Гипотезы возникновения жизни и генетического кода

 

Первыми поставили как научную проблему и выдвинули гипотезу абиогенного синтеза органических соединений в условиях первобытной Земли русский биохимик А. И. Опарин (1894-1980 гг.), английский физиолог Дж. Холдейн (1860-1936 гг.) и английский физик Дж. Верная (1901-1971 гг.). Сложность проблемы самой жизни, непонимание многих факторов и явлений, имеющих место на уровне клеток и организмов (возникновение матричного механизма, универсальность генетического кода при отсутствии универсальности белков, особенности структуры ДНК и др.)» заставила многих ученых зачастую обращаться к фантастическим гипотезам и теориям происхождения жизни. Так возникли гипотезы типа: жизнь создана Богом; занесена на Землю из космоса; внеземное послание других цивилизаций; генетический код как реликт, попавший на Землю от живых систем предыдущего цикла Вселенной, и т. д.

В проблеме происхождения жизни есть трудно разрываемая круговая проблема; для саморепродукции нуклеиновых кислот — основы генетического кода (будем считать этот факт хорошо известным каждому) — необходимы ферментные белки, а для синтеза белков — нуклеиновые кислоты; вот круг и замкнулся. Что первично: белки или нуклеиновые кислоты, «курица или яйцо»? Все существующие концепции происхождения жизни разделяются на две — голобиоз и генобиоз. Голобиоз основывается на первичности структур типа клеток, способных к элементарному обмену. Это концепция Опарина и его последователей. Генобиоз, напротив, первичными признает системы со свойствами генетического кода. Это концепция Дж. Холдейна, гипотеза так называемого «голого гена». Проблема противостояния концепций сводится к вопросу первичности или старшинства — генетической репродукции перед метаболизмом или, наоборот, метаболизма перед генетической репродукцией. Но как бы ни разрешилась эта проблема в будущем, сейчас надо принимать во внимание твердо установленные факты: диссимметрию или хиральность нуклеиновых кислот ДНК и РНК как фундаментальный признак живой материи, первичность молекулы РНК (сейчас уже под глубоким вопросом), наличия у нее автокаталитической способности, совмещения в ней черт фенотипа и генотипа. Но поиск ответов на вопрос надо вести и в других направлениях, особо принимая во внимание, что хиральность и первичность РНК не могли возникнуть в ходе длительной эволюции, а, скорее всего, возникли скачком, сразу, вдруг, за конечное время, в считанные годы, месяцы, сутки или, может быть, даже часы!

Одна из последних гипотез, переросшая к началу XXI века в теорию о происхождении жизни, основана на идее Н. К. Кольцова о матричном синтезе протоклеток и их структурных элементов на кристаллах апатита. Предложена она была четверть века тому назад владивостокскими учеными биологом Э. Я. Костецким и геологом В. В. Чернобровкиным. Они обратили внимание на следующие эмпирические факты: присутствие минерала апатита в живых системах в составе зубов и костей, наличие сходства периодичности в 3,4 А⁰ (1 А⁰ = 10^-8 см, величина примерно равная размерам атома, получившая название ангстрем в честь шведского физика Ангстрема) в элементарной ячейке апатита и двойной спирали ДНК. Это дало основание выдвинуть гипотезу и затем построить теорию абиогенного синтеза нуклеиновых кислот, белков, нуклепротеидов и полисахаридов ни матрице апатита как основном источнике неорганического фосфата.

Гипотеза Костецкого и Чернобровкина учитывает также тот фундаментальный факт, что все клеточные элементы и целые организмы являются жидкокристаллическими гомеостатическими структурами. Исходя из сказанного, можно вести речь о реальных механизмах возникновения жизни, основываясь на твердофазных эффектах в минеральных и жидких кристаллах. Участие минералов в процессе возникновения жизни делает его закономерным, а время процесса весьма кратким (за конечное время, но никак не за многие миллионы или миллиарды лет). В клетках, какими мы их знаем сегодня, все элементы системы так тесно связаны друг с другом, самоорганизованы, что отсутствие даже одного из них, нарушает работу всей системы.

Первичные пробионты, по-видимому, должны были представлять собой хорошо упорядоченные образования. Возникает вопрос: а не были ли предшественники первичных протоклеток органическими кристаллами? Ведь кристаллы - это образования, способные к самосборке (о самосборке в живых организмах говорил и академик Николай Семенов), кроме того, в них имеется некоторая характерная периодичность, нарушаемая дефектами. Последние (дефекты) делают кристаллы потенциально высокоинформационными, поскольку могут приводить к образованию множества стабильных альтернативных конфигураций, что является необходимым условием для хранения информации. Кстати, американский физик Ф. Типлер как-то заявил: «Я определяю жизнь как некую закодированную информацию, которая сохраняется естественным отбором». Предполагаемый механизм синтеза первичных про-бионтов, а кроме того, и их компонентов, также объясняет теория Э. Костецкого. Рассмотрим этот механизм.

Как мы уже отмечали ранее, возраст Земли (4,6 млрд лет) почти не отличается от возраста живых систем и оценивается в 4,2-4,0 млрд лет. При этом считается, что эукариотические (т. е. клетки с ядром) и прокариотические (т. е. клетки без ядра) клетки имеют близкий возраст. Время возникновения жизни совпадает с прогрессивным метаморфозом базальтовой коры, формированием гранитной оболочки и уходом плотной первичной атмосферы. Поверхность Земли тогда была нагрета до 600-700°С, а из недр Земли шло активное выделение элементов восстановительной газовой фазы в виде свободных радикалов. В этот момент из остаточного магматического расплава шло формирование пегматитов (апатит, кальцит, слюда, кварц, полевой шпат и др.). Апатит обычно сокристаллизуется с этими минералами. Его решетка в этот период достаточно подвижна, в кристалле происходит диффузное замещение элементов решетки свободными радикалами элементов газовой фазы, чему способствуют атомные радиусы основных элементов решетки апатита, превосходящие размеры атомов газовой фазы в 3-5 раз. В явлениях диффузного замещения ключевая роль принадлежит температуре, космическим, ядерным и ультрафиолетовым излучениям, действующим на кристалл сверху, и полю напряжений, создаваемому газовой фазовой, действующему на кристалл снизу.

Все эти факторы ослабляют кристаллическую решетку и усиливают миграцию ее элементов и облегчают проникновение внутрь кристалла малых атомов газовой фазы. Синтез, по-видимому, происходил при температурах около 200°С в безводной среде. В силу того, что в одной элементарной ячейке апатита есть несколько каналов проникновения газовых частиц, одновременно могло синтезироваться несколько органических молекул и между ними могли возникать взаимодействия. Нельзя исключать того, что вокруг одной ячейки могли синтезироваться сразу несколько, вплоть до 6 пар, цепей ДНК с белком, т. е. мог реализовываться вариант появления в одной протоклетке разного числа хромосом. В ходе однонаправленного синтеза (снизу-вверх), возникающий органо-минеральный комплекс будущей пробиотической системы получает в наследство от минерального кристалла все его естественные параметры, определяюшие и составляющие диффузный процесс в кристалле, а именно: воздействие сложнейшей и одновременной системы квантов света, электронов, протонов, ядерных излучений, рН, тепла и пр., т. е. основы будущего метаболизма и гомеостаза в клетке. Шла, как это можно образно отметить, естественная тренировка будущей клетки.

Гомеостаз позволял избежать высокой дефективности в решетке, а значит и в будущей пробиотической системе, после ее перехода из кристаллического состояния в жидкокристаллическое. Структурные элементы будущих про-токлеток полностью повторяют особенности кристаллической решетки, ее дефекты, изоморфизм, наличие включения других минералов. Так, предполагается, что бездефектные области решетки апатита соответствуют неинформативной части ДНК (в основном сателитной, баластной) — вот естественное объяснение известного факта; дефектная же область соответствует информативной зоне ДНК. Места повышенной дефективности и сокристаллизации в апатите (см. выше) предпочтительны для формирования матричного механизма будущих протоклеток, которое, в отдельных случаях, не порождает двойной спирали ДНК, но и не запрещает формирование цепей РНК (считается, что они возникли первыми), нуклеотидных фрагментов типа АТФ, белков, так или иначе связанных с КНК или с их фрагментами (будущих ферментов).

Предложенный Э. Костецким механизм формирования органо-минеральных комплексов будущих протоклеток позволяет ответить на некоторые непростые вопросы, стоящие в проблеме возникновения жизни. Например, сами по себе отпадают вопросы:

1.0 синтезе биополимеров в воде.

2. О создании упорядоченной живой системе, действующей против законов термодинамики, особенно против ее второго начала, — часть энергии отдается вовне за счет смены типов связей в решетке и замены решетки на жидкокристаллическую.

3.0 возникновении структурной асимметрии (хираль-ности) биомолекул.

4.0 возникновении матричного механизма синтеза пробионтов.

5. О возникновении универсального генетического кода (из-за синтеза на единой матрице апатита), при отсутствии универсальности в строении других структур из-за сокри-сталлизации с другими минералами и их различной дефективностью.

6. Об особенностях структуры ДНК эукариот (сателитность, умеренная повторяемость, уникальность) из-за особенностей решетки апатита, и не позволяющей живым системам избавляться в течение миллиардов лет от балластной ДНК, в силу необходимости поддержания гомеоста-тического состояния возникших на кристалле живых систем, и некоторые другие, не менее важные вопросы об особенностях происхождения жизни.

Движущей силой дальнейшей эволюции проток леток, по-видимому, были, прежде всего, такие изменяющиеся факторы внешней среды Земли, как рН, температура и, в связи с этим, качество энергии (ее слабовыраженная энт-ропийность, роль которой мы отмечали в главе 3), кон-центрация ионов и кислорода в морской воде, наличие органического материала, симбиотические процессы и катастрофы на Земле.

Хотелось бы отметить еще одну современную гипотезу о происхождении жизни, высказанную русским геологом Ю. А. Колясниковым, основанную на особой роли воды. Многие разделяют мнение, что вода — главный минерал мироздания, имеющий уникально простой состав, но загадочную структуру, до конца пока не познанную. Использование воды, точнее, ее структурных сверхсжатых тетра-меров (особых образований из четырех молекул воды), обусловлено наличием в них распределенных поровну правых и левых Н-связей (водородных связей), т. е. обусловлено хиральностью тетрамеров. Еще давно П. Кюри, Л. Пастер и В. Вернадский полагали, что хиральность живого вещества есть следствие диссиметрии окружающей среды, в данном случае — воды. Доказано в последнее время, что в концентрированных растворах кремнезема и биополимеров тетрамерная вода образует правые и левые спиральные цепочки, в которых, благодаря электрической дипольности входящих в их состав молекул воды, может быть записана некая информация. Используя такие уникальные свойства воды, Ю. Колясников обосновывает свою гипотезу биопоэза, в которой первоначально синтезируется левовращающая, т. е. хиральная, аминокислота, а затем идет синтез Сахаров — основы нуклеиновых кислот, на правых спиральных цепочках. Такой синхронный синтез полипептидов и полинуклеотидов сопровождался генерацией водных димеров и неумолимо вел к образованию сложных нуклепротеидных комплексов, с записью в их примитивной РНК возникающего однозначного генетического кода.

Помимо этих гипотез, необходимо упомянуть также о гипотезе академика Эрика Галимова, изложенной им в книге «Феномен жизни» в 2001 году, в которой началом жизни признается появление бескислородной молекулы аденина. Отмечается, что ферментативный катализ и репликация кодирующих молекул являются непременными свойствами живых систем. Поэтому искать надо модели изначального возникновения автокаталитических и самореплицирующих систем. Начало биогенеза тогда следует связывать с возникновением элементарной стационарной химической ячейки. Первым шагом в этом направлении является появление молекулы или молекулярной системы, которая бы обеспечила трансформацию энергии внешней среды в химическую энергию. Далее необходимо, чтобы с химической реакцией, доставляющей энергию, могли сопрягаться химические реакции, способные к созданию низкоэнтропийного продукта, т. е. реакции, идущие с усложнением организации. Молекулой № 1 в этой гипотезе признается аденозинтрифосфат (АТФ) и молекулой № 2 транспортная РНК t-PHK), которые, однако, возникают в разное время и в разных условиях (местах), что делает их объединение проблематичным.

Нельзя не указать и на идеи, изложенные американским физиком и биофизиком Ф. Дайсоном в его книге «Происхождение жизни». В ней он, основываясь на анализе обширного материала, пришел к выводу, что очередность в возникновении биополимерных структур могла быть иной, чем ее предлагают другие авторы. По Дайсону, сначала возникла примитивная клетка, затем ферменты и только потом гены. Дайсон полагает, что: 1) на первых этапах живые организмы представляли собой метаболические ячейки без механизма репликации; 2) огромное разнообразие живых организмов возникло на основе сравнительно небольшого ассортимента молекул органических веществ; 3) «центральная догма» современной биологии (ДНК — РНК — белки) о ключевом положении нуклеиновых кислот и их первичном возникновении полностью несостоятельна.

Как видим, гипотез и мнений о начале происхождения жизни много. Но мы будем считать, как данность, что необходимая нам клетка, как элементарная единица жизни, возникла. В процессе эволюции обмена веществ (метаболизма) в клетке и выработки ею энергии, можно выделить 4 этапа или фазы. Первый — ферментация, побочным продуктом которой является углекислый газ. Второй этап — гексозомонофосфатный цикл, в ходе которого выделяется водород и углекислый газ и который является одним из первых примеров метаболического расщепления воды в физиологическом процессе, дающем клетке необходимую ей энергию. Третий этап — фотофосфорилирование, т. е. непосредственное использование солнечной энергии для выработки фосфатов, в том числе, таких, как аденозинтрифосфат (АТФ), обладающих высокой энергией. На этом этапе развития одноклеточные организмы научились вырабатывать пигмент — хлорофилл, с помощью которого образуется энергия света. Это привело к четвертому, самому важному и фундаментальному этапу, — этапу фотосинтеза. Клетка начала поглощать солнечный свет для синтеза глюкозы, выделяя в качестве побочного продукта молекулярный кислород. Таким образом, кислород начал попадать в атмосферу.

Существует, однако, одна необычная гипотеза о появлении кислорода в атмосфере, высказанная русским геофизиком О. Сорохтиным. Он полагает, что первый кислород в атмосфере появился и продолжает появляться в нашу эпоху из-за расплавления окислов, в основном окислов железа, достигших, при опускании вместе с мантией, границы ядра Земли. Освободившись из окисла, кислород идет вверх, встречает снова неокисленное железо, захватывается им, идет опять вниз к границе мантии, расплавляется, снова освобождается и так до тех пор, пока путь вверх к поверхности Земли и далее, в атмосферу, не становится свободным! Кстати, как полагает автор гипотезы, когда все процессы в недрах Земли закончатся, примерно через 2 млрд лет, весь кислород, постепенно, конечно, выйдет наружу, и тогда давление в атмосфере достигнет значений 1-2 тысяч атмосфер!