II. Возникновение хиральности

Возникновение и фиксация хиральности в живой природе представляют исключительный интерес. Попытки объяснить эти факты малой круговой поляризацией света, рассеянного земной атмосферой, или радиоактивным облучением (в связи с несохранением четности в ядерных процессах) не увенчались успехом. Следует рассматривать эти явления в свете общей теории добиологической эволюции, моделирующей возникновение порядка из беспорядка, возникновением информации (гл. 17). Выбор антипода означает создание информации, равной 1 бит на молекулу мономера. Есть веские основания считать, что первоначальное возникновение хиральности было результатом флуктуации. Флуктуационное отклонение от равномерного рацемического распределения может неограниченно нарастать, если система является автокаталитической, т. е. самовоспроизводящейся. Иллюстрируем это модельным расчетом. Пусть хх и х2 — числа молекул полимера (типа РНК), построенного соответственно из D- и L-мономеров, количества которых мы обозначим через mt и пг2. Полимеры строят свои копии из мономеров — имеется матричная авторепродукция. Кроме того, полимеры способны распадаться. Кинетические уравнения, описывающие развитие системы, имеют вид

, (2.22)

где а и b — константы скоростей полимеризации и распада,

, (2.23)

— вероятности встречи матриц 1 и 2 с мономерами m₁, и m₂ соответственно. В стационарном состоянии = = 0, откуда w₁ = w₂ = b/a и, значит, m₁ = m₂, т. е. w₁ = w₂ = 0,5, a = 2b и система рацемична. Нетривиальное развитие системы возможно при неравенстве m₁ ≠ m₂ в результате флуктуации. Допустим, что

w₁ = 0,5 + α, w₂ = 0,5 – α (2.24)

причем α >0. Тогда решение системы (2.22) имеет вид

(2.25)

ос2 = х2 (0)ехр [(а/2 — b)t] ехр(—aat).

С течением времени популяция станет доминирующей:

(2.26)

что означает преобладание одной энантиомерной формы над другой. В 1972 г. Кун предложил наглядную модель добиологической эволюции, непосредственно учитывающую суточную периодичность в состоянии среды. Такая периодичность означает периодическое изменение температуры и увлажнения — чередование растворения вещества и высыхания раствора. В начале образовывались сравнительно короткие полинуклеотидпые цепи — пра-тРНК,— приобретающие третичную структуру. Периодическое изменение состояний среды действовало как фактор отбора — сохранялись те молекулы, которые не гидролизовались в стадии увлажнения. Отбирались цепи, способные к репликации. При этом возникала хиральность, знак которой определялся случайным начальным событием.

Гольданский и Морозов предложили сходную модель эволюционного процесса, приводящего к асимметризации системы, т. е. к фиксации одного из хиральных изомеров (см. § 2.7). Если исходить из автокаталитической системы и взаимной деструкции хиральных D- и L-молекул при их взаимодействии, то получается отбор одного из вариантов. Динамическое уравнение хиральной поляризации» имеет вид

, ()

где — фактор преимущества, равный

— константы скоростей для реакций оптических изомеров, — параметр «хиральной поляризации»:

[L][D] — концентрации L- и D-молекул. Время безразмерное:

По мнению авторов статьи«Хиральность как проблема биохимической физики» [3] В.А. Твердислова, Л.В. Яковенко и А.А. Жаворонкова, молекулярная хиральная асимметрия в биосфере создавалась в ходе биологической эволюции и в современном мире однозначно реализуется на генетическом уровне и в биосинтезе. Ее возникновение, согласно гипотезе авторов данной статьи, связано с фракционированием энантиомеров, абиогенно образовавшихся хиральных соединений, которое осуществлялось на неравновесной границе окен-атмосфера в процессе зарождения предшественников живых клеток.