутого пространства в окружающую среду, что выгодно с точки зрения энтропии. В ходе одних реакций могут образовываться улетучивающиеся газообразные вещества, в ходе других – частицы, выпадающие в осадок, и т.д. Если в результате система будет больше терять вещества, чем получать, то она перестанет существовать. К такому же результату приведет и истощение запасов «горючего». Вполне возможно, что в древности на Земле происходило нечто подобное: появлялись альтернативные «движущие реакции» и внешние источники энергии. В конце концов, устанавливался какой-то один, оптимальный жесткий порядок вещей, обеспечивающий самоподдержание.
И наконец, должен был возникнуть механизм репродукции. Предположим, что система находилась в какой-либо полости внутри горной породы. Расширяясь, она занимала соседние пространства. Такое распределение по отдельным отсекам предотвращало полное исчезновение системы в целом под влиянием каких-то локальных деструктивных событий. Независимые подсистемы могли эволюционировать каждая по-своему и конкурировать за сырье. Дальше должен был произойти переход от жизни, возникшей абиогенным путем при участии какого-то имевшегося в те давние времена источника энергии, к форме, приспосабливающейся к окружению в соответствии с дарвиновскими законами эволюции.

Эволюция химических сетей

Гипотеза «вначале был метаболизм» предполагает образование цепочек химических реакций, которые постепенно усложняются и видоизменяются, приспосабливаясь к условиям среды.

Образование цикла. Источник энергии (здесь – окислительно-восстановительная реакция превращения Х в У) сопрягается с процессом превращения А в В. Последующие реакции В–С, С–D, D–А образуют замкнутый цикл. Для поддержания реакций, выходящих за его рамки (здесь – D–Е), в цикл должно поступать больше вещества, чем прежде.
Усложнение цикла. Если из-за изменения условий какая-либо реакция цикла (например, С–D) останавливается, то система может использовать обходные пути. В данном случае выбран путь С–D с участием промежуточных продуктов F, G, H. Альтернативная возможность – включение в цикл катализатора (I), который разблокирует прямое превращение С в D. Чтобы сеть не распалась, углеродсодержащие соединения должны поступать в нее в большем количестве, чем выводиться за счет диффузии, выпадения в осадок и т.д.

Смена парадигмы

Системы, подобные рассмотренным выше, соответствуют концепции «вначале был метаболизм». Подразумевается, что в них отсутствовали механизмы репродукции, т.е. не было молекул и структур, сохраняющих информацию (наследственный материал), которые дуплицировались бы и передавались в череде поколений. Зато имелся некий комплекс объектов, содержащий необходимую информацию (нечто вроде листа с описанием). Проведу такую аналогию: жена дает мне список необходимых покупок, я отправляюсь в супермаркет, а домой приношу набор продуктов, содержащих ту же информацию, что и список. Дорон Лансет (Doron Lancet) из Вейцмановского института в Реховоте (Израиль) назвал наследственный материал, представляющий собой небольшие молекулы, «составным геномом» в отличие от непрерывных текстов, какими являются ДНК или РНК.

Теория зарождения жизни в мире, где имеются только малые молекулы, требует наличия перечисленных выше особенностей (наличие изолированного пространства, внешнего источника энергии, сопряжения между процессами выработки энергии и ее потребления и т.д.). Такие условия вполне обычны для нашей планеты – в отличие от тех, в которых мог бы образоваться репликатор в ходе многоступенчатого процесса.

Теоретические исследования такого пути возникновения жизни ведутся не один год и рассматривают множество схем, иллюстрирующих, как именно все могло происходить. Но экспериментальных работ по их проверке очень мало. Обычно они ограничиваются демонстрацией реализуемости какой-то одной части замкнутого цикла. Большинство новых данных получил в последнее время Гюнтер Вехтерсхойзер (Gьnter Wдchtershдuser) и его коллеги из Мюнхенского технического университета. Они сконструировали часть процесса, включающую соединение и разделение аминокислот в присутствии сульфидов металлов в качестве катализаторов. Источником энергии служила реакция окисления монооксида углерода в диоксид. Вся цепочка пока не воссоздана, не выявлена также ее способность к самоподдержанию и эволюции.

Первоочередной задачей экспериментов специалисты считают идентификацию возможных движущих реакций – взаимопревращений малых молекул (в рассмотренном ранее примере – превращение А в В), которые были бы сопряжены с каким-нибудь процессом выделения энергии (например, окислением монооксида углерода или минерала). Если подходящая движущая реакция найдена, можно считать, что дело сделано. Нужно только поместить в сосуд выбранные компоненты (включая те, которые будут поставлять энергию) и добавить другие малые молекулы, во множестве образующиеся в ходе природных процессов. Если в результате образуется устойчивая цепочка химических реакций, то со временем концентрация ее «участников» будет увеличиваться, а сами они начнут видоизменяться. Могут появиться катализаторы, ускоряющие ключевые реакции, а бесполезные для системы вещества постепенно исчезнут. Кстати, у такого сосуда должен быть вход, через который могло бы поступать «сырье» и выход для удаления «отходов производства».

Подобные эксперименты имеют целый ряд слабых мест. Во-первых, существует вероятность, что энергия будет рассеиваться в виде тепла, и тогда никакого увеличения концентрации реагентов не произойдет; во-вторых, в процессе химических превращений возможно образование продуктов, которые выпадают в осадок и засоряют аппаратуру. Зато об успехе можно будет говорить даже в том случае, если удастся сделать лишь первые шаги по «дороге жизни», причем они вовсе не должны повторять те, что были сделаны когда-то на первобытной Земле. Самое главное – показать правильность намеченного пути и перспективу дальнейших исследований.

«Дорог жизни» может быть множество, выбор одной из них определяется локальным окружением, и вовсе не обязательно, что путь в конце концов приведет к цепочке ДНК–РНК–белок – основе функционирования современных организмов. Известно, что эволюция не предопределяет будущих событий, и нуклеотиды, впервые появившиеся в метаболической системе, возможно, предназначались для иных целей. Например, они могли играть роль катализаторов или энергетических депо (именно такую функцию сегодня выполняет нуклеотид АТФ). Не исключено, что какие-то случайные события или обстоятельства привели к соединению нуклеотидов друг с другом и образованию РНК. В настоящее время эти молекулы, помимо всего прочего, выполняют одну очень важную функцию: они участвуют в образовании химических связей между аминокислотами во время синтеза белков. Возможно, первые РНК делали то же самое, но не отдавали никакого предпочтения специфическим аминокислотам. До «изобретения» механизмов репликации и трансляции, свойственных всем современным организмам, эволюции предстояло пройти большой путь.

Если парадигма зарождения жизни в мире малых молекул получит подтверждение, нам придется изменить укоренившиеся представления о собственной уникальности. Сценарий «вначале была РНК» в силу чрезвычайно малой вероятности своего осуществления скорее всего означал, что мы одни во всем мире. По словам биохимика Жака Моно, «во Вселенной не было никаких предпосылок к появлению жизни и биосферы вместе с человеком. Мы – что-то вроде выигрышной карты в азартной игре».

Альтернативная же парадигма, по мнению Стюарта Кауфмана, предполагает, что «возникновение жизни – вовсе не такое уникальное событие, как мы считали. Вселенная – не индивидуальное жилище, скорее всего в ней есть и другие, пока неизвестные нам обитатели».

Об авторе
Роберт Шапиро (Robert Shapiro) – почетный профессор и главный научный сотрудник Нью-Йоркского университета, автор более 125 публикаций, относящихся в основном к области биохимии ДНК. Шапиро занимался исследованием влияния химических веществ на наследственный материал человеческого организма и появление в нем мутаций, ведущих к развитию онкологических заболеваний.

СПРАШИВАЙТЕ – ОТВЕЧАЕМ
Ответы Роберта Шапиро на вопросы читателей

– Предполагает ли гипотеза «вначале был метаболизм», что жизнь могла возникнуть единственным путем? Или независимых способов было много?

– Теория первичности метаболизма допускает зарождение жизни разными путями. Вместе с Джералдом Файнбергом (Gerald Feinberg) мы детально обсуждали возможность существования других форм жизни (без РНК, ДНК и прочих привычных биомолекул) в книге «Внеземная жизнь» (Life beyond Earth), которая вышла еще в 1980 г. Участники конференции, состоявшейся в 2006 г. в Университете шт. Аризона, пришли к выводу, что подобное возможно и на нашей планете. Существует множество микро-организмов, которые можно разглядеть в электронный микроскоп, но не удается культивировать, и их свойства не описаны. Не исключено, что микробы с другими типами метаболизма существуют в каких-нибудь уголках Земли с экстремальными условиями, что в них не выжили бы даже самые стойкие из привычных форм жизни.

– Почему право на существование сценария «вначале был метаболизм» нужно доказывать экспериментально?

– Стюарт Кауфман, Дорон Лансет и другие ученые использовали компьютерное моделирование для того, чтобы доказать возможность существования самоподдерживающихся циклов химических реакций. В таких моделях не оговаривались точный состав химических смесей и условия, в которых должны протекать реакции. Мы до сих пор не знаем всех возможных путей превращений наборов простых органических веществ, не говоря уж о соответствующих термодинамических константах. Но даже если бы все это было известно, большинство химиков не удовлетворились бы результатами компьютерного моделирования и потребовали экспериментального подтверждения.

– Объясните, пожалуйста, почему все оптически активные биологические молекулы находятся в одной из зеркально противоположных конфигураций?

– Если бы химические превращения минералов, обеспечивающие энергией реакционные циклы, обнаруживали предпочтение только одной изомерной форме вещества А, то в соответствующей конфигурации находились бы также продукт В и все другие участники циклов. Тип конфигурации приобретает значение, когда малые оптически активные молекулы начинают соединяться друг с другом с образованием полимера. Некоторые известные нам ферменты состоят из 100 аминокислот, и все они находятся в конфигурации L (от лат. lаevus – левый), т.е. поворачивают плоскость поляризации света влево. Если бы существовали D-аминокислоты (от лат. dexter – правый) и хотя бы одна из них включилась в активный центр фермента, построенного из L-аминокислот, то последний перестал бы функционировать.

Перевод: Н.Н. Шафрановская
«В мире науки» № 10-2007


Ваш комментарий:
Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Чтобы оставить комментарий, необходимо авторизоваться.
Вернуться к списку статей