Путешествие через белково–генетическое пространство

В биологии нам случается встречаться с вопросами, не просто затмевающими космологию, но и распространяющимися далеко за пределы земли. В основе этого лежит простое понимание неописуемой обширности биологических возможностей и их комбинаций. Именно об их огромном числе говорил Вальтер Эльзассер, оценивая это число приблизительно в 10¹⁰⁰ [11]. Это гораздо больше числа атомов в видимой вселенной, не говоря уж о числе звезд или ничтожной пригоршне галактик. На первый взгляд кажется бессмысленным тратить время на рассмотрение этих возможностей. Возьмем, например, проблему белков. Они, по мнению многих, представляют собой центральную проблему в биологии: они — мост, на котором пресловутый генетический код встречается с функциями организма, охватывающими все аспекты его деятельности, от обмена веществ до поведения. Белки, разумеется, состоят из цепей аминокислот, которые каким‑то еще не вполне понятным нам путем быстро создают конфигурации, требуемые для каждой конкретной функции. Структурная конфигурация, обеспечивающая специфические свойства белка, будь то паучья паутина или дыхательные пути, если говорить честно, нам неизвестна. Крайне мало знаем мы и о том, как развиваются белки, усваивая себе новые функции, хотя, без сомнения, важную роль в этом процессе играют кооптация (которую мы наблюдаем, например, в белках хрустликов глаз, см. [29, 46]) и дублирование генов, создающее «двойные наборы» белков, потенциально готовых перейти к новым задачам.

Прежде чем говорить о том, какое отношение все это имеет к проблеме больших чисел Эльзассера, я слегка отклонюсь в сторону и задамся вопросом, насколько вероятно, что белки являются основой жизни где‑то еще во вселенной, конечно, при наличии подходящих планет. В этом (да и не только в этом) вопросе всегда есть опасность чрезмерной земле–центричности; однако универсальна не только периодическая таблица — поведение молекул и элементов также открыто для наблюдения. Как часто отмечается, на какой‑нибудь Фрега–IX происходит то же, что и здесь. Хотя необходимо помнить о возможности кремниевых форм жизни (возникших естественным путем из абиотического источника, а не в результате технологических ухищрений), нужно помнить и о разнообразных сложностях, с которыми связана такая химическая организация. Кремний может использоваться в биологическом контексте, о чем напоминает нам красота скелета диатомовых, однако, скорее всего, не как аналог углерода. Вполне возможно, что углерод является универсальным «выбором» жизни; весьма возможно и то, что повсюду жизнь основана на белках. Основная причина так думать — легкость синтеза аминокислот в абиотических условиях, от классических экспериментов Миллера — Урея до процессов, происходящих в холодных пустотах межзвездных пространств [7]. Легкость синтеза, связанная как с простотой молекулярных компонентов (например, HCN или СН₄), так и с чрезвычайной широтой благоприятных условий, указывает на универсальную эффективность аминокислот. Это не означает, что все эти абиотические аминокислоты непременно одинаково полезны, будь то при возникновении жизни на древней Земле или где‑либо еще. На земле, очевидно, были «выбраны» такие компоненты, как глицин и аланин; они, возможно, помогли создать биосинтезирующие пути для других аминокислот, задействованных в синтезе белков в наше время. В других местах дело может обстоять так же, а может и по–другому.

Далее, у земных аминокислот есть любопытная особенность: почти все они могут существовать в виде энантиоморфов, и при этом всегда (за крайне редкими исключениями) используются левосторонние варианты. Интересно отметить, что большинство внеземных аминокислот, попадающих на землю с углекислыми метеоритами, встречаются в так называемых рацемических смесях, то есть в виде энантиоморфов с равным числом правосторонних и левосторонних вариантов; однако имеются и исключения, в которых рацемический баланс смещен — и смещен всегда в сторону левостороннего типа [7, 30]. Пока непонятно, как возникают эти исключения: были высказаны предположения о нескольких механизмах, действующих в межзвездном пространстве. Разумеется, то, что вся жизнь на земле левосторонняя, как и аминокислоты, может быть простым совпадением. Однако все эти абиотические процессы показывают, что аминокислоты универсальны, белки распространены повсеместно и, возможно, везде построены из левосторонних энантиоморфов. На земле в построении белков задействованы двадцать различных аминокислот; можно представить себе внеземной белок, который, подобно алфавиту иного языка, использует менее пятнадцати или более тридцати «букв», хотя в этом случае и могут возникнуть проблемы, связанные с недостаточной изменчивостью или чрезмерной сложностью.

В этих рассуждениях мы пока можем руководствоваться лишь тем, что видим на Земле. Комбинационные возможности белкового «гиперпространства», построенного всего из двадцати аминокислот и очень простого белка (например, с цепочкой длиной в сто аминокислот), уже очень велики. Приведем цитату из замечательной статьи Смита и Моровица, озаглавленной «Между историей и физикой» [37]. Вот абзац, особенно для нас важный:

Количество возможных стоаминокислотных белков далеко превосходит пригодные для использования числа. Отметим: если только одно из миллиона этих уникальных соединений растворимо в воде и лишь одно из миллиона имеет химически активную поверхность, то существует 10⁴³ потенциальных энзиматически активных растворимых белков длиной в сто аминокислот. Из этих чисел вполне ясно, что количество потенциальных живых организмов едва ли исчислимо и, возможно, бесконечно. Далее мы сталкиваемся со вторым условием, уже не имеющим отношения к науке о жизни, — огромным количеством измерений описательного гиперпространства… Сочетание огромного размера и «непредсказуемого» усиления термального шума показывает, что наш реальный мир весьма малонаселен… Кажется вполне очевидным, что… в подавляющем большинстве гиперпространств с интересными биологическими характеристиками невозможно сформулировать никакие теории глобального экстремума ([37], с. 268).

Если необходимо, я могу выделить главную мысль этого абзаца: вероятность возникновения в одном углу белкового «гиперпространства» двух похожих планет исчезающе мала. Однако есть причины считать, что жизнь, которую мы можем ветретить на других планетах, может вызвать у нас сильное ощущение «дежа вю», вплоть до того, что будет занимать то же белковое «пространство». Хорошо известно, что общее разнообразие земных белков, хотя и не задокументированное, не слишком велико — не более нескольких тысяч семей (см., например, [5]). Более того, белковая структура является до некоторой степени модульной конструкцией, в которой снова и снова используется ограниченное число «строительных блоков». В этом смысле комбинаторная необозримость белкового «гиперпространства» не так серьезна, как кажется на первый взгляд. В белке существуют некоторые участки, для которых подходит лишь одна аминокислота, но в других его участках аминокислоты могут заменять друг друга (однако см. [1]). Кроме того, важно помнить, что, по крайней мере в некоторых случаях, форма белка не слишком важна, если он адекватно выполняет свои функции. Хорошие примеры этому можно найти среди некоторых кислородосодержащих белков. Например, гемоцианин, медесодержащий белок, встречается у некоторых ракообразных и головоногих моллюсков. Несмотря на его название, структуры этих «гемоцианинов» сильно отличаются от классической; по–видимому, они пришли к выполнению тех же функций путем конвергенции (см., например, [24]). Еще более знаменательна эволюция у некоторых слизней молекулы миоглобина, также весьма отличной от настоящего миоглобина, но обладающей теми же свойствами [41]. Можно привести еще много интересных примеров конвергенции молекул; однако необходимо добавить, что тезис «протеиновое гиперпространство намного более узко, чем это обычно полагают» еще нуждается в доказательстве (см. [9]).

Предположение о том, что у эволюции жизни имеется какая‑то изначальная внутренняя структура, едва ли способно воодушевить классических дарвинистов, учитывая их болтливую приверженность к натуралистической метафизике. Однако реалии естественного отбора не исключают существования структур более высокого уровня, предлагающих широкий выбор образцов. Они, разумеется, тоже существуют в естественном мире. По аналогии с условиями антропного принципа мы свободны рассматривать их как голые факты: мир таков просто потому, что он таков. И в то же время изумление, аналогичное антропному изумлению перед сложностью живых организмов, тем, как сложное вырастает из простого, безошибочным движением органов к функциональности, как минимум, дает нам право рассматривать и иную возможность: быть может, вселенная и жизнь в ней возникли вовсе не в результате какой‑то дурной и бесцельной случайности. Разумеется, вера в сотворенную вселенную не должна вести нас к убеждению, что эта вселенная обязана быть в каком‑то смысле «совершенной». Сама по себе эволюция — реальность, которую нельзя отрицать; и, как уже отмечалось, не каждый из ее путей ведет вверх. В той же мере возможно и упрощение, если не регресс.