(Теории и гипотезы) А. БАРБАРАШ Новая редакция ОГЛАВЛЕНИЕ
реклама
А. БАРБАРАШ (Анатолий Никифорович БАРБАРАШ E-mail: barbarash@farlep.net) (Теории и гипотезы) Новая редакция ОГЛАВЛЕНИЕ ПРОБЛЕМА ЕДИНСТВА БИОХИМИИ 4.2.1. Открытия Луи Пастера ....................................................................................................................... 2 4.2.2. Гипотеза о хиральной катастрофе .................................................................................................... 4 4.2.3. Удивительна не только хиральность ................................................................................................ 8 4.2.4. Гипотеза о „бутылочном горлышке” .............................................................................................. 10 4.2.5. Кто узаконил „энергетическую валюту”? ...................................................................................... 13 Предыдущий раздел Последующий раздел Общее оглавление ПРОБЛЕМА ЕДИНСТВА БИОХИМИИ 4.2.1. Открытия Луи Пастера В 1848 г. Л. Пастер, исследуя под микроскопом одну из солей винной кислоты, заметил, что она существует в виде кристаллов двух типов, каждый из которых является зеркальным отображением другого1. Он отделил эти два типа кристаллов друг от друга, растворил их в воде, чтобы получить растворы и пропустил через них луч поляризованного света. К своему удивлению, Пастер увидел, что различие в симметрии сохраняется и при растворении кислоты – один из растворов вращал плоскость поляризации света по часовой стрелке, а другой – в обратном направлении. Это открытие, сделанное Пастером в возрасте 25 лет, привело его к развитию теории молекулярной структуры. Пастер постулировал, что две разные формы кристаллов соли винной кислоты, и их способность вращать плоскость поляризации света в противоположных направлениях объясняются тем, что существует два вида молекул соли – „правые” и „левые”. Через девять лет произошло ещё одно любопытное событие. Однажды он обнаружил, что в лабораторной чашке с оптически неактивным (т.е. не вращающим плоскость поляризации света) раствором выросла плесень. Испорченный раствор следовало просто вылить. Вместо этого Пастер, будучи по образованию физиком, проверил его оптическую активность. Оказалось, что испорченный раствор стал вращать плоскость поляризации света! Плесень превратила оптически неактивный раствор в активный! Пастер заключил, что исходный раствор содержал равное количество правых и левых молекул и потому был оптически неактивным. Но плесень использовала для своего питания молекулы только одного вида, и в растворе стали преобладать молекулы другого вида. Эта диспропорция и породила оптическую активность раствора. Теперь химики называют зеркально асимметричные молекулы L- и D-изомерами (от лат. Levo – левый и Dextro – правый), или энантиомерами. Ещё их называют хиральными молекулами (от , cheir – рука). По отношению к хиральным молекулам нужно чётко различать два понятия. Во-первых, обозначение конфигурации. Оно основано на договорённости: решили обозначать правовращающую винную кислоту символом D – так и поступаем, хотя могли бы обозначать и символом L. Всё сводится к условности, более глубокого смысла в обозначениях нет. Во-вторых, определение конфигурации. Это экспериментальная работа, выполняемая химическими и физическими методами, чтобы установить, какая из двух зеркальных пространственных моделей отвечает правовращающему энантиомеру, а какая – левовращающему. Здесь уж никакой условности нет; при определении конфигурации должно быть строго выяснено, что данный стереоизомер имеет именно такое, а не другое пространственное строение. Эти два понятия не зависят друг от друга, и при полной определённости пространственной конфигурации вопрос о её обозначении может решаться по-разному. Например, для часто упоминаемых дальше аминокислот и сахаров (точнее – моносахаридов) обозначения выбирают на основе записи их формул по системе Фишера. Если H 2N- или HOгруппа в стандартно написанной формуле Фишера расположена слева – принимается обозначение L, если справа – обозначение D [Потапов, 1988]. Конфигурация хиральных молекул влияет на форму кристаллов, на спектры ядерного магнитного резонанса вещества в хиральных растворителях, на его отношение к хиральным реагентам и особенно, к ферментам. Но чаще всего исследуется поворот плоскости 1 Здесь и в других местах этой главы использован ряд фрагментов работы [Хегстрём, Кондепуди, 1990]. 4.2.1. Открытия Луи Пастера 3 поляризации проходящего через раствор света, и здесь возникает ещё один повод для путаницы. При одной и той же конфигурации молекул, направление поворота плоскости поляризации может меняться в зависимости от природы растворителя, концентрации и температуры раствора, длины световой волны. Например, одни и те же молекулы винной кислоты, которые при растворении в этилацетате или в диэтиловом эфире вращают поляризацию вправо, в растворе хлороформа ниже 36°С поворачивают её влево, а выше – вправо. Водный раствор аспарагиновой кислоты, наоборот, при комнатной температуре поворачивает поляризацию вправо, а при нагреве – влево. Одни и те же молекулы яблочной кислоты в водном растворе при концентрации 64% являются правовращающими, а при 21% – левовращающими и т.д. Но, пожалуй, наиболее удивляет то, что при путанице, вносимой растворителями, концентрациями, температурами и длинами волн, да ещё при отсутствии связи между истинной конфигурацией молекул и обозначением конфигурации, вся живая природа использует, как правило, аминокислоты, называемые левыми (L), а в нуклеиновых кислотах – моносахариды, называемые правыми (D). Исключения лишь подчёркивают общее правило, так как всегда почему-то связаны с неординарными ситуациями (см., например, в гл. 4.3.5. об использовании D-аминокислот в пептидогликановой молекуле, представляющей собой целостную оболочку бактерии). Возможно, в принятом химиками правиле обозначения хиральностей молекул скрыт некий глубинный смысл, воспринятый авторами на уровне интуиции, который пока не удаётся понять и внятно выразить. Хотя левый и правый объекты, по определению, не идентичны, Пастер не мог a priori считать, что один из них имеет преимущество перед другим. Предпочтение живых организмов к молекулам с определённой хиральностью1 потребовало научного объяснения. Но не тут-то было! Прошедшие полтора столетия развития науки такого объяснения не дали. Но представим себе, что в водах древнего Океана, едва на Земле возникла жизнь, появились бы клетки с разной хиральностью молекул. К чему бы это привело? Могли бы следы подобной ситуации сохраниться до наших дней? Оказывается, антагонизм между клетками-водорослями (и вообще организмами), вызываемый разной хиральностью молекул, минимален, и не идёт ни в какое сравнение с жестокой борьбой за существование в знакомой нам живой Природе с общей хиральностью молекул. Действительно, ведь организмы с „левой” хиральностью не годятся в пищу организмам с „правой” хиральностью, и наоборот! Но нельзя сказать, что при встрече в Океане двух клеток хиральность их молекул не имела никакого значения. В одном случае – это пища или враг, в другом – нейтральный объект, что важно определить на расстоянии, ещё до контакта с ним. Должны были помочь хеморецепция2, свойственная даже примитивным клеткам, а также различие запахов левых и правых вариантов соединений. Например, известно, что один из хиральных изомеров лимонена придаёт характерный запах лимону, а другой хиральный вариант – апельсину. (Можно заметить, что разные энантиомеры одного и того же вещества имеют также разный вкус – природная L-глутаминовая кислота, в нашем восприятии, улучшает вкус пищи и используется как пищевая добавка, а D-глутаминовая кислота для нас безвкусна.) Вероятно, при существовании двух ветвей жизни, отличающихся хиральностью молекул, запахи своих „сохиральников” воспринимались бы как более привлекательные, а запахи организмов другой линии – как отталкивающие. При переходе к многоклеточным организмам хеморецепция должна была бы развиться в обонятельные и вкусовые рецепторы. Такой мир представлял бы, в восприятии каждого животного, головоломную смесь приятно и неприятно пахнущих, вкусных и безвкусных частей. Напомним, что термины, выделенные курсивом, пояснены в Кратком Словаре книги. Хеморецепция – ощущение химических свойств веществ и организмов, например, их кислотности, содержания ионов йода и т.п. В данном случае подразумевается чувствительность к хиральности определённых молекул. 1 2 4 ПРОБЛЕМА ЕДИНСТВА БИОХИМИИ Организмам с разной хиральностью в такой ситуации пришлось бы сторониться друг друга, ещё и потому, в частности, что чужая ветвь Жизни могла оказаться ядовитой. Молекулы одного и того же вещества при одной хиральности могут быть полезными для организма, а при другой – становиться ядом. Эту ситуацию ярко иллюстрирует нашумевший скандал с талидомидом, который принимали многие беременные женщины. В 1963 году выяснилось, что пока один энантиомер этого хирального соединения помогал женщинам избавиться от утренней тошноты, другой вызывал нарушение эмбрионального развития ребёнка, вёл к рождению уродов. С тех пор фармацевты стали уделять особое внимание хиральной очистке веществ, тщательному разделению энантиомеров. * * * Но вернёмся в наш мир с единой хиральностью аминокислот и также единой, но противоположной, хиральностью моносахаридов в нуклеиновых кислотах. Попытаемся понять причины такой асимметрии. Строго говоря, вся Вселенная асимметрична, начиная с уровня внутриядерных взаимодействий в каждом атоме. Однако это общее положение, само по себе, ещё не способно объяснить существующую картину асимметрии биологических молекул. Ситуация с симметрией во Вселенной достаточно сложна. В микромире, в атомном ядре, симметрии нет, благодаря чему нас окружает именно материя, но не антиматерия, и мы живём в устойчивом мире, где не происходит постоянная аннигиляция. Если бы Вселенная вдруг стала симметричной на уровне элементарных частиц и атомов, т.е. в веществе перемешались бы материя и антиматерия, произошёл бы невиданной силы взрыв, переводящий вещество в излучение. Но при чём здесь однообразие хиральности молекул организмов? 4.2.2. Гипотеза о хиральной катастрофе Элементарные частицы взаимодействуют друг с другом посредством четырёх видов сил, к которым относятся гравитация, электромагнитные силы, сильные ядерные взаимодействия (удерживающие в целостном виде атомное ядро) и, наконец, слабые ядерные взаимодействия. Раньше учёные полагали, что на уровне элементарных частиц природа зеркально симметрична, и что это подкрепляется свойствами всех четырёх видов сил. На такую мысль наводили многие известные факты и, среди них, закономерности обычных (не биологических) химических реакций. При всех экспериментах химические свойства L- и D-изомеров оказывались с высокой точностью зеркально симметричными. Если не вводить в реакцию особый асимметричный агент, то при небиологическом синтезе хиральных молекул из ахиральных „кирпичиков” всегда образуется равное количество L- и D-изомеров. Фундаментальная причина подобной симметрии в том, что химические реакции по существу являются результатом электромагнитных взаимодействий атомов. А для электромагнитных сил характерно, что если может происходить какой-то процесс с их участием, то ровно настолько же вероятен и зеркальный по отношению к нему процесс. Про любые силы, благодаря которым с одинаковой вероятностью происходят и прямые процессы, и их зеркальные отображения, говорят, что они сохраняют чётность. Поскольку электромагнитные силы сохраняют чётность, естественно было бы, чтобы (без особого вмешательства извне) во всех случаях существовали равные количества L- и Dизомеров. Но факты расходятся с теорией. Каждая гипотеза о естественном возникновении жизни на Земле предполагает, что возникновению первой клетки предшествовал длительный этап предбиологической эволюции. Её результаты должны определяться фундаментальными свойствами протекавших на предбиологическом этапе химических процессов. Вот здесь-то, с точки зрения хиральности, и возникает явное несоответствие. 4.2.2. Гипотеза о хиральной катастрофе 5 Казалось бы, в результате предбиологической эволюции на просторах Земли должны были с одинаковой вероятностью возникнуть клетки, а затем и многоклеточные организмы с левыми и правыми молекулами. А в действительности – всё живое, от вируса и бактерии до эвкалипта и человека, использует в каждом случае молекулы только с одним типом хиральности1 – сахара (моносахариды) в нуклеиновых кислотах относятся к правым молекулам, белки строятся из левых аминокислот и т.д. К сахарам относятся, например, глюкоза, фруктоза, сахароза, лактоза и другие подобные соединения. Аминокислотами называются соединения, обладающие как свойствами аминов, так и свойствами органических кислот. Аминокислоты двадцати разных наименований представляют собой те элементарные ”кирпичики”, из которых, при соединении их в цепочку, строятся молекулы всех типов белков. Готовая цепочка аминокислот в растворе соответствующего состава сама собой сворачивается в молекулу белка, имеющую индивидуальную, строго определённую форму. Поскольку нуклеиновые кислоты тесно взаимодействуют с белками, то естественно, что правые сахара, склонные сворачивать дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК) в правую спираль, лучше сочетаются с левыми аминокислотами белков, которые плотнее прилегают к правым молекулам. И, наоборот, для правых аминокислот естественно было бы сочетаться в организмах с левыми сахарами. В нашем сознании укоренилось представление о высокой целесообразности организации всего живого. Но как же понять полное пренебрежение к половине питательных веществ, предоставлявшихся природой Земли для нарождающейся жизни? Ведь химические процессы всегда давали одинаковое количество левых и правых энантиомеров, а жизнь каждый раз использовала только левые или только правые молекулы! В 1957 г. Ц. Ву и её коллеги выяснили, что вещество Вселенной всё-таки обладает фундаментальной асимметрией. Но как протянуть отсюда ниточку к молекулярной асимметрии организмов всё ещё оставалось неясным. Исследуя испускание бета-лучей при радиоактивном распаде, они обнаружили, что слабые ядерные взаимодействия не сохраняют чётность. Бета-лучи, возникающие при радиоактивном распаде, представляют собой летящие с большой скоростью электроны и их античастицы – позитроны. Они вращаются вокруг собственной оси (обладают спином) и потому могут быть классифицированы как левые или правые, в зависимости от направления своего движения – вдоль спина или против него. Эксперименты показали, что из-за нарушения чётности при слабых взаимодействиях процесс испускания бета-лучей зеркально асимметричен – численно преобладают левые электроны и правые позитроны. Выяснилось также, что испускаемые при радиоактивном распаде электрически нейтральные частицы с высокой проникающей способностью – нейтрино – встречаются только в левой форме, а их антипод – антинейтрино – в правой. Но от этих фактов очень далеко до объяснения зеркальной асимметрии на молекулярном и более высоких уровнях. Слабые ядерные взаимодействия примерно в 100 раз слабее электромагнитных сил и в 100 000 раз слабее сильных взаимодействий. Они ощущаются, в основном, в пределах атомного ядра. Поэтому не было смысла искать влияние их асимметрии на макроскопические процессы, где слабые взаимодействия практически не проявляют себя. Однако, в конце 60-х годов С. Вайнберг, А. Салам и Ш. Глэшоу развили теорию, объединяющую электромагнитные и слабые взаимодействия. Их теория предсказала существование новых, „электрослабых” сил, действующих между электронами и протонами, а также нейтронами ядра. Эти силы, согласно теории, не сохраняют чётности. В 70-х годах их существование было подтверждено экспериментально и показало, что отдельный атом, образование, казалось бы, совершенно симметричное, в действительности имеет небольшую асимметрию. Она слегка искажает форму поля, окружающего атом, что способно влиять на биохимические процессы. 1 Напомним, что слова, выделенные курсивом, пояснены в Кратком словаре книги. 6 ПРОБЛЕМА ЕДИНСТВА БИОХИМИИ Насколько мала эта асимметрия, видно из того, что в лучшем возможном эксперименте плоскость поляризации света, проходящего сквозь атомарный газ, должна повернуться на стотысячную долю градуса. Под таким углом была бы видна рука человека, если бы её сумели наблюдать невооружённым глазом с расстояния 1000 км. Но экспериментаторы всётаки изловчились зарегистрировать подобный поворот плоскости поляризации! Одним из проявлений асимметрии электрослабых взаимодействий должно было оказаться небольшое различие внутренней энергии левых и правых молекул. В 1983-86 гг. С. Мейсон и Дж. Трантер выполнили детальные расчёты внутренней энергии L- и Dвариантов ряда аминокислот и, действительно, обнаружили некоторое различие в энергии энантиомеров. Во всех изученных случаях доминирующий в живых организмах L-изомер аминокислоты обладал меньшей внутренней энергией. Это значило, что на синтез такого соединения требуется меньше энергии, чем для его правого собрата. Но на уровне молекул асимметрия электрослабых взаимодействий ещё менее ощутима, чем на уровне атомов. Мейсон и Трантер показали, что L-аминокислоты должны количественно превосходить D-аминокислоты в продуктах синтеза всего на 10–17. Такое ничтожно малое различие объясняет, почему в лабораторных реакциях выход L- и D-изомеров можно с высокой точностью считать одинаковым. Во всяком случае, вычисленное различие не даёт объяснения реальной 100%-ной зеркальной асимметрии аминокислот, сахаров и других молекул всех известных организмов. Может, причина асимметрии биологических молекул кроется не в процессах их исходного синтеза, а в разной устойчивости энантиомеров к радиоактивному излучению? Поскольку бета-лучи обладают хиральностью, по вычислениям Хегстрёма, их разрушающее действие на левые и правые аминокислоты отличается примерно на 10 –11. Эксперименты А. Рича и Дж. Ванхауза с коллегами показали, что различие устойчивости энантиомеров аминокислот к бета-излучению, если и существует, то не превышает 10–9 [Хегстрём, Кондепуди, 1990]. Но если бы оно и подтвердилось, до 100%-ной асимметрии отсюда очень далеко. Другими словами, расчёты и опыты показали, что сверхмалая зеркальная асимметрия вещества Вселенной ещё не объясняет феномена полной асимметрии живых существ на молекулярном уровне. Законы Природы способны объяснить это явление только при условии, если обнаружится некий усилительный механизм, превращающий ничтожное, запороговое преимущество одних энантиомеров над другими в их всеобщую, глобальную победу. Нельзя не отметить и другие возможные пути нарушения равенства левых и правых молекул в природных условиях. Например, Л. Пастер проводил эксперименты по получению оптически активных веществ при реакциях в быстро вращающихся трубках. Эти опыты успеха не принесли. Однако в 1980 г., Р. Догерти сообщил о регистрации небольшой оптической активности веществ, полученных при реакции во вращающемся сосуде, а также при реакции в магнитном поле. Эти данные вызвали оживлённую полемику. Некоторые учёные считают, что в гравитационном поле асимметрический синтез во вращающемся сосуде принципиально невозможен, хотя возможен в постоянном электромагнитном поле, но поле Земли для этого слишком слабо. Зато не вызывает сомнений нарушение хирального равновесия при синтезе веществ на поверхности кристаллов оптически активного кварца, как катализатора. Экспериментально доказано также получение оптически активных веществ при синтезе в среде, где „закрученность” создавалась чисто механическим способом. Это было показано при фотосинтезе гелиценов, помещённых в оптически неактивную нематическую фазу (т.е. в одну из жидкокристаллических сред), ориентация которой задавалась направленной полировкой пластинки [Потапов, 1988]. Показано, что адсорбция молекул даже на поверхности оптически не активного кристалла нарушает равноправие энантиомеров по отношению к химическим реакциям. Наконец, показано, что сдвиг фотосинтеза в сторону одного из энантиомеров происходит под влиянием циркулярно-поляризованного света. Таким же путём может быть вызван 4.2.2. Гипотеза о хиральной катастрофе 7 преимущественный распад одного из энантиомеров. Известно, что циркулярнополяризованный свет широко распространён в природе – это свет, отражённый от любой гладкой (например, водной) поверхности. Правда, возникающие нарушения равновесия энантиомеров довольно малы. Чтобы продемонстрировать их, эксперимент проводился над гелиценами, удельные вращения которых так велики (десятки тысяч градусов), что наблюдаются даже при ничтожной оптической чистоте, характерной для фотохимических асимметрических синтезов. Можно сделать вывод, что сдвиги равновесия в сторону одного из энантиомеров возникают в Природе многократно и по разным причинам. Но они всегда невелики, могут происходить как в одну, так и в другую сторону, и не объясняют полного отсутствия определённых энантиомеров в биологических объектах. * * * Загадка нарушения симметрии биологических молекул не даёт спать многим ученым. Для объяснения этой несуразности Л.Л. Морозов сформулировал в 1979 г. предположение о „хиральной катастрофе”, якобы прекратившей жизнь, использующую правовращающие аминокислоты и левовращающие сахара, но не затронувшую другую ветвь эволюции – с левовращающими аминокислотами и правовращающими сахарами [Morozov, 1979, Морозов, 1984]. В дальнейшем эта идея была проанализирована и развита В.А. Аветисовым, В.И. Гольданским и В.В. Кузьминым [Гольданский, Кузьмин, 1989; Аветисов, Гольданский, 1989]. Но гипотеза о „хиральной катастрофе” не прояснила, как бы это могло произойти. Она даже не указала, где искать подобное событие – на предбиологической или на биологической стадиях эволюции. В обоих случаях гипотеза наталкивалась на серьёзные противоречия. Применительно к предбиологическому этапу эволюции, трудности гипотезы „хиральной катастрофы” в неправдоподобности условий, нужных для такого события. Например, Ф. Франк (1953 г.), чтобы объяснить наблюдаемую картину, предположил, что каждый тип молекул (каждый энантиомер) в растворе способен к самовоспроизведению, при чём присутствие одного из них уменьшает скорость создания молекул другого типа. Иначе говоря, по модели Франка, между молекулами происходит межвидовая борьба за существование, как если бы они были живыми организмами, чего в химии никогда не наблюдалось. По механизму, предложенному Д.К. Кондепуди и Дж. Нельсоном на основе идей модели Ф. Франка, для возникновения „хиральной катастрофы”, т.е. для перехода раствора от равного количества L- и D-изомеров к полному преобладанию одного из них, требуется выполнение ряда, прямо скажем, не похожих на реальность условий. Резервуар должен иметь площадь не менее 10 кв. км при глубине в несколько метров, должен существовать более или менее стабильный приток исходных веществ реакции, но недопустима смена раствора, он должен всё время хорошо перемешиваться по всему объёму, и так должно продолжаться не менее 50-100 тысяч лет. При описанных условиях, по расчётам Кондепуди – Нельсона, с вероятностью 98% почти все молекулы конкретной синтезируемой аминокислоты из-за асимметрии электрослабых взаимодействий (в предположении, что эти взаимодействия действительно благоприятствуют образованию L-изомеров) должны оказаться левовращающими. Легко заметить, что под указанные требования не подходят ни река, ни озеро, ни морской залив, ни открытый океан, ни, наконец, кальдера вулкана. К тому же, большинство исследователей полагает, что для образования исходных веществ синтеза аминокислот нужны такие сильные воздействия, как грозы, извержения вулкана и т.п. Можно ли считать, что 100˙000 лет подряд над избранным бассейном будут греметь грозы или литься лава? Невероятно, чтобы предбиологическая эволюция протекала только в одном месте земной поверхности (тем более, что некоторые факты говорят о возникновении жизни в Первичном океане). Если бы в каком-то из очагов и произошла „хиральная катастрофа” по 8 ПРОБЛЕМА ЕДИНСТВА БИОХИМИИ предложенной модели, если бы исчезли правые аминокислоты, то почему они должны исчезнуть на всей планете? Почему не согласиться, что наряду с зоной, где правые аминокислоты исчезли, должно существовать множество других участков, где они сохранятся? Да и там, где произошла „хиральная катастрофа”, через какое-то время могут нарушиться условия „катастрофы” и снова возникнет рацемический раствор, дающий основу, как для „левой”, так и для „правой” жизни. (Рацемический раствор – оптически неактивный раствор, где левые и правые молекулы находятся в равных количествах.) Иначе говоря, гипотеза о локальной „хиральной катастрофе” на предбиологической стадии не решает проблемы. Показав, как могут исчезнуть правые аминокислоты в одном из материковых бассейнов и на одном непродолжительном отрезке геологической истории, такая гипотеза не способна объяснить полное отсутствие правых аминокислот во всей биосфере. Кроме того, детальный анализ В.А. Аветисова, В.В. Кузьмина и С.А. Аникина [Avetisov et al., 1987], показал некорректность модели Кондепуди – Нельсона. * * * Если предположить, что „хиральная катастрофа” произошла на более поздней, биологической стадии эволюции, то следует рассмотреть два варианта: а) „левые” и „правые” аминокислоты (и другие молекулы) совместно существуют во всех организмах; б) одни организмы построены из молекул одной хиральности, а другие – другой хиральности. Как оказалось, первый случай нереален. Эксперименты показали невозможность жизни клетки, молекулы которой (белки, ДНК и др.) построены из смесей L- и D-изомеров. Например, цепочки смешанных L- и D-аминокислот не позволяют образовать в структуре белка правильную -спираль, что исключает возможность выполнения белком его каталитической функции (функции фермента). Но даже если бы организмы из смесей L- и Dизомеров возникли, т.е. „правые” аминокислоты оказались бы полноправными компонентами всего живого, тогда их исчезновение при „хиральной катастрофе” уничтожило бы, практически, весь живой мир. Представьте себе, что в организме вдруг исчезло бы 30-40% его вещества. Смог бы он после этого существовать? Второй случай – разные хиральности в разных организмах. Здесь (как, впрочем, и в предыдущем варианте) непонятно, что может избирательно уничтожить на планете все разнообразные организмы одной хиральности, сохранив мир другой хиральности. Тут не удаётся апеллировать к конкурентной борьбе за существование, потому что конкуренция внутри одной хиральности должна быть неизмеримо сильнее, чем между разнотипными организмами, непригодными друг для друга в качестве пищи. В тропических лесах Земли разнообразие растительности так велико, что не удаётся встретить рядом два дерева одного вида. Кардинальные различия в биологии организмов и разная степень приспособленности к местным условиям не мешают существовать в джунглях бок о бок многим видам растений, насекомых, пресмыкающихся, млекопитающих и т.д. Почему же вдруг должны были исчезнуть менее антагонистичные к нашему миру растения и животные с другой хиральностью молекул? Странно. Непонятно. Таким образом, сегодняшняя наука не видит естественных причин, хотя бы гипотетически объясняющих 100%-ную молекулярную асимметрию организмов. По современным данным, естественное возникновение жизни на Земле не могло привести к наблюдаемой картине, не могло создать жизнь только с левыми аминокислотами в белках и только с правыми сахарами в нуклеиновых кислотах. Что-то здесь не так! 4.2.3. Удивительна не только хиральность 4.2.3. Удивительна не только хиральность 9 Ситуации, когда загадка кажется неразрешимой, встречаются не только в науке. В таких случаях пытаются подойти к проблеме с иной стороны. Например, криминалисты спрашивают себя – а кому это выгодно? Не задать ли такой же вопрос и нам? Может ли случиться, что любой, но один вариант хиральности биологических молекул чем-то лучше, выгоднее, чем одновременное существование двух вариантов? Конечно, выгоднее! Однотипная хиральность молекул, объединяющая всю биосферу, ускоряет темпы эволюции по сравнению с развитием двух переплетающихся, но чуждых, не взаимодействующих вариантов жизни, уменьшающих каждому среду обитания вдвое. Интересно, а нет ли других похожих явлений? Не просматривается ли более широкая тенденция к стандартизации фундаментальных основ земной жизни, к повышению её внутреннего родства, уменьшению изоляции между разными группами организмов, а в итоге – к повышению скорости эволюции? Оказывается, да! Факты подтверждают такое предположение. Ряд известных закономерностей складывается в чёткую тенденцию. Существование одного, а не двух вариантов хиральности биологических молекул – лишь частный случай более общего явления – стандартизации, сокращения вариантности земной биохимии в целом. Например, ещё заметнее ограничение вариантности, заметнее стандартизация набора аминокислот. Известно, что наиболее важным классом биологических соединений являются белки. Они служат и строительным материалом, и высокоактивными, строго избирательными катализаторами всех биохимических реакций, и преобразователями одних видов энергии в другие, и проч., и проч. Они настолько важны, что Ф. Энгельс даже саму жизнь определял как способ существования белковых тел. Особенностью белков является то, что при поразительном многообразии строения и свойств, все они синтезируются одними и теми же молекулярными машинами – рибосомами – и по совершенно одинаковой технологии – соединением в цепочку заданной последовательности аминокислот. „Голова” одной аминокислоты соединяется с „хвостом” предыдущей и процесс продолжается, пока ни поступит сигнал о завершении синтеза данной белковой молекулы. Затем начинается синтез следующей молекулы. „Известны сотни аминокислот, но в белках обнаружено только 20.” [Айала, Кайгер, 1988] В метеорите, упавшем в 1969 году в Австралии (и по месту падения названном „Мэрчисон”) обнаружено свыше семидесяти различных аминокислот. Но во всех организмах, известных на Земле, и даже в вирусах, которые не считаются организмами, для построения белков используется один и тот же набор из 20-ти аминокислот, перечисленных в таблице F. Таблица F. Аминокислота Аланин Аргинин Аспарагин Аспарагиновая кислота Валин Гистидин Глицин Глутамин Глутаминовая кислота Изолейцин Лейцин Лизин Метионин Трёхбуквенное обозначение Ala Arg Asn Asp Val His Gly Gln Glu Ile Leu Lys Met Однобуквенное обозначение A R N D V H G Q E I L K M ПРОБЛЕМА ЕДИНСТВА БИОХИМИИ 10 Пролин Серин Треонин Триптофан Тирозин Фенилаланин Цистеин Pro Ser Thr Trp Tyr Phe Cys P S T W Y F C Если считать, что из сотен известных аминокислот, кроме 20-ти использованных, ещё как минимум 5 потенциально пригодны для включения в состав белков, то возможность замены в стандартном аминокислотном наборе только одной аминокислоты позволила бы появиться ещё сотне вариантов аминокислотного набора. При замене двух аминокислот – появилось бы приблизительно 10000 вариантов, трёх – миллион вариантов и т.д. Увеличение количества аминокислот в наборе свыше 20-ти (а имеющийся генетический код мог бы закодировать 64 объекта или, за вычетом сигналов „старт” и „стоп”, 62 аминокислоты) тоже резко увеличило бы число возможных вариантов. Однако что-то не пропустило эти варианты в реальную жизнь. Нет причин думать, будто другие варианты аминокислотного набора сразу же, изначально не возникали в ходе предбиологической эволюции. На каком же этапе и почему жизнь отмела их, строго ограничила себя именно этими двадцатью аминокислотами? Интересную ситуацию создаёт в этом смысле упоминавшееся обнаружение свыше семидесяти разных аминокислот в метеорите „Мэрчисон”. С одной стороны, это может свидетельствовать о существовании в каком-то другом мире организмов с несколькими вариантами биохимии и различными наборами аминокислот или, как минимум, с одним, но не таким, как на Земле, а другим вариантом, использующим более семидесяти аминокислот. С другой стороны, это может говорить просто о способности абиогенных процессов создавать все эти аминокислоты как исходные вещества для биологической эволюции. Но в обоих случаях этот факт ставит под вопрос любые „естественные” ограничения аминокислотного набора земной биохимии. Даже в свете одного этого факта наши всеобщие 20 аминокислот выглядят совершенно противоестественно. Здесь ещё нагляднее, чем в картине хиральности молекул, проявилось непонятное ограничение возможностей естественных процессов. Как ни подумать, что и в этом случае действовал таинственный механизм, ограничивший хаотичность, преследовавший определённую цель – от самого начала земной биологической эволюции?! 4.2.4. Гипотеза о „бутылочном горлышке” Серьёзные раздумья вызывают также генетический алфавит и генетический код. Например, трудно допустить, чтобы в природе не существовали другие „буквы” для записи генетической информации кроме четырёх нуклеотидов ДНК (и РНК). Надо думать, это не единственный возможный способ хранения информации на молекулярном уровне. Даже если ограничиться только рибонуклеиновыми и дезоксирибонуклеиновыми кислотами, то и тогда трудно поверить, что кроме аденина, гуанина, тимина (или урацила) и цитозина не могли быть использованы какие-то другие молекулярные „буквы”. Например, кроме аденина и гуанина могло бы использоваться другое пуриновое основание – ксантин (2,6-диоксипурин). Гипоксантин, образующий уотсон-криковскую пару с цитозином, мог бы служить для записи информации в ДНК вместо гуанина. Экспериментально показано, что урацил можно заменить 5-фторурацилом. Наконец, показано, что вместо ДНК в качестве матрицы для синтеза РНК могли бы быть использованы остатки тимидиловой кислоты и т.п. [Страйер, 1985]. Хотя возможность иных вариантов подтвердилась в ряде аномалий, ни один из них не проявился в самостоятельной ветви жизни. Д. Ледерберг в своей нобелевской лекции говорил: 4.2.4. Гипотеза о „бутылочном горлышке” 11 „Во всём живом мире мы видим один и тот же набор структурных единиц, из которых строится каждый организм, – аминокислот, коферментов, нуклеотидов, углеводов и т.д. То же самое имеет место и в отношении основных процессов биосинтеза и энергетического обмена. Особый интерес представляют поэтому исключения из общего правила – полные смысла признаки биологической индивидуальности, например, замещение цитозина оксиметилцитозином в ДНК фага Т2 [Cohen, 1956; Гершкович, 1968].” К настоящему времени в нуклеиновых кислотах (в частности, в так называемых транспортных РНК), кроме оксиметилцитозина, обнаружен и ряд других редко встречающихся оснований, которые по этой причине названы минорными. К ним можно отнести псевдоуридин (гликозидная связь находится не в первом, а в пятом положении), Nдиметилгуанин, 2- и 4-тиоуридин, дигидроуридин и другие основания [Мусил и др., 1984]. Возможно, минорные основания как раз и являются слабыми отголосками других, существовавших когда-то (а может, существующих где-то и поныне) „алфавитов” генетического кода. Однако здесь редкие исключения лишь подчёркивают силу общего правила. Ни один из известных организмов (фаг к организмам не может быть отнесен) не имеет существенных отклонений от единого, распространённого на Земле варианта генетического кода. Интересно, что если бы вместо двух комплементарных пар нуклеотидов применялись три пары (вместо четырёх „букв” – шесть), то на запись генетической информации затрачивалось бы в полтора раза меньше вещества (каждая аминокислота кодировалась бы не триплетом нуклеотидов, а двумя нуклеотидами). В ходе предбиологической эволюции неминуемо должны были возникать варианты жизни не только с другой хиральностью молекул и с другими наборами аминокислот, но и с другими „алфавитами” генетического кода. Тот факт, что среди известных биологических видов нет других вариантов кода, исключительно важен для правильного понимания развития Жизни во Вселенной. Он означает, что существуют неизвестные нам ограничивающие факторы, что в развитие известной нам Жизни где-то оказался вклиненным процесс выбора единственного варианта из множества возможных! Характерно, что выбран не самый простой, а с другой стороны – далеко не самый совершенный из возможных вариантов. Например, как отмечено, плотность генетической памяти могла быть повышена в полтора раза путём использования шести нуклеотидов вместо четырёх, но такая возможность не использована. Не использована также возможность расширения набора аминокислот свыше 20-ти. Почему? Это нужно осмыслить! Чтобы не слишком затруднять восприятие читателями этого сложного материала, автор не рассматривает возможность существования иных, более экзотических вариантов биохимии, например, таких, в которых место аминокислот занимают другие радикалы, соединённые в цепочки, наподобие белков. Известно, что РНК способны образовывать двухцепочечную структуру, проявляющуюся в многочисленных шпильках палиндромов РНК и в двухцепочечной РНК (вместо ДНК) некоторых вирусов [Страйер, 1985]. Не являются ли такие вирусы слабыми отголосками другой жизни, в которой роль ДНК выполняет двухцепочечная РНК? Наконец, возможность гибридизации одноцепочечных нитей РНК и ДНК в двойную спираль [Страйер, 1985] указывает на принципиальную возможность существования форм жизни и с таким смешанным типом наследственного материала, хотя, как и при других отличиях, это, конечно, требует иных ферментов, иной организации ряда биохимических процессов. * * * Данные о принципиальном ограничении вариантности симметрии молекул, набора аминокислот и генетического алфавита производят очень сильное впечатление. Но они совершенно бледнеют по сравнению с аналогичной проблемой единства генетического кода. Ведь даже в рамках существующего алфавита и набора аминокислот, генетический код мог иметь фантастическое количество вариаций. Однако их нет! Всё живое на Земле, от вирусов ПРОБЛЕМА ЕДИНСТВА БИОХИМИИ 12 до человека, пользуется одинаковым генетическим кодом. По словам удивлённого Ф. Крика, „единообразие генетического кода выглядит так, будто жизнь входила через узкое бутылочное горлышко”. (Выражение „бутылочное горлышко” не является для биологов художественным образом. В генетике популяций оно служит укоренившимся термином, обозначающим период, когда многочисленная в прошлом популяция сократилась до небольшого числа особей, ставших затем основой возрождения популяции.) Каждая из аминокислот закодирована в РНК тройками („триплетами”) из четырёх отобранных нуклеотидов – урацила (U), цитозина (C), аденина (A) и гуанина (G), как это показано в таблице G. Код метионина AUG одновременно является частью сигнала инициации белкового синтеза или сигнала „старт” (т.е. на кодирование сигнала ”старт” затрачивается более чем один триплет.). Таким образом, код обслуживает 22 информационные позиции – 20 аминокислот и два служебных сигнала – „старт” и „стоп”. Поскольку из четырёх типов нуклеотидов можно сложить 64 комбинации по три, то код получился избыточным. Соответственно, многие аминокислоты (и сигнал „стоп”), как видно из таблицы, могут кодироваться разными триплетами. Однако это не нарушает однозначности кодирования. Таблица G. Общий генетический код Первое основание U C A G Второе основание U C A G Третье основание Phe Phe Leu Leu Leu Leu Leu Leu Ile Ile Ile Met Val Val Val Val Ser Ser Ser Ser Pro Pro Pro Pro Thr Thr Thr Thr Ala Ala Ala Ala Tyr Tyr Стоп Стоп His His Gin Gin Asn Asn Lys Lys Asp Asp Glu Glu Cys Cys Стоп Trp Arg Arg Arg Arg Ser Ser Arg Arg Gly Gly Gly Gly U C A G U C A G U C A G U C A G Легко представить себе, что если в существующем коде, например, триплет CUA кодирует лейцин, а триплет CAU – гистидин, то ничуть не хуже был бы код, в котором, наоборот, CUA кодировал бы гистидин, а CAU – лейцин. Число N возможных вариантов такого кодирования подсчитывается так же, как число вариантов расселения n гостей в n комнатах гостиницы и выражается формулой N = n! (n факториал). В данном случае n = 64, т.е. нужно вычислить факториал 64-х. Поэтому возможных вариантов генетического кода оказывается больше, чем атомов в нашей планете! Трудно вообразить ситуацию, представить себе причины, почему бы в разных точках „первичного бульона” земных морей при зарождении жизни возникал одинаковый генетический код. С другой стороны, легко понять, как трудно развивалась бы жизнь в хаосе несовместимых генетических кодов! Сегодня мы можем лишь констатировать, что какая-то причина, событие или механизм установили единственный код РНК из невообразимого 4.2.4. Гипотеза о „бутылочном горлышке” 13 множества возможных вариантов и тем помогли биологической эволюции (по крайней мере, в расширении возможностей гибридизации). Конечно, разные варианты хиральности, аминокислотного набора, генетического алфавита и кода могут быть не равноценными, например, по внутренней энергии молекул. Существуют отличия в экономичности использования редких химических элементов, в „потребительских” качествах и т.д. Но и с учётом различий между вариантами, безоговорочная победа „нашего” варианта биохимии на всей поверхности Земли выглядит и неожиданной, и ничем не объяснимой. Ведь кроме существенно отличающихся от победившего варианта, среди исходного многообразия должны были встречаться и очень близкие к нему! Общая ситуация похожа на ту, что мы видели в отношении хиральности молекул. Действительно, разные хиральности аминокислот неравноценны. Но различие между ними теоретически составляет менее 10–11, а в эксперименте – менее одной миллиардной, определяемой чувствительностью опыта, что не опровергло теорию. Такая разница между вариантами отнюдь не объясняет 100%-ную победу одной из хиральностей! Победа существующего генетического кода ещё менее объяснима. 4.2.5. Кто узаконил „энергетическую валюту”? Во всей земной жизни существует ещё одна общая черта. Все земные организмы используют в качестве универсального переносчика энергии одну и ту же достаточно сложную молекулу аденозинтрифосфата (АТФ). Неужели невозможны другие молекулы с близкими свойствами?! Трудно поверить. Распространено представление, будто АТФ выбран Природой, поскольку является наиболее эффективным энергоносителем. Но это мнение неверно. Даже в том урезанном варианте биохимии, который существует на Земле и использует энергию фосфатных связей, известны молекулы с более высокими энергетическими свойствами. „Различные другие соединения в биологических системах имеют высокий потенциал переноса фосфатной группы. Некоторые из них, такие как фосфоенолпируват, ацетилфосфат и креатинфосфат обладают более высоким потенциалом переноса фосфатной группы, чем АТФ” [Страйер, 1985] Но, если АТФ не является рекордсменом, то чем же объясняют биохимики его 100%-ную победу над всеми конкурентами? Объясняют тем, что энергетический потенциал АТФ оказался наилучшим компромиссом для противоречивых сил естественного отбора при выработке биохимии организмов. Во всех организмах – у животных, растений, грибов, микоплазм и т.д. – один и тот же наилучший компромисс? Снова-таки, трудно поверить! * * * Между пятью рассмотренными явлениями, пятью единствами – хиральности, аминокислотного набора, генетического алфавита, кода и энергоносителя – есть много общего. Все они: – касаются жизни на Земле; – полностью проявили себя уже к моменту расселения первых примитивных клеток; – своей одновариантностью противоречат общему широкому разнообразию форм жизни и ожидаемым результатам предбиологической эволюции; – все они полезны, поскольку уменьшают противоречивость биологической эволюции, и тем ускоряют её. В каждом случае победивший вариант, действительно, мог чем-то незначительно превосходить остальные. И всё-таки, при поразительном богатстве проявлений Жизни это не объясняет полного отсутствия других вариантов. Сложилась парадоксальная ситуация – широчайшее, невообразимое разнообразие Жизни на уровнях клеток, тканей, органов, 14 ПРОБЛЕМА ЕДИНСТВА БИОХИМИИ организмов и популяций, и здесь же, жёсткое ограничение единственным вариантом биохимии! Для удобства изложения введём объединяющий термин. Общие параметры земной биохимии – хиральность аминокислот и сахаров, используемый набор аминокислот (перечисленный в гл. 4.2.3.), нуклеотидный алфавит и код РНК и ДНК (указанные в гл. 4.2.4.) и АТФ в качестве „энергетической валюты” – назовём биохимическими константами Земли. Заметим, что в биохимической константности, как и в других перечисленных фактах, нет прямого нарушения законов Природы. Наблюдается лишь резкое отклонение от ожидаемых вероятностей событий. Невероятно, чтобы Жизнь пренебрегла половиной питательных веществ только потому, что у них „не та” хиральность. Невероятно, чтобы повсеместно протекающая предбиологическая эволюция всюду предложила Жизни одинаковый набор аминокислот, одинаковый генетический алфавит, наконец, сформировала совершенно одинаковый генетический код и выработала (в неживой Природе его нет) один и тот же энергоноситель. Невероятно, чтобы, рядом с сохранением от начала жизни примитивных видов клеток, не сохранилось никаких следов эволюции биохимии – ни предшествующего набора аминокислот, ни прошлых, более простых вариантов генетического алфавита и кода. И уж вовсе невероятно, чтобы на одной и той же планете случайно объединилось столько невероятных событий! В такой ситуации, ни о какой случайности и речи быть не может. Должна существовать вполне материальная причина невероятных совпадений, которую нужно найти. А пока мы вправе заключить следующее. В начале земной биологической эволюции произошло резкое нарушение ожидаемых вероятностей процессов, ограничившее всю биохимию единственным вариантом хиральности молекул, набора аминокислот, энергоносителя, генетического алфавита и кода, чем была ускорена последующая эволюция организмов. Ту же мысль можно выразить иначе. Жизнь на Земле, с самого начала, выглядит как результат проведенной где-то за её пределами тщательной предварительной селекции, устранившей все прочие варианты биохимических констант. Напомним, что выбранный вариант отнюдь не явился пределом биохимического совершенства. Не повышена плотность генетической памяти путём использования шести нуклеотидов – они позволили бы „дуплетом”, а не триплетом нуклеотидов кодировать 36 позиций (скажем, 34 аминокислоты, а также сигналы „старт” и „стоп”). Не расширен ассортимент аминокислот до 62-х (или хотя бы до 34-х, при „дуплетном” кодировании). Не использована более эффективная „энергетическая валюта”, чем АТФ, и т.д. Иначе говоря, эволюция биохимии остановилась на одной из промежуточных стадий, что требует с нашей стороны глубокого осмысливания и объяснения. И этот факт сочетается с несомненной пользой от унификации биохимии, поскольку единство биохимических констант на всей планете ускорило эволюцию организмов. Когда обнаруживается необъяснимое нарушение вероятностей естественных процессов, причём нарушение, приносящее определённую пользу – как это ни сопоставить с удивительной способностью живой материи изменять вероятности событий в своих интересах! Способностью, которая наиболее ярко выражена у разумных существ ... Выходит – нужно искать связь событий с действиями разумных существ. Действительно, можно предположить, что остановка эволюции биохимии на промежуточном варианте объясняется именно появлением разумных существ. Вероятно, после рождения простейшего варианта генетического кода, его дальнейшее совершенствование протекало очень медленно, многие миллиарды лет, а параллельно шёл общий процесс биологической эволюции. Когда эволюция достигла уровня разумных существ, и они осознали свою ответственность за дальнейшую судьбу Жизни в Космосе, наступил ответственный период посева Жизни на планетах других звёзд. По сравнению с Error! Reference source not found. 15 очень долгой эволюцией генетического кода, этот период оказался значительно короче, за этот период биохимические константы, практически, не изменялись. Хотя на планете „Отцов”, вероятно, ещё существовали формы жизни с другими биохимическими константами, был сделан естественный выбор в пользу „посева” на других планетах только одного варианта биохимии – наиболее „родного”, присущего самим разумным существам. Последующий раздел
