Возникновение жизни и проблема хиральности

Возникновение биосферы относится к самым ранним периодам развития планеты. Первые известные окаменелые остатки живых организмов (возраст – 3,55 млрд. лет), были обнаружены в Западной Австралии Уильямом Шопфом. Они чрезвычайно похожи по структуре на современных цианобактерий (иначе называемых сине-зелеными водорослями), достаточно высокоразвитых фотосинтетиков. Геохимические данные свидетельствуют о том, что фотоавтотрофная жизнь на планете существовала 4 млрд. лет тому назад. С биологической точки зрения ей должна была бы предшествовать жизнь гетеротрофная. Но, как и, главное, когда она успела возникнуть?

Многовековая борьба за доказательство невозможности возникновения живого из неживого, завершилась триумфальными экспериментами Л. Пастера, которые поставили, казалось бы, точку в этом споре. Но, тогда оказалось, что жизнь могла быть сотворена лишь Богом. С этим не могла смириться материалистическая наука ХХ в. А. И. Опарин в 1924 г., а затем Дж. Холдейн в 1929 г. выдвинули гипотезы биогенеза – возможности самопроизвольного зарождения жизни на Земле (Опарин, 1960; Бернал, 1969).

Вообще говоря, было создано множество гипотез зарождения жизни, экспериментальной базой которых послужила, главным образом возможность синтеза простейших органических соединений в условиях древней Земли, как мы их себе сейчас представляем. Толчком к этому послужило открытие Миллером легкости образования аминокислот из неорганических предшественников (Miller, 1953). Как пишет Л. Маргелис (1983): «Пуристы злословили, что это якобы никуда не годная экспериментальная органическая химия, состоящая в том, что создают среду, предположительно сходную с гадейской[3], вносят в нее неорганические реагенты и подводят энергию, а затем среди продуктов реакций разыскивают молекулы, имеющие важное значение для современной жизни». Этот подход породил множество работ, доказывавших возможность синтеза достаточно сложных органических веществ в условиях древней Земли. Вместе с тем, «данные космохимии метеоритов, астероидов и комет свидетельствуют, что образование органических соединений в Солнечной системе на ранних стадиях ее развития было типичным и массовым явлением» (Войткевич, 1988).

Для возникновения жизни были необходимы:

· эволюция малых молекул;

· образование из них полимеров;

· возникновение у них каталитических функций;

· самосборка молекул;

· возникновение мембран и создание доклеточной организации;

· возникновение механизма наследственности;

· образование клетки.

Если мы обратимся к С. Лему, более известному как писателю- фантасту, чем ученому, то и он пишет: «Осуществление каждого определенного этапа на пути к появлению праклетки обладало определенной вероятностью. Возникновение аминокислот в первичном океане под действием электрических разрядов было, например, вполне вероятным, образование из них пептидов – немного менее, но также в достаточной мере осуществимым; зато спонтанный синтез ферментов составляет – с этой точки зрения – явление сверхнеобычное» (Лем, 2002). И, далее: «Термодинамика может еще «проглотить» случайное возникновение белков в растворе аминокислот, но самозарождение ферментов уже не проходит… Число возможных ферментов больше числа звезд во всей Вселенной. Если бы белкам в первичном океане пришлось дожидаться спонтанного возникновения ферментов, это могло бы с успехом длиться целую вечность» (Лем, 2002). Зарождение жизни, в результате, доказывается лишь «простым фактом, что мы существуем и, стало быть, сами являемся косвенным аргументом в пользу биогенеза» (Лем, 2002).

К такому же выводу приходит далеко не фантаст, а Лауреат Нобелевской премии, один из основоположников современной молекулярной биологии, соавтор открытия ДНК – «молекулы жизни», Ф. Крик, который, специально остановившись на ничтожно малой вероятности самозарождения жизни, далее пишет: «Сам факт того, что мы находимся здесь, обязательно означает, что жизнь действительно зародилась» (Крик, 2002).

В. И. Вернадский вообще полагает, что «должны оставаться без рассмотрения все вопросы о начале жизни на Земле, если оно было… Эти вопросы вошли в науку извне, зародились вне ее – в религиозных или философских исканиях человечества… Все нам известные, точно установленные факты ни в чем не изменятся, если даже все эти проблемы получат отрицательное решение, т. е. если бы мы признали, что жизнь всегда была и не имела начала, что живое – живой организм – никогда и нигде не происходил из косной материи и что в истории Земли не было вообще геологических эпох, лишенных жизни» (Вернадский, 2004).

Проблема хиральности.

Все существующие на сегодняшний день гипотезы о происхождении жизни грешат одним недостатком - они исключительно качественны и мало физичны. Общим для всех них является убеждение, что при подходящих условиях мертвое косное вещество способно дать начало живым образованиям. Но какими были эти условия: "густой, теплый соленый бульон" или "холодное разреженное межзвездное облако"? Сколько времени длилась добиологическая химическая эволюция? Какие процессы при этом происходили и как он протекали?

Известно, что жизнь на Земле асимметрична: в биологических процессах используются только левые молекулы аминокислот и только правые молекулы сахаров, и никак иначе! Понятия "правые" или "левые" означают, что они зеркально отражают друг друга, как правая и левая рука. От греческого слова "рука" эта симметрия получила название хиральной. это обстоятельство представляется крайне загадочным, так как в природе имеется равновероятное число как правых, так и левых молекул одних и тех же веществ. Живая же природа демонстрирует странный дисбаланс - используя только один из двадцати видов зеркальных изомеров. То есть можно сказать, что жизнь хиральна: использует только левые аминокислоты и правые сахара. Почему?

Этот факт был установлен Луи Пастером и назван "демаркационной линией между живым и неживым". Многие умы, такие как Пьер Кюри, лорд Кельвин, Эмиль Фишер, Джон Бернал тщетно пытались разгадать эту загадку. В сущности надо было ответить на два вопроса.

Когда появилась асимметрия? Согласно первому возможному варианту это имеет биологическую причину. То есть, вначале были оба варианта, но один более преуспел в ходе эволюции и подавил второй, который имел место в добиологической стадии.

Почему эта асимметрия возникла? Тут также два варианта. Согласно первому, действовал некий асимметричный фактор, который и предопределил выбор земной жизни. Второй вариант объясняет эту особенность чистой случайностью.

Попытка ответить на эти два вопроса отняла десятилетия усилий. Представим среду, в которой имеется равное количество правых и левых молекул; может ли там возникнуть жизнь? Нет, не может - так категорически отвечает Дж. Визер в своей статье в Nature в 1984 году. Среда должна быть хирально чистой, только тогда может возникнуть в ней аппарат саморепликации, самовоспроизведения; без этого жизнь невозможна. Вывод, таким образом, напрашивается однозначный: асимметрия появилась значительно раньше, чем возникла жизнь!

Неясен ответ и на второй вопрос. Логика вроде бы приводит к выводу, что первичная среда должна быть сбалансирована относительно правых и левых молекул. Почему же она в какой-то момент стала асимметричной?

Пастер предположил, что в первичной среде вступил в действие некий фактор преимущественности. Этот фактор вначале несколько нарушил равновесие, которое со временем усиливалось и в результате возникла хиральная предбиосфера. Приведем пример. У всякого человека две руки, которые способны одинаково хорошо ему служить. Но еще в детстве его учат держать игрушку в правой руке, что, соответственно, укрепляет правую руку, создает ей преимущество перед левой. В процессе роста правая рука становится все более сильной, подвижной и это преимущество закрепляется. Закрепившись в виде стереотипа, оно передается в процессе воспитания потомкам. Постепенно вследствие подобного "фактора преимущества" все больше людей становятся правшами. Нечто подобное произошло в природе, но она просто "отрезала правую руку", то есть, свела на нет общее число молекул другой хиральности.

А что представлял собой в реальности этот фактор преимущества? И тут начинается игра воображения. Первое: поляризация света совместно с действием стационарного магнитного поля. Второе: комбинация гравитационного поля и силы Кориолиса. Третье: механические силы и электромагнитные поля. Четвертое: грозовые разряды. Пятое: корпускулярное и жесткое излучения при солнечных бурях, вспышках и пр. И так далее и тому подобное...

Искали объяснение в неких параметрах воды, которые по мысли авторов этой гипотезы, должны обладать хиральностью. Никакая из этих гипотез не получила подтверждения.

В ход пошел такое убеждение: все это предопределено на атомном уровне! Уже три десятилетия известно, что в атомном мире нет равноправия между правым и левым. При слабых взаимодействиях понятие "назад" или вперед" неравноправны, о чем свидетельствует "несохранение четности". Было решено, что именно это и лежит в основе фактора предпочтительности - асимметрии живого.

Но спустя несколько лет появилась теория, согласно которой оказалось, что не существует никакого фактора предпочтительности. Суть феномена состоит в том, что жизнь, согласно этой точки зрения, является физической катастрофой.

Эту точка зрения была провозглашена наукой о самоорганизации - синергетикой. Методами синергетики было показано, что жизнь - не результат процесса постепенной эволюции, а результат скачкообразного перехода. Поэтому нарушение зеркальной симметрии и произошло спонтанно и взрывообразно.

Изначальная неоднородная среда была неустойчивой, в ней возникали флуктуации, увеличившие некоторое преобладание одних изомеров над другими. В какой-то момент эта флуктуация получила развитие и стала столь большой, что появилась бифуркация - расхождение, когда одно состояние стало неустойчивым, и природа отказалась от него, остановив свой выбор на развивающемся, ставшим предпочтительным. Таким образом появился фактор предпочтительности и среда стала хирально чистой, что оказалось исключительно удобной для возникновения и развития жизни.