Вместо того, чтобы утомлять читателя однотипным комментарием, посвящая его номеру очередной главы, который соответствует одному и тому же числу в очередной системе счисления, Автору кажется гораздо выигрышней сразу представить это число общей таблицей в серии систем с основаниями от 1 до 20 (крупный шрифт — десятичные числа n, соответствующие числу 111в системах счисления, основания которых, P, обозначены мелким шрифтом):
Таблица, естественно, открывается числом 1. Система счисления с основанием 1 системой в принятом смысле, вообще говоря, не является. Число 1111 в такой «системе» графически означает всего лишь десятичную тройку (3=1+1+1), соответствующую тройке римской — III(числу без разрядов). Таким же образом десятичному 111 соответствуют сто одиннадцать символов 1, представленных также без всяких разрядов, поскольку символа ноля в «сингулярной» (унарной) системе нет. Вот как оно выглядит (для удобства восприятия это число изображено тремя равными строками по 37 единиц):
1111111111111111111111111111111111111 1111111111111111111111111111111111111 1111111111111111111111111111111111111
Обратив, таким образом, внимание на число 1 и вспомнив о прошлом человечества, когда сингулярная системасчисления была и единственной, и единственно возможной, Автор и главу эту хотел было обозначить приведенным трехстрочным числом. Но ни три римские цифры, ни три строки цифр арабских не показались ему уместными или «соответствующими» в контексте рассказа, и он ограничился «одноразрядным» числом, графемой(или нумералом) 1. Да и навязчивым быть не хотелось со своими предпочтениями — до поры, до времени.
Мы уже упоминали об особенности четверичного числа 1114 (21) — способности делиться без остатка на три. Такой же способностью обладает семеричное число 1117(57) и десятичное 111 (системы с Р>10 мы здесь не рассматриваем). Наибольшие общие делители d каждого из этих чисел равны: 7 = 134, 19 = 257 и 37 = 3710. Делимость трехзначного числа в этих системах на d следует прямой (слева направо) пермутации: если на 37 (в системе P=10) делится, например, число 925, то тем же свойством обладают также числа 259 и 592 (но не 529 и не 295). Из этого следует делимость на 37 всех гомотриплетов — 111, 222, 333 и т.д. Те же рассуждения справедливы и в отношении чисел четверичной и семеричной систем. Владимир Щербак упоминает Луку Пачиоли, известного математика Возрождения, «изобретателя» бухгалтерского учета, друга и учителя математики самого Леонардо, которого «изумила цифровая симметрия десятичных чисел, кратных 37... Если одна из целей такой симметрии — привлечь внимание исследователя, то реакция Пачиоли говорит, что эта цель достижима». Привлечет ли такое же ИХ вниманиепозолоченная пластинка «Вояджера»?
Глава 211. Абиогенная (химическая) эволюция (VIII)
Гипотезы о происхождении жизни на Земле исходят в основном из двух предположений. Это либо гипотеза панспермии (что многих не устраивает, поскольку, как они полагают, лишь отодвигает событие в прошлое и не решает задачу), либо кажущееся гораздо более вероятным предположение о том, что на Земле земная жизнь и возникла. Варианта первой гипотезы мы коснемся позже (ему эта книга и посвящена), что до вероятного предположения, то его сторонники справедливо полагают, что его подтверждением может быть только эксперимент. Именно так считал и Виталий Гинзбург. «В настоящее время мы полагаем, — говорил он, — что знаем, из чего устроено все живое — из электронов, атомов и молекул[45]. Знаем строение атомов и молекул, а также управляющие ими и излучением законы. Поэтому естественна гипотеза о редукции — возможности все живое объяснить на основе физики, уже известной физики. Образование в условиях, царивших на Земле несколько миллиардов лет назад, сложных органических молекул уже прослежено, понято и смоделировано. Казалось бы, переход от таких молекул и их комплексов к простейшим организмам, к их воспроизводству можно себе представить. Но здесь имеется какой-то скачок, фазовый переход. Проблема не решена, и я склонен думать, будет безоговорочно решена только после создания „жизни в пробирке“». Две выделенные здесь фразы требуют комментария. Сложные органические молекулы, о которых говорится в первой из них, свидетельствуют, конечно, о прогрессе в обсуждаемой области, однако, это еще слишком простая сложность (прошу прощения за невольный каламбур), и ее для обозначенных целей совершенно недостаточно. Уровень сложности, необходимый для моделирования возникновения жизни, определяется не только сложностью самих молекул (то есть числом и разнообразием атомов, их составляющих). Эти молекулы должны объединяться в реакционные циклы и гиперциклы и катализировать их звенья. При этом они должны быть способны формировать цепочки (линейные полимеры), которые — в свою очередь — должны быть способны сохранять информацию и дублировать ее — с ошибками, частота которых не должна превышать значения, позволяющего лишь немного модифицировать исходный контент для отбора оптимального варианта. Ничего похожего в пробирке пока не создано. Совсем недавно удалось химическим путем «собрать» рибонуклеотид, один из четырех основных «кирпичиков», из которых «сделана» РНК. Очень долгое время и эту задачу решить не удавалось. Гинзбург определенно оценивал ситуацию более оптимистично, чем она есть. Второй комментарий касается создания «жизни в пробирке». Мы уже говорили, что в привычном смысле эксперимент по созданию жизни в пробирке, скорее всего, бесперспективен. Для этого требуются другие пространственные масштабы — как минимум, масштаб планеты или, скорее, планетной системы. Временные масштабы также придется увеличить: очень возможно, что для такого эксперимента потребуются те же 3-4 миллиарда лет. О том, что надо будет сделать экспериментатору, чтобы оценить результат своей работы, мы вспомним позже, а пока отметим, что чудовищные расстояния, отделяющие нас от планетных систем, где возможна иная жизнь, вполне могут служить эквивалентом стеклянной стенки пробирки, отделяющей мир экспериментатора от нашего собственного и надежно предупреждающей возможную взаимную контаминацию живым материалом.
Исследователи по-прежнему пытаются проследить, могли ли в первичной атмосфере молодой Земли возникнуть молекулярные компоненты жизни, повторяя классический эксперимент Гарольда Юри и Стэнли Миллера по поискам «сложных органических молекул» в сосуде, где воспроизводится эта атмосфера и внешние воздействия на нее, включая электрические разряды. И ее газовый состав, и другие компоненты среды постоянно модифицируют — в зависимости от последних о них представлений, а для поисков «сложных органических молекул» используют все более изощренные методы и приборы, с помощью которых в продуктах даже исходного эксперимента удается обнаружить такие продукты (аминокислоты), которых не могли найти его авторы.
Конечно, такой подход не может иметь целью создание «жизни в пробирке». До того, как в таком сосуде могут возникнуть хиральная чистота биомолекул, генетический код и первые клетки, пройдет не меньше времени, нежели требуется для случайного воспроизведения одной страницы Войны и мира из рассыпанного набора.
Виталий Гинзбург прав, как нам кажется, совершенно в другом. Его слова фактически означают, что как только возникнет возможность «полевой» проверки результатов «стендовых» экспериментов по воспроизведению отдельных этапов абиогенной молекулярной эволюции, которая в принципе могла привести к возникновению жизни, такая проверка будет осуществлена неизбежно. Так устроен разум. А пока — несмотря на «привилегированное положение» нашей планеты в пространстве и во времени, описанное в предыдущей главе, мы совершенно не представляем себе, как это — или какие еще условия — определили, скажем,хиральную чистоту биологических молекул и почему выбор пал на левовращающие аминокислоты и правовращающие сахара. Что такое хиральность, можно прочесть повсюду. Суть ее выражает зеркальная симметрия рук человека. Обе руки повторяют друг друга в деталях, но на правую руку не наденешь левую перчатку — и наоборот. Так же устроены и некоторые молекулы — например, молекулы тех же аминокислот и сахаров.
Продукты чисто химического синтеза тех и других всегда представляют собой рацематы, то есть смеси равных количеств лево- и правовращающих молекул, энантиомеров (оптически активных изомеров, вращающих плоскость поляризации влево или вправо). Продукты же их биологического синтеза гомохиральны — иначе структуры их полимеров будут произвольно нарушены, что приведет к безусловной утрате необходимых функций. Больше того, поскольку продукты реакции право- и левовращающихэнантиомеров исключительно с правовращающим веществом не являются зеркальным отражением друг друга, они имеют разные физические свойства, например, растворимость в воде, и значит, они могут быть отделены друг от друга. Другими словами, оптически неактивные реактивы производят оптически неактивные продукты — вследствие работы законов термодинамики. Для разрешения рацемата (то есть для разделения энантиомеров) в реакцию должно быть введено другое гомохиральное вещество.
Происхождение гомохиральностинеясно. Вероятность самостоятельного образования одного гомохирального полимера ничтожна; еще — и гораздо — ниже вероятность образования гомохирального полимера с определенной функциональной активностью. В принципе это означает, что процессы полимеризации, матричного копирования полимеров и формирования гомохиральности происходили одновременно и взаимосвязано, для чего потребовались весьма специфические — и в полном объеме пока неизвестные — условия, часть которых (в терминах мегамасштабных «естественных привилегий») описана выше. Таким образом, первые две из трех Великих Молекулярных Революций, приведших к возникновению жизни (1. Хиральность — 2. Генетический Код — 3. Клетка), совпадала по времени с двумя Большими Скачками, MajorTransitions, как их назвали Мэньярд Смит и Эорс Шатмари[46]:
возникновение генов (в рамках чего формировались машины полимеризации нуклеиновых кислот и машины копирования матриц) и
возникновение белков (в рамках чего формировались машины полимеризации белков и самое нуклеино-белковое кодирование).
Эти процессы должны были иметь планетарный масштаб: жизнь вряд ли возникла в одной лужице (или у единственного глубоководного термального источника), распространяясь затем по всей Земле и преодолевая «враждебное окружение». Скорее всего, сходные события имели место во многих местах, после чего — при соприкосновении друг с другом — они в некоторых случаях конкурировали, в других кооперировались в общую систему. Более того, эти процессы можно уже связывать с жизнью, поскольку гомохиральныене-биологические вещества рацемизируются со временем. «Неживая» химия обсуждаемых процессов имеет тенденцию к равновесию (то есть к смерти, а не к жизни).
Предложены самые различные гипотезы естественного возникновения гомохиральности биологических макромолекул, основанные на некотором нарушении равновесия энантиомеров в рацемате, обусловленном, например, их круговым дихроизмом, то есть неравным поглощении фотонов света правыми и левыми энантиомерами с последующим отбором, — или бета-распадом, который управляется слабым ядерным взаимодействием, обладающем небольшой хиральностью, называемой несохранением четности, — или самоотбором, который наблюдал еще Пастер, — или сильным магнитным полем и т.п. Ни одна из них не убеждает оппонентов, ни одна из нихне являетсявполне удовлетворительной для объяснения обсуждаемого феномена, который продолжает выглядеть счастливой случайностью. Невольно отмечаешь, что возникновение «молекул жизни» (гомохиральных, разумеется) привязано в этих гипотезах к поверхности планеты (гипотеза Опарина) или к ее атмосфере (гипотеза, проверке которой был посвящен эксперимент Миллера-Юри). Между тем, быстрота, с какой на Земле возникла жизнь (практически сразу после образования планеты), наводит и на другие предположения.
Так называемые «плотные молекулярные облака» в космосе — это, по земным меркам, сверхглубокий вакуум. Тем не менее, втаких облаках есть имолекулы, иорганическиевещества, ивозможность химических реакций. Виталий Гольданский предположил, что первичный органический синтез происходил именно в молекулярных облаках. По гипотезе Сванте Аррениуса, органическое веществовыпало на Земле вготовом виде. Объединенная гипотеза Аррениуса-Гольданского, тем не менее, также не выглядит удовлетворительной: химический синтез в молекулярных облаках, скорость которого чрезвычайно низка, не компенсирует разрушения продукта в условиях космоса. В то же время частички таких облаков чрезвычайно малы, и это открывает возможность для молекулярных флуктуаций.
Весьма любопытную гипотезу выдвинули Валерий Снытников и Валентин Пармон (http://evolution.powernet.ru/library/lifecreate.htm). Они предположили, что самоорганизация яляется таким механизмом воздействия протозвезды на свое окружение, который приводит к формированию одновременно и планет, и универсального природного каталитического реактора, в котором синтезируется органическое вещество. Это предположение авторы отслеживали в разработанных ими математических моделях. В основе самоорганизации лежит развитие коллективной неустойчивости, взаимодействие множества малых тел самого различного масштаба — от молекул до астероидов. Когда совокупная масса твердых тел в газе (т.е. в молекулярном облаке) начинает превышать определенную величину, коллективная неустойчивость движения этих тел и газа приводит к образованию разнообразных динамических структур (колец, спиралей, дисков, шаров и т.п.). Общая масса эта, концентрирующаяся вокруг протозвезды, увеличивается благодаря вращению всей системы, а локальное увеличение масс твердых тел происходит за счет слипания в газе вязких и рыхлых тел. Так происходит образование твердых катализаторов, содержащих в необходимой комбинации железо, кремний, никель в их природной распространенности. Поскольку в околозвездном облаке нет недостатка в субстратах катализа (окись углерода, водород и др.), начинают образовываться все более сложные органические молекулы. Все эти процессы радикально меняют характер неустойчивости. На фоне общей плотности появляются относительно стабильные сгустки вещества. Эти сгустки могут двигаться в самом произвольном направлении — подобно солитонам, одиночным волнам плотности. Оказалось, что давление газа в такой волне приближается к атмосферному земному, на два — и более — порядка превышая окружающее. Эта волна действует как саморегенерируемый (за счет протозвезды) каталитический реактор, температура которого остается более или менее постоянной — в силу охлаждения гелием, также сконцентрированным в этом сгустке (именно в таких условиях, считают авторы, и следует изучать синтез первичного органического вещества; они очень отличаются от условий обычных «земных» реакций типа эксперимента Юри-Миллера). Потенциально — как показывает моделирование — «космические солитоны» могут и разрушиться, но иногда они становятся"центрами кристаллизации" планет. При этом, двигаясь вокруг звезды, косимческий"солитон" теряет легкие составляющие — под действием солнечного ветра и деструктивного излучения. Далекие внешние планеты сохраняют первичные газы (и должны сохранять также первичную простую органику?). Более близкие к формирующемуся Солнцу «сгустки» собираются в планету, обогащенную тяжелыми и сложными органическими соединениями, которые могут служить субстратом для возникновения жизни (если она уже не зародилась — вместе с формированием хиральной чистоты молекул — до того, как сгусток приобрел вид первичной планеты). Образование планет из околозвездного облака в гравитационной физике детерминировано. Однако, место этого образования случайно. Там, где вода может находиться во всех трех фазовых состояниях — твердом, жидком и газообразном, — условия для возникновения жизни наиболее благоприятны.
Информация о том, как развивалась и что представляет собой наша Вселенная накапливается стремительно и так же стремительно обогащает наши представления о происхождении жизни. В одном только в 2009 году была сделана серия весьма крупных открытий. Самые громкие из них — открытие запасов воды на Луне, открытие абиогенного метана на Марсе, открытие на спутнике Сатурна Титане озер жидких углеводородов с сезонными движениями из полушария в полушарие, открытие там же так называемых криовулканов, которые извергают жидкую воду вместо магмы. За пределами Солнечной системы — это открытие все более легких планет, «суперземель», масса которых приближается к земной, а некоторые состоят из горных пород; открытие, вероятно, нового типа сверхновых (на слух астронома, новая сверхновая — никакой не каламбур) — небольшой массы и с некоторыми аномалиями содержания элементов. Каждая из этих находок может самым существенным образом изменить мир, каким мы видим его сегодня.
Однажды достигнутая — в результате первой Великой Молекулярной Революции — хиральная чистота, совершенно необходимая для надежной работы машин матричного копирования, должна была немедленно закрепиться в составе конкурентоспособных каталитических гиперциклов. Воспроизведение абиогенных условий, которые к ней привели — задача чрезвычайно нелегкая и еще очень далека от решения, хотя сегодня уже показана возможность синтеза целого класса биологически важных органических соединений с 80%-ым доминированием одного из энантиомеров. Очень важно, что один из применяемых при этом катализаторов — фотозависимый. Света в молекулярном облаке, где формируется описанный солитон, более, чем достаточно.
Как сформировалась клетка, результат третьей Великой Молекулярной Революции и единица сегодняшней самостоятельной жизни, — разговор особый. Так или иначе, но компартментализация молекулярных процессов, которую она обеспечивает, приводит к весьма серьезным селективным преимуществам — дискретности и недолговечности, в формате которых наиболее эффективны отбор (конкуренция) и кооперация — со специализацией отдельных элементов и последующей многоклеточностью. Однажды достигнутая, клеточная организация жизни быстро переиграла любую альтернативную и стала доминирующей. В этой книжке мы не будем говорить о происхождении клетки. Это происхождение — как и возникновение хиральной чистоты биологических молекул — было, по-видимому, неизбежным. Мы обсудим здесь предмет, на наш взгляд, гораздо более интересный, предмет, завораживающий своей красотой и своей регулярностью, предмет, сконструированный из реальных молекул, но так, что его свойства могут быть описаны в совершенно абстрактных терминах.
О второй Великой Молекулярной Революции (возникновении генетического кода), которая обеспечила колоссальные селективные преимущества обладателям операционной системой молекулярной памяти, не так легко сказать «однажды достигнутая». Возникновение хиральной чистоты — процесс практически одноактный — в том смысле, что она либо есть (и тогда жизнь оказывается возможной), либо ее нет. Возникновение компартментализации — в том же смысле — не имеет промежуточных этапов: она либо есть, либо ее нет. Существование какой бы то ни было клеточной стенки и ее дальнейшая эволюция — события принципиально одноплановые. Генетический же код — в том смысле, какой в это понятие вкладывают учебники — просто не мог возникнуть сразу, «однажды». То, что обычно называется кодом — это предмет договора, условность, вещь конвенциальная. В отношении генетического кода нет договаривающихся сторон, поэтому этот термин иногда характеризуется как метафора. Он должен быть совершенно естественным продуктом, предметом физикалистского подхода в рамках молекулярно-биологической аксиоматики. В то же время — и мы это увидим далее — его организация очевидно выходит за эти рамки. Кроме того, он относится к двадцати белокобразующим аминокислотам, и его возникновение должно было, таким образом, пройти, по крайней мере, двадцать шагов, каждый из которых должен был учитывать не только пройденный уже путь, но и каким-то образом сообразовываться с дальнейшими. Более того, совершенно неочевидна и химия этих процессов. Необсуждаемым в учебниках свойствам генетического кода и выводам, которые за ними могут стоять, и посвящена вторая часть этой книжки, для которой первая, заканчивающаяся следующей главой, — необходимое вступление).
.....................
Несколько слов о номере этой главы. Несмотря на обещание не касаться более ставших скучными рассуждений относительно числа 111, помещаемых в конец очередной главы, Автор — с массой извинений — еще один раз напоминает о нем. В четырнадцатиричной системе счисления (таблица в Главе 1[II]) этому числу соответствует информационная сигнатура 11114. Почему мы опять о ней вспомнили — да еще в такой экзотической системе счисления — автор попытается пояснить позднее.
Глава G. Переход к биогенезу (IX)
Описывая молекулярные события пост-абиогенеза, которые привели к появлению примитивных биологических машин, профессор Марчелло Барбьери[47] начинает с возникновения простейших из них — тех, что обеспечивали соединение однотипных молекул в полимеры; он называет их связывающимимашинами, bondmakers. Не знаю, как поточнее перевести на русский этот термин, назову его, например, коннектором. Но не в том смысле, какой вкладывается в понятие связующее звено, а в том, каким обозначается инструмент для связи таких звеньев. Например, инструмент, с помощью которого две маленькие свинцовые «таблетки» сплющиваются в пломбу, зажимающую две веревочки, целость которых свидетельствует о сохранности опломбированного груза, — не помню, он, кажется, называется пломбир? Так что bondmaker можно перевести и смешным словом пломбир.
Некоторые из этих молекулярных машин связывали аминокислоты, другие — азотистые основания, третьи — сахара и т.д. Поскольку рибосомальные РНК — и даже их короткие фрагменты — способны в эксперименте способствовать формированию пептидных связей, первыми коннекторамимогли быть именно молекулы РНК небольшого размера. Стоит помнить при этом два обстоятельства.
Во-первых, эти коннекторы работали как ко-факторы, то есть, как энзимы (или рибозимы, как их называют). Другими словами, одна и та же молекула рибозима могла использоваться многократно. В какой-то мере этот процесс удалось смоделировать Сиднею Фоксу[48], который соединил аминокислоты в короткие нерегулярные цепи, осуществивбезматричный синтез полипептидов; подобные полипептидные цепи были потом реально найдены, среди прочей простой органики, в метеоритном веществе.
Во-вторых, все эти Великие Молекулярные Революции, Большие Скачки и тому подобное — описывают события тех лет весьма условно. Рибозим мог работать как коннектор для полимеризации, скажем, нуклеотидов. Но ведь он и сам был молекулой нуклеотидного полимера! И должен был — совершенно по другой схеме — без предсуществовавшихконнекторов — собраться, случайно обладая пригодившейся позднее функцией. Событие, конечно, возможное, но еще раз показывающее весьма метафорический характер выражения Молекулярная Революция. Порядковые номера этих Революций и Скачков тоже не менее условны: всё происходило — в известном смысле — очень быстро и в общем плавильном котле, где уловить порядок событий было бы просто невозможно. РНК-мир, весьма вероятно, существовал какое-то время — до появления ДНК, — но и ему предшествовали масштабные события, о которых можно пока только гадать. Причем температура этого «котла» могла быть и низкой: многие рибозимы эффективно работают у точки замерзания воды — и даже ниже. Каким образом произошел сдвиг к миру РНК от абиогенно сформированных накануне каталитических гиперциклов, обладающих некоторыми свойствами живых систем? Как РНК стала участником таких самоподдерживающихся реакций, а затем и вовсе вытеснила конкурентов из биогенного мейнстрима, оставив появившимся много позднее, но совершенно очевидно в результате ее победы, исследователям только одни вопросы?
В 70-х годах ХХ века в клетках некоторых организмов были обнаружены ферменты белковой природы, которые включали в свой состав кроме белка ещё и молекулу РНК. Вначале считалось, что молекула РНК является в таких комплексах лишь вспомогательным элементом. Однако, вскоре было замечено, что даже после удаления белка из ферментативного комплекса оставшаяся РНК способна катализировать специфическую реакцию. Более того, даже искусственно синтезированная РНК, входящая в состав изучаемых ферментов, может самостоятельно катализировать эту реакцию. Молекулы РНК, способные к катализу, были названы рибозимами. За их открытие в 1989 году Томас Чек и Сидни Альтман были удостоены Нобелевской премии по химии. Были обнаружены молекулы РНК, способные нести генетическую информацию и одновременно катализировать химические реакции. РНК была объявлена родоначальницей доклеточной жизни.
Позднее было показано, что у всех организмов именно РНК, находящаяся в каталитическом центре рибосом, отвечает за главный этап в сборке белков — соединение аминокислот между собой. Открытие этого факта ещё более упрочило позиции сторонников РНК-мира. «Действительно, если спроецировать современную картину жизни на её возможное начало, разумно предположить, что рибосомы — структуры, специально существующие в клетке для дешифровки информации, содержащейся в нуклеиновых кислотах, и для производства белка, — возникли как комплексы РНК, способные к соединению аминокислот в одну цепочку. Так на основе мира РНК мог появиться мир белков». Функции РНК весьма многообразны. Они не только катализируют химические реакции, но и защищают клетки растений и низших животных от вторжения вирусов. У высших животных такие «малые РНК» могут участвовать в регуляции считывания генной информации с хромосом. В 1989 году нобелевский лауреат по химии Уолтер Гилберт ввёл в оборот выражение мир РНК, имея в виду полноценный, самостоятельный и способный к эволюции мир доклеточной жизни.
Теория РНК-мира, однако, полна противоречий. Сложность искусственного синтеза олигонуклеотидов заставила Фреда Хойла, известного британского астрофизика и «друга парадоксов», заявить, что идея РНК-мира «столь же нелепа, как и предположение о возможности сборки Боинга 747 ураганом, пронёсшимся над мусорной свалкой». Остатки первых примитивных клеток обнаруживаются в слоях, относящихся к периоду 3,5-3,8 млрд лет тому назад. Предположение же, что жизнь не могла зародиться раньше, чем 4 млрд лет назад, не оставляло времени для развития доклеточного РНК-мира. С этим согласились и такие сторонники (и основатели) гипотезы РНК-мира, как Чек и Оргел. Кроме того, было показано, что однонитчатая ДНК может служить даже лучшим ферментом, чем РНК. При этом ДНК гораздо более устойчива во внешней среде, что даёт ей немалое преимущество. Еще один доклеточный короткоживущий мир? Еще одна гипотеза — того же типа? Но есть и другие, и их множество.
Многие аспекты проблемы (термодинамика, упорядочивание, фрактальность и линейность живых систем)- описаны, например, в упомянутой выше книге Эрика Галимова (тоже, кстати, начатой в свободное время, то есть на больничной койке, но имеющей, в отличие от этой, скорее, характер монографии) и в других, опубликованных в разных странах. Не будем излагать все, отметим любопытные. Одна из гипотез — гидратная, как назвали ее авторы[49] — В.Е. Островский и Е.А.Кадышевич — предполагает, что простейшие элементы живой материи многократно образовывались и, возможно, сегодня образуются в недрах Земли из метана (или другого углеводорода), селитры и фосфата в полостях газовых гидратов. Авторы называют ДНК и РНК простейшими формами доклеточной живой материи,а азотистые основания исахара, которые входят в состав нуклеиновых кислот, — простейшими элементами живой материи. В такой терминологии вирусы «и даже вироиды», как они пишут, следует рассматривать как живые субстанции. Гипотезу составляют три предположения, которые ее авторы формулируют следующим образом:
В природе существуют трехмерные геометрические матрицы с полостями разных размеров, соответствующими размерам функциональных групп молекул ДНК и РНК, которые способны формировать сразу много молекул нуклеиновых кислот, сходных по строению, но различающихся по последовательности присоединения азотистых оснований. Матрицы довольно широко распространены в природе и строго детерминированы, но вместе с тем могут несколько видоизменяться в зависимости от окружающих условий. Глубоко под поверхностью земли условия гораздо стабильнее, чем на границе раздела фаз Земля/атмосфера, и это благоприятно для протекания длительных однонаправленных процессов.
В ячейках матриц изначально присутствуют атомы, которые в результате химических реакций с веществами, диффундирующими внутрь матриц, способны образовывать молекулы ДНК и РНК. Поэтому достаточно лишь одного добавочного вещества для синтеза азотистых оснований, рибоз и аминокислот и еще одного вещества — для синтеза нуклеиновых кислот и белков.
Монохиральность, присущая биологическим объектам, задана геометрией матриц, в которых образуются нуклеиновые кислоты.
Авторы исходят из того, что живая материя зародилась именно на нашей планете, а не в недрах Вселенной и что она возникла из неорганических и простейших органических веществ. Они полагают, что живая материя возникала многократно и, возможно, образуется и в наше время там, где есть подходящие условия и соседствуют необходимые исходные минеральные вещества. При этом они считают, что ДНК и РНК возникли одновременно и были локализованы в одних и тех же местах, причем таких мест было немало на протяжении истории Земли. Вначале возникли ДНК и РНК, затем белки, а не наоборот.
Как упоминалось, одни каталитические гиперциклы жестко конкурируют с другими, но для успешной конкуренции они должны обладать способностью воспроизводиться с некоторыми изменениями, закрепляемыми в дальнейшем. Другими словами, они должны обладать тем, что называется наследственностью и изменчивостью. Существуют ли такие гиперциклы? С определенными оговорками — как считает упоминавшийся уже Валентин Пармон — в качестве варианта такого автокаталитического цикла можно рассматривать знаменитую реакцию Бутлерова (описанную в 1864г).Эта реакция представляет собой синтез различных сахаров из формальдегида в слабощелочных водных растворах в присутствии ионов кальция. Реакция является автокаталитической, поскольку сахара одновременно выступают и в роли катализаторов. Большой набор синтезированных в ходе реакции сахаров — это не что иное, как прототип мутаций, которые определяют критические концентрации субстрата — формальдегида, при которых можно ожидать исчезновения автокатализаторов при понижении этой концентрации. В дальнейшем реакция будет идти, имея новые параметры. Другими словами, изменения («мутации») будут унаследованы новыми поколениями участников реакции.
Пармон полагает, что поскольку рибоза — это сахар, а фосфорные и азотные соединения, необходимые для построения нуклеотидов, присоединяются к ней без серьезных проблем и в дальнейшем формируют полимеры (с помощью коннекторовБарбьери), то именно сахара и есть основа всего живого. И именно молекулы на основе сахаров, а не нуклеотидов и аминокислот ответственны за биологическую память, то есть за отличие живого от неживого. И эти молекулы могли образоваться в ходе реакции Бутлерова.
Нельзя исключить, — говорит Пармон,- что реакция Бутлерова — не единственная автокаталитическая реакция, положившая начало естественному отбору и «жизни». Однако другие такие реакции пока не известны. Одним из очень привлекательных следствий описываемой гипотезы, которое отмечает ее автор, является то, что пребиотический бульон был, скорее всего, весьма разбавленным — только тогда начинаетсяэффективная конкуренция молекул автокатализаторов за субстрат. Кроме того, отмеченные выше «мутации» в реакции Бутлерова возникают весьма быстро — за считанные минуты. А это означает, что «первые прототипы живых объектов могли появиться буквально за миллионы или даже за сотни тысяч лет, а не за миллиарды — о чем и свидетельствует геология».
Не менее привлекательно выглядит предположение о гомохиральности биологических молекул — в рамках той же гипотезы: поскольку практически все сахараобладают свойством хиральности, первая же молекула автокатализатора (моносахарида), имевшая существенные «эволюционные» преимущества, быстро вытеснила остальные.
Пармон дает следующее (физико-химическое) определение сакраментального предмета, о котором мы здесь говорим: «жизнь — это фазово-обособленная форма существования функционирующих автокатализаторов, способных к химическим мутациям и претерпевших достаточно длительную эволюцию за счет естественного отбора». Однако, без информационной компоненты такое определение сразу же лишает смысла обсуждавшиеся выше вопросы о том, являются ли живыми вирусы (за пределами клетки-хозяина), споры бактерий, плазмиды или бумажные версии геномов живых существ. В то же время на вопрос, откуда берутся фазово-обособленные формы, у химиков есть довольно убедительный ответ: известно, что при каталитическом синтезенекоторых полимеров — например, полипропилена или полиэтилена — продукт формируется сразу в виде отдельной фазы -микрогранулы или глобулы, внутри которой работает катализатор, который и производитэти полимеры.
Если все происходило именно так, — заключает Пармон, — тогда РНК и ДНК образуются на любой планете, геологическая история которой сходна с историей Земли.
Отметим, что приведенная выше гипотеза объединяет, таким образом, две упомянутые Молекулярные Революции — возникновение хиральности и возникновение клеток. Поскольку возникновение генетического кода (вторая из трех Революций) вероятно— и мы это увидим — выходит за пределы химической трактовки, о нем мы поговорим отдельно, а пока вернемся к первому Большому Скачкумолекулярной эволюции Смита и Шатмари (происхождение генов). Следующим его этапом — после возникновения молекулярных коннекторов — стало формирование машин матричного копирования — copymakers, как их назвал Марчелло Барбьери, амплификаторов, как — тоже не слишком удачно — переведем на «русский» это слово мы. Копирование линейной матрицы — элементарный акт дупликации гена — первый шаг возникновения феномена наследственности. Если следующий Большой Скачок определяется как возникновение протеинов, то название первого — абсолютно неудачно. Гены, то есть информация для производства протеинов, не могут существовать отдельно от этих протеинов: информация термин не самодостаточный, а функциональный, предусматривающий определенную цель, самореализацию, прочтение. Два этих химически несравнимых мира — мир нуклеиновых кислот и мир протеинов — должны быть взаимно сопоставлены, чтобы один из них стал хранителем информации, а другой был организован в соответствии с этой информацией. Линейная запись информации, способная к матричному копированию (с некоторыми ошибками), идеально подходит для того, чтобы стать геном. Белковые молекулы, способные формировать разнообразнейшие трехмерные структуры, идеально подходят на роль ферментов (которыми в РНК-мире были куда менее эффективные рибозимы), а также других структур. Для сопоставления нуклеиновых белков и протеинов должны были возникнуть — и возникли — особые машины codemakers, в терминах Барбьери. Назовем их декодерами. Это слово подчеркивает не только простую причастность к чтению и реализации генетической информации, но и основную функцию этих молекул — ее дешифровку, то есть движение информации от гена, где она закодирована, к белку, который представляет расшифрованный текст. Что это за машины, и что это за феномен — генетический код, мы обсудим позднее. А пока...
.....................
...а пока поясним символ этой главы, и причину его выбора. Дело просто в том, что в мире нуклеиновых кислот латинская буква G символизирует одно из четырех азотистых оснований — гуанин (мы так и будем писать ее далее — прописью и курсивом). Это самое «тяжелое» основание (округленная молекулярная масса — 151) с химической формулой:
Дублет GG триплетного генетического кода контролирует синтез самой «легкой» аминокислоты — глицина, трехбуквенный символ которой — Gly (Гли — «по-русски»), а однобуквенный — а мы в дальнейшем будем использовать именно однобуквенные латинские символы (и будем писать их полужирным шрифтом в прописном варианте) — G. Ее округленная молекулярная масса — 75, а структурная химическая формула —
Наконец, если известную всем таблицу генетического кода представить «в плоском варианте (4×4)», то есть приняв во внимание только две первые кодирующие буквы и оставив, таким образом, только вертикальную (первые буквы кодонов) и горизонтальную (вторые буквы кодонов) координаты (выделены серым), а кодирущие буквы (азотистые основания) вдоль этих координат упорядочить по нарастанию молекулярных масс, то глицин G, кодируемый дублетом GG, займет шестнадцатую клетку (в правом нижнем углу таблицы):
Десятичное число 16 в системах счисления с основаниями, большими, чем 16, записывается символом G (который в данном случае является цифрой, а не буквой). Пронумеровав приведенную таблицу генетического кода в этих системах счисления построчно, получим:
Забавное тройное совпадение, не правда ли? Благодаря ему Автор и выбрал номер этой главы — выбор, конечно, произвольный. Но Бог не играет в кости, и совпадения, о которых пойдет речь далее, будут уже не так забавны. Более того, они вряд ли будут даже совпадениями. Замечу теперь, что практически все идеи, которые лежат в основе последующих рассуждений, содержатся в этом пояснении — явно или нет.
Часть вторая Машина генетического кодирования
Глава G@C. Генетический код явление "героя" (X)
События, связанные с эволюцией Вселенной и коротко описанные выше, привели, в конечном счете (а может быть, и «в том числе») к возникновению жизни, центральным феноменом которой стало объединение мира нуклеиновых кислот и мира белков в единую автокаталитическую суперсистему, для чего потребовался и был доведен до необходимого состояния так называемый генетический код — связующее звено обоих миров. Генетический код — это набор инструкций для перевода нуклеотидной последовательности в полипептидную. Таким образом, сегодняшний код составляют два компонента. Первый — кодирующий —компонент — это четыреазотистых основания (или нуклеотида, когда они фосфорилированы и составляют цепи РНК или ДНК).
Общее обозначение азотистых оснований приведено в таблице:
Из них состоит полинуклеотид — рибо- или дезоксирибонуклеиновая кислота, РНК или ДНК. В случае РНК четыре нуклеотида — это два пурина (аденин и гуанин в табличках
ниже) и два пиримидина -урацил и цитозин. В молекуле ДНК одно из перечисленных оснований — урацил — заменен на тимин (T):
Полимером правовращающего сахара – рибозы или дезоксирибозы - в цепочку РНК или ДНК соединены трифосфаты этих оснований. Здесь показаны структуры одноцепочечных молекул ДНК (вверху) и РНК (внизу):
Второй — кодируемый — компонент генетического кода — этоаминокислоты, из которых состоят полипептиды или белки. Из более ста пятидесяти природных аминокислот кодируемыми являются только 20:
Для обозначения аминокислот (напомним, что кодируемыми являются альфа-L-аминокислоты) используют либо трех-, либо одно-буквенные символы; мы — как уже сказано — будем пользоваться последними. В таблице выделены гидрофильные (синие ячейки и белые буквы названий) и гидрофобные (желтые ячейки) аминокислоты, аминокислоты, способные нести заряд, отмечены знаками (+) или (-), ароматические аминокислоты (бирюзовые ячейки в колонке символов, иминокислотапролин — бирюзовое выделение); серусодержащие аминокислоты (желтые ячейки в колонке символов). В формуле молекул справа — одна и та же константная часть (участвующая в пептидной связи; полужирный шрифт), слева — боковая часть молекулы или радикал ®. Молекула пролина приведена к общей схеме гипотетическим размыканием (релаксацией) иминного кольца.
Очевидно, что аминокислоты отличаются друг от друга химической природой боковой цепи, которая состоит из группы атомов в молекуле аминокислоты, связанной с α-углеродным атомом и не участвующей в образовании пептидной связи при синтезе белка. Всё разнообразие особенностей структуры и функции белковых молекул связано с химической природой и физико-химическими свойствами радикалов аминокислот. Именно благодаря им белки наделены рядом уникальных функций, не свойственных другим биополимерам, и обладают химической индивидуальностью. Благодаря им вновь синтезирующаяся полипептидная цепочка приобретает вторичную структуру, образуя определенной длины однотипные спирали, складчатость и повороты (изломы). Эта структура, в свою очередь, складывается в уникальную третичную, которая и обладает определенными функциями. Они могут быть усилены или модифицированы четвертичной белковой структурой, которую формируют уже не отдельные полипептиды, а их комбинация.
Это общие сведения (trivia) о компонентах генетического кода. Приводим его стандартную (каноническую) таблицу. Темно-серым выделены в ней кодирующие и кодируемые элементы группы вырожденности IVоктета 1 (см. ниже); светлым — элементыоктета 2 групп вырожденности I (темно-серые), III(светлее) иII (еще светлее). Чтобы подчеркнуть характер непосредственных участников процесса декодирования, то есть молекул РНК, четырьмя основаниями в таблице часто выбираются основания U, C, A и G. Именно на таком порядке настаивал Френсис Крик — не помню точно, почему, — может быть, потому, что, скажем, теория граничных орбиталей химической реактивности, которая была разработана для сравнения вероятностей стабилизации избыточных электронов для различных ДНК-составляющих, предсказывает снижение электронного сродства и потенциалов ионизации, подтверждаемое экспериментальными данными, именно в порядке T>C>А>G[50].
Функция молекулы ДНК — не декодироание, но хранение генетической информации. Поскольку выбор «главной» из этих двух функций — задача очевидно нелепая, таблицы кода с основаниями Т, C, A и G встречаются не менее часто.
Напомним теперь восемь основных свойств генетического кода, определяющих сопоставление нуклеотидов и аминокислот, и девятое — альтернативное.
Первое из них — триплетность, означающая, что каждую используемую в живых структурах аминокислоту кодируют три последовательно (то есть от 5`- к 3`-концу цепи) расположенных азотистых основания. Их называют триплетом или кодоном. В таблице первым двум основаниям соответствуют вертикальная и горизонтальная координаты; третье основание показано по вертикали справа и делает «таблицу» трехмерным кубом 4×4 х 4.
Физических промежутков между кодонами нет, поскольку код характеризуется непрерывностью. Если бы код был синглетным, то есть если бы каждой кодируемой аминокислоте соответствовало бы только одно основание (из четырех), кодирующая емкость кода и составляла бы только четыре аминокислоты. Между тем, таких аминокислот двадцать, и только этого числа (не меньше!) достаточно для обеспечения существующего белкового разнообразия. Если бы код был дублетным, то есть если бы каждой кодируемой аминокислоте соответствовало бы два основания, кодирующая емкость кода составляла бы только шестнадцать аминокислот (42) — и этого недостаточно. Емкость триплетного кода составляет 64 аминокислоты (43). Этого хватает с избытком. «Избыток» составляет 44 кодируемых продукта. Многие исследователи утверждают, что эволюция генетического кода шла в направлении от синглетного к триплетному. При этом они понимают, что смена размера кодирующей единицы потребовала бы принципиального изменения всей машины кодирования (то есть всего набора ферментов, обслуживающих этот процесс) — вещь невозможная! Поэтому синглетный этап кодирования мог означать, что в составе триплета значащей единицей могла быть только одна (например, первая или любая), а в составе дублета — две. Тогда и непрерывность кодированной записи могла быть только физической. Функционально значащие основания разделялись остальными основаниями триплета, а эволюция продолжала совершенствовать структуру молекул-участников кодирования. Произвольные (из четырех) третьи основания современных кодонов для восьми (из двадцати) аминокислот могут быть реликтами до-триплетных кодов. Выбор же тройки азотистых оснований в качестве дискретной единицы генетического кода мог быть обусловлен также термодинамикой взаимодействия пар оснований, при котором матричное копирование инициируется их триплетом (мы говорили об этом выше, ссылаясь на Зенгера).
Неперекрываемость — один и тот же нуклеотид не может входить одновременно в состав двух или более триплетов; не соблюдается для некоторых перекрывающихся генов вирусов, митохондрий и бактерий, которые кодируют несколько белков, считывающихся со сдвигом рамки.
Поскольку никакого избытка в крайне экономной природе не бывает, он и здесь компенсируется еще одним свойством — вырожденностью (избыточностью), означающую, что каждую аминокислоту (два исключения — метионин и триптофан) кодирует более, чем один триплет. Красным цветом выделены клетки таблицы, содержащие аминокислоту, кодируемую четырьмя триплетами, оранжевым — тремя, желтым — двумя, зеленым — две аминокислоты, кодируемые только одним триплетом.
Однозначность кода означает, что каждый триплет фрагмента полинуклеотида, именуемого геном, кодирует только одну аминокислоту. Продуктами кодирования являются не только аминокислоты, но и знаки пунктуации — знак начала кодирующей цепочки (гена), ATG, или AUG, называемые стартовыми кодонами, и знаки ее окончания — TAA (UAA), TAG (UAG) и TGA (UGA) или стоп-кодоны (в таблице — буквы синего цвета в бесцветных ячейках). Начало гена — это всегда аминокислота (метионин в данном случае), конец его — аминокислота, предшествующая стоп-кодону.
Еще одно свойство генетического кода — универсальность, означает, что все живущие на Земле существа — будь то РНК- или ДНК-вирус, слон, морковка, червь или человек — пользуются одним и тем же генетическим кодом. Немногочисленные отклонения от этого правила касаются лишь отдельных аминокислот и являются, скорее всего, именно отклонениями, результатом весьма длительной эволюции в специфических условиях.
Небольшое число таких отклонений лишь подчеркивают шестое из перечисляемых свойств кода — необычайная стабильность.
За этим свойством неизбежно должно стоять — и стоит — еще одно — столь же необычайная помехоустойчивость. Помехоустойчивость относится к двум наиболее важным свойствам кодируемых аминокислот — их размеру, который характеризуется объемом или массой молекулы, и их гидрофильности (и гидрофобности), которые определяют вторичную структуру полипептида. Замена третьего основания триплета, как правило, не влияет на эти свойства, замена второго более существенна и относится, по преимуществу, к гидрофильности аминокислоты или к ее гидрофобности, замена первого может оказаться роковой; она меняет размер кодируемой молекулы. Если подсчитать, сколько замен одного нуклеотида не меняет тип аминокислоты в соответствии с ее химическими свойствами (а такие замены аминокислот слабо сказываются на структуре и функциях белка) и сколько меняет, то отношение первых ко вторым будет близко к 2,25. Расчеты показывают, что существующий генетический код не является самым оптимальным вариантом кода по признаку помехоустойчивости, и специальными программами удается сгенерировать еще более устойчивые в этом отношении коды. Тем не менее, компьютерное моделирование демонстрирует вполне впечатляющую частоту кодов со сходной с существующим помехоустойчивостью — один на миллион. Даже при такой частоте число помехоустойчивых кодов еще достаточно велико, чтобы вызывать впечатление случайности выбора той версии, которая используется на Земле. А так и не достигнутый за миллиарды лет максимум помехоустойчивости генетического кода на нашей планете наводит на мысль о том, что этому препятствовало какое-то нетривиальное правило, ограничивавшее его эволюцию в данном направлении.
И еще одно свойство, характеризующее обсуждаемый генетический код и отмеченное Френсисом Криком, заключается в следующем. Поскольку ни изощренные и длительные эксперименты, ни теория — во времена Крика — не показывали абсолютно никакого физико-химического соответствия между нуклеотидными триплетами и аминокислотами, он назвал не поддающийся изменениям в течение миллиардов лет генетический код замороженной случайностью. Замороженной — в том смысле, что сформировавшись, он уже не менялся. Случайностью — в том смысле, что он мог сформироваться каким угодно. А вот то, что он сформировался именно таким, каким мы его видим, и настолько удачно, что в дальнейшем мог уже и не меняться, придает ему, на первый взгляд, свойство чуда. На сегодняшний день оценка Крика — едва ли не самая убедительная гипотеза происхождения генетического кода. И все-таки, когда мы говорим «случайность», рассматривая формальные свойства кода (мы сделаем это позднее), не только физика и химия приходят нам в голову. Но и они (физика и химия) предлагают сегодня альтернативную замороженной случайности гипотезу, гипотезу «ключ-замок», основанную на экспериментальных данных, которые все же показывают определенное сродство отдельных аминокислот с отдельными РНК-последовательностями. Об этом — в конце книги.
.....................
«Номер» этой главы назван «инициалами» ее «главного героя» — GeneticCode. Автор хотел, однако, не только отметить их совпадение с принятым обозначением пары гуанин-цитозин (GC), но акцентировать комплементарность этой пары, которую в названии главы подчеркивает вторая комплементарная пара — аденин-тимин (АТ), символ которой (предлог at) обозначается на «компьютерном языке» знаком @. Если пару АТ встроить между G и C вся четверка — G>А>||>Т>C— оказывается упорядоченной по массе и зеркально симметричной по комплементарности относительно центра, отмеченного двумя короткими вертикалями. В составе двуцепочечной молекулы нуклеиновой кислоты пара GC демонстрирует сильное, S, взаимодействие, образуя три межнуклеотидных водородных связи CºG (нижняя пара на рисунке), в то время, как пара АТ (верхняя часть рисунка, A=T) демонстрирует слабое, W, взаимодействие:
Результатом комплементарности пар оснований является первое правило Чаргаффа: число гуанинов (G) в двуцепочечной ДНК равно числу цитозинов (С), а число аденинов (А) равно числу тиминов (Т). Это правило стало одним из краеугольных камней открытия спиральной структуры этой молекулы, о чем можно прочитать в любом учебнике.
