Проблема возникновения жизни




Принято считать, что живые системы отличаются от неживых не столько уникальным химическим составом (который в основ­ном включает широко распространенные элементы, такие, как уг­лерод, азот, кислород, водород), сколько сложной упорядоченнос­тью, определяющей уникальные биологические функции. Живые системы отличаются от неживых способностью к переработке энергии, хранению информации и самовоспроизведению.17 Приня­то считать, что самая первая живая система была много проще, чем простейшая из современных живых систем — бактерия; но, тем не менее, для обеспечения этих трёх функций необходим опре­делённый базовый уровень сложности. Кроме того, недопустимы простые аналогии между биологической эволюцией, основанной на естественном отборе, и химической эволюцией, поскольку есте­ственный отбор в биологической эволюции предполагает участие систем, способных к воспроизведению. Вопрос о возникновении жизни — это вопрос о появлении именно таких систем. Эту пробле­му очень убедительно сформулировал Берталанфи: «Отбор, то есть выживание «наиболее приспособленных» предвестников жизни, сам по себе уже предполагает существование автономных, сложных, открытых систем, способных к соперничеству; следовательно, от­бор никак не может объяснить возникновение таких систем».18

На рисунке 5.2 наглядно показано взаимоотношение биологи­ческой активности и молекулярной структуры на примере молеку­лы белка, действующей как катализатор. В водном растворе хи­мическая реакция молекулы АТФ и глюкозы (сахар) протекает очень медленно: маловероятно, что две молекулы смогут удержи­ваться в нужном положении достаточно долго для того, чтобы могла произойти химическая реакция. Однако в присутствии молекулы белка-катализатора АТФ и глюкоза присоединяются к катализато­ру таким образом, что устанавливается их особое взаимное поло­жение, и дальнейшая реакция между глюкозой и АТФ протекает очень быстро. В результате скорость химической реакции возрас­тает в 10 миллионов раз.

Катализаторы такого рода регулируют химические реакции во всех живых организмах. Из рисунка 5.2 становится ясно, что именно строго определённое трехмерное строение и химический состав поверхности молекулы катализатора обеспечивают столь значи­тельное ускорение химической реакции между АТФ и глюкозой.

В наши дни известно, что трёхмерное строение определяется как последовательностью, в которой расположены звенья цепи полиме­ра (в данном случае — белка), так и природой химических связей между этими звеньями.19 На рисунке 5.3 представлена молекула белка. Она представляет собой последовательность L-аминокислот (их существует 20 видов), особым образом соединенных между со­бой пептидными связями. И хотя для поддержания трёхмерной струк­туры не обязательно, чтобы все аминокислоты в цепи находились на своих местах, около половины таких участков имеют строгий поря­док аминокислот. Если в каком-то из этих так называемых «актив­ных участков» находится «неправильная» аминокислота, это может повлечь за собой самые трагические последствия. Так, причина сер-повидноклеточной анемии — сбой в одном-единственном активном участке цепи аминокислот, образующих молекулу гемоглобина.

Более того, образование трёхмерной структуры, происходящее после начальной полимеризации, возможно при наличии только оп­ределенных видов химических связей. В частности, все аминокис­лоты должны быть соединены пептидными связями (как схемати­чески показано на рисунке 5.4). В экспериментах по воспроизве­дению добиологических условий такие связи удавалось получить лишь в половине случаев.

Наконец, аминокислоты бывают левосторонние и правосторон­ние (L-аминокислоты и D-аминокислоты), как указано на рисунке 5.5, но белки, обладающие биологической функцией, состоят толь­ко из L-кислот. L-аминокислоты и D-аминокислоты в природе встречаются одинаково часто, химические реакции у них протека­ют одинаково, и это — еще одна проблема, возникающая при синте­зе белков, обладающих каталитической активностью. Как и в слу­чае с пептидными связями, полимеризация только L-аминокислот в полипептидную цепь является, вероятно, необходимым условием формирования трехмерной структуры молекулы, которая обеспе­чивает каталитическую активность белка.

Схожая, но еще более серьёзная проблема связана с образовани­ем молекул ДНК и РНК, обладающих биологической функцией. Клю­чевой постулат в этом вопросе состоит в том, что биологическая функция неразрывно связана с особым, строго определённым рас­положением исходных звеньев в молекуле биополимера. Было пока­зано, что с помощью теории информации сложности этой молеку­лярной структуры можно придать и численное выражение.30 Таким образом, тайна возникновения жизни может в конечном итоге быть сведена к следующему вопросу: возможно ли образование молекул-носителей информации из простых исходных звеньев исключитель­но под действием потока энергии, проходящего через систему и, воз­можно, определенного отбора на молекулярном уровне?

Взаключение следует сказать, что для выполнения биологи­ческой функции необходимы особые трёхмерные структуры, обра­зующиеся благодаря высоко специфическому молекулярному стро­ению, которое, в свою очередь, предполагает наличие молекул-но-сителеи информации. Вопрос о возникновении таких молекул прин­ципиален для понимания возникновения жизни.

Гипотеза Опарина

Публичная демонстрация классического опыта Луи Пастера в Париже, в Сорбонне, в 1864 году стала надгробным камнем на могиле теории о самозарождении жизни. Пастер смело заявил: «Доктрина самозарождения жизни никогда не оправится от смер­тельного удара, нанесенного этим простым опытом». Далее в той же работе он пишет: «Сегодня нам неизвестны обстоятельства, при которых можно было бы утверждать, что микроскопические существа появились на свет без участия неких зародышей, без родителей, которые их напоминают».31 Но даже тогда уже были причины полагать, что в общем и целом предсказанию Пастера не суждено сбыться. Теория эволюции, которую Дарвин опубликовал пятью годами раньше, в 1859 году, постепенно завоевывала все больше сторонников среди ученых. Если первая клетка вследствие естественных процессов эволюционировала в разные виды существ и, в конечном итоге, в человека, то резонно было предположить, что когда-то у этой эволюции было естественное предисловие. В 1871 году в одном из писем Дарвин рассуждал о том, что в «теплой лужице химических веществ» солнечный свет мог вызвать реакции, необходимые для зарождения первого живого существа.22

Однако подробная гипотеза возникновения жизни была выдви­нута только полвека спустя. В знаменитой статье, опубликованной в 1924 году, русский биохимик А. И. Опарин заявил, что атмосфе­ра молодой Земли значительно отличалась от той, что окружает нас сегодня.23 В частности, он предположил, что она состояла из аммиака, метана, водорода с водяным паром, а кислород в ней отсутствовал. Далее Опарин выдвинул гипотезу, что под влиянием электрических разрядов в атмосфере и ультрафиолетового излуче­ния компоненты этой атмосферы вступали в химические реакции, в результате которых образовывались различные органические молекулы, в том числе аминокислоты, азотистые основания, саха­ра и липиды, необходимые для образования биополимеров. Он сде­лал вывод, что со временем этот процесс должен был привести к концентрации значительного количества этих веществ в океанах и озёрах, то есть к образованию пресловутого первичного бульона. Когда бульон достиг предельной концентрации, эти химические ком­поненты должны были вступить в реакцию, объединяясь в поли­меры (что означает много «меров», то есть молекулярных субъе­диниц). По прошествии длительного времени некоторые полимеры из первичного бульона, скорее всего, проявили бы биологическую активность, — по крайней мере, так утверждает теория. Согласно Опарину, полимеры стали скапливаться в клеткообразные систе­мы, получившие название «коацерваты» или «протоклетки», что постепенно привело к появлению клеток.

Гипотеза Опарина сильно подкосила доверие к эксперименту Па-стера, поскольку Опарин говорил не о внезапном самозарождении, а о постепенном возникновении жизни, которое происходило мил­лионы лет посредством небольших химических изменений. Конеч­но, простой, но от этого не менее замечательный эксперимент Па-стера не мог опровергнуть такую точку зрения. К тому же, в 1924 году теория Дарвина уже имела множество сторонников, и сход­ство этих двух теорий придавало теории Опарина еще больший вес.

Таким образом, гипотеза Опарина и сходные с ней идеи, выдви­нутые примерно в то же время английским химиком Дж. Б. С. Хол-дейном, обеспечили теоретическое обоснование и, по сути, опре­делили направление — более того, явились парадигмой — огромно­го количества исследований в области возникновения жизни, про­ведённых в XX веке. 24 Эксперименты Миллера в начале 1950-х годов, с описания которых мы начали эту главу, были первыми по­пытками проверить эту парадигму на практике. Рассмотрим эти эксперименты более подробно.

 



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-02-13 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: