Распространенность жизни и уникальность разума?

Независимо от того, какие автореплицирующиеся и иные структуры функционировали в предбиологическом мире, проблема катализа их синтеза сохраняет актуальность. Явление поверхностного катализа реакций полимеризации привлекло внимание исследователей как пока единственное научно правдоподобное объяснение добиологического образования белков и автореплицирующихся молекул. В качестве минералов-катализаторов особое внимание исследователей привлекли каолин (глины) (Cairns-Smith, 1985), пирит (FeS₂) (Keller et al., 1994), сульфид железа (FeS) (Wachtershauser, 1988; Huber, 2003; Martin and Russell, 2003). Поверхность этих минералов несет слабый положительный заряд. Такой заряд оттягивает электроны сорбированных на поверхности молекул. Благодаря этому ослабевают внутримолекулярные связи и повышается реакционноспособность молекул (иными словами, как при любом катализе, понижается энергия активации химических реакций). Кроме того, молекулы, сорбированные на поверхности, могут блуждать по ней, как бы подыскивая партнеров по взаимодействию. Сорбированная на поверхности твердого тела вода находится в связанном состоянии, что снижает ее вовлеченность в химические процессы. Благодаря этому процессы конденсации должны проходить эффективнее, чем в водной среде. К таким процессам относятся образование пептидной и фосфоэфирной связей, т. е. синтез белков и автореплицирующихся молекул. Действительно, на взвешенных в водном растворе аминокислот частицах коллоидных комплексов сульфидов железа и никеля в присутствии окиси углерода (CO) были синтезированы пептиды (Huber and Wachtershauser 1998, 2006). Важно отметить, что процесс осуществлялся в относительно мягких условиях (при температуре около 100 °C и нейтральных значениях pH). Такие условия считаются типичными для Земли 4–3.9 млрд лет тому назад. Не исключено, что предшественниками при синтезе пептидов были не сами аминокислоты, а присутствовавшие в большем количестве модифицированные предшественники (T aillades, 1998).

Энергия, необходимая для образования пептидной связи, как и для других реакций, могла доставляться не только теплом, но также уже упоминавшимися другими источниками: УФ-излучением и электрическими разрядами. (Dickerson 1978). Под действием тех же источников синтезировались соединения, сами способные быть донорами энергии. Это могли быть неорганические пирофосфаты (Baltscheffsky and Baltscheffsky 1994), которые образуются, в частности, из вулканической магмы при распаде P₄O₁₀ (Yamagata at al. 1991), а также полифосфаты и органические макроэргические соединения (Kulaev, 1979; Westheimer, 1987).

Осуществление добиологических синтезов на поверхности минералов позволяло решить сразу несколько, как казалось не решаемых вне клетки, проблем: концентрирование реагентов в зоне реакции, катализ, сдвиг равновесия в сторону полимеризации. Еще одно важное качество осуществленных на поверхности синтезов: их продукты остаются на какое-то время в контакте с поверхностью и друг с другом. В формировавшихся на поверхности комплексах автореплицирующиеся молекулы (предшественники РНК и ДНК), пептиды и другие молекулы, в том числе способные запасать энергию, вступали во взаимодействия, воспринимаемые как зачаток метаболизма. Ключевым этапом раннего метаболизма могла стать организация взаимодействий, обеспечивших установление элементов обратной связи, когда определенный продукт способствует синтезу другого, а этот последний стимулирует образование первого. Особое значение имело установление такой связи между пептидами и автореплицирующимися молекулами. Пептиды, несмотря на небольшие размеры, уже могли играть роль катализатора. В частности, синтезированный в лаборатории дипептид гистидил-гистидин проявил способность катализировать как синтетические процессы, так и гидролиз (Shen et al., 1990). Поэтому предположение, что пептиды (белки) могли быть в числе самых ранних участников предбиологической эволюции и об участии пептидов в образовании автореплицирующихся молекул вполне оправдано, тем более, что аминокислоты, из которых формируются пептиды, могли быть образованы, как и азотистые основания, из HCN (Oro and Kamat, 1961; Oro and Guidry, 1961).

Другой элемент обратной связи — контроль образования пептида со стороны автореплицирующейся молекулы. Можно предположить, что аминокислотная последовательность пептида определялась прилегавшими друг к другу элементами автореплицирующейся молекулы, которые связывали и определенным образом ориентировали соответствовавшие им аминокислоты (применительно к РНК см. Раздел 3.2). В образовании связей между аминокислотами могли участвовать элементы тех же автореплицирующихся молекул. Это предположение основывается на недавно подтвержденных данных, свидетельствующих, что в современном мире, в котором, казалось бы, безраздельно господствуют ферменты белковой природы, роль фермента, осуществляющего в рибосоме присоединение очередной аминокислоты к концу растущей белковой цепи, выполняет элемент рибосомной РНК (Nissen et al. 2000). Эти экспериментальные данные, полученные на РНК, косвенно подтверждают предположение, что способностью контролировать аминокислотную последовательность и сам синтез пептидов могли обладать и более ранние, не дошедшие до нас, автореплицирующиеся молекулы.

В последние годы как модели ранней (неферментной) авторепликации нуклеиновых кислот рассматриваются различные матричные конструкции, химические катализаторы и т. д. В экспериментах по неферментной авторепликации нуклеиновых кислот, как и в биологических системах, используется принцип комплементарности. Экспериментально было установлено, что короткие фрагменты однонитевой ДНК могут ассоциировать с соответствующими им (гомологичными) участками биспиральной ДНК. В образовавшейся прерывной тройной спирали примыкающие друг к другу фрагменты могут быть воссоединены (легированы) с помощью N-цианимидазола. Аналогичным образом могут быть воссоединены фрагменты, находящиеся в составе прерывной биспирали (Li and Nicolaou, 1994; Sievers and von Kiedrovski, 1994; Luther et al., 1998). Отметим, однако, что от воссоединения фрагментов до реального синтеза комплементарной нити ДНК или другой автореплицирующейся молекулы из мономерных предшественников еще далеко. Тем не менее, механизм формирования протяженных цепных молекул путем скрепления коротких фрагментов мог быть полезным в добиологические времена и в ранних клетках при условии осуществления химического синтеза коротких фрагментов из мономеров (Sievers and von Kiedrovski, 1994; Luther et al., 2001). Сшивка фрагментов на матрицах позволяла ступенчато наращивать длину цепных молекул до размеров, позволявших молекулам выполнять их функции (в данном случае, информационные). Фактически, этот процесс можно рассматривать как самую раннюю и, естественно, примитивную форму генетической рекомбинации (Lehman, 2003). Механизм ступенчатого наращивания пептида путем соединения коротких цепочек на белковой же матрице также мог иметь место (Lee et al., 1996; Yao et al., 1998; Paul and Joyce, 2004). Образование примитивных клеток сделало автореплицирующиеся молекулы, а следовательно, и заключавшие их клетки предметами Дарвиновского отбора.

Идея о возможности неферментной авторепликации нуклеиновых кислот привела некоторых авторов к выводу о вторичности белков. Высказано предположение, что в РНК мире белков еще не было. Однако учитывая, что белки, как и нуклеиновые кислоты (скорее, аналоги нуклеиновых кислот), могли быть образованы в ходе химической эволюции, их участие в предбиологических и раннебиологических синтетических процессах представляется весьма вероятным.

Следует коснуться часто поднимаемого вопроса, каким образом и в какой степени в добиологические и раннебиологические времена при синтезе “биологических” полимеров, в первую очередь белков и нуклеиновых кислот, выполнялось правило единообразия оптических изомеров. Аминокислоты, составляющие белки, как и сахара, составляющие основу нуклеиновых кислот, обладают асимметрическим атомом углерода (все замещающие группы у этого атома разные), благодаря чему являются оптически активными (хиральными) веществами. Каждое из них присутствует в форме двух конформационных d- и l-изомеров (энантиомеров), вращающих плоскость поляризации света, соответственно, вправо и влево. Такие изомеры, будучи химически идентичны, не могут быть совмещены друг с другом подобно кистям правой и левой руки. Очевидно, что d- или l-изомеры не взаимозаменяемы в биологических полимерных молекулах (в том числе уже на этапе их синтеза), т. к. осуществление фермент-субстратной реакции и других форм межмолекулярных взаимодействий, требует точного соответствия позиций участвующих во взаимодействии групп. В клетке эта проблема решается, как правило, определенным образом: соответствующие ферментные системы синтезируют только l-изомеры (аминокислоты) или d-изомеры (сахар рибоза). Оговорка “как правило” не случайна, т. к. существуют и исключения. Известны не частые случаи, когда в определенной позиции пептида (например синтезируемого цианобактериями токсина) присутствует не l-, а d-изомер, синтез которого контролируют соответствующие ферментные системы. Такой пептид не кодируется непосредственно генетическим аппаратом клетки, и, соответственно, его синтез не осуществляется на рибосомах. В этих случаях кодируются образованные l-аминокислотами ферменты, которые обеспечивают синтез пептида с включенными в определенных позициях d-аминокислотами.