Лев Мухин - Планеты и жизнь
На этой стадии мог быть создан не очень хороший белок, поскольку в белке использовались не все 20 аминокислот. В этой схеме эволюция состояла в увеличении точности и включении в белок все новых и новых аминокислот.
Разбирая вопрос о развитии генетического аппарата, Оргел также предполагает существование некоторой эволюционной схемы в условиях примитивной Земли. Это соображение само по себе могло показаться тривиальным, если бы не существовало так называемой теории направленной панспермии, о которой мы уже упоминали в начале книги.
Оргел рассматривает два направления в эволюции живого: жизнь без нуклеиновых кислот и жизнь без белка.
Следуя Оргелу, попытаемся рассмотреть обе возможности, хотя с эволюционной точки зрения такое разделение выглядит маловероятным.
Образование полипептидов в предбиологических условиях — процесс более «выгодный», нежели синтез полинуклеотидов. Это подтверждено многими лабораторными экспериментами и обусловлено, в частности, тем, что сахара, входящие в нуклеиновые кислоты, менее стабильны в водном растворе, чем аминокислоты, что затрудняет их концентрирование.
Таким образом, небиологическая полимеризация аминокислот, по-видимому, предшествовала появлению нуклеиновых кислот.
Именно на основании этого предположения Оргел строит модель жизни без нуклеиновых кислот, хотя, в общем-то, совершенно ясно, что в первичном бульоне было «все» и анализ таких крайних случаев, на мой взгляд, представляет только чисто умозрительный интерес.
Абиотически синтезированные полимеры аминокислот, по мнению Оргела, не могли достичь высокой степени специализации и организации и проявить свойства ферментативной активности. Репликация с помощью белков не могла быть точной, и для построения каждого «сорта» цепи аминокислот требовался новый фермент.
Это не совсем верное предположение, потому что вполне было возможно возникновение неспецифического катализа, что снимает основные возражения Оргела против чисто белковой жизни. Во всяком случае, мысль Оргела о неспособности чисто полипептидной системы к направленной эволюции следует считать справедливой, поскольку нет структурной основы для точной репликации.
В качестве второй возможности Оргел предлагает модель жизни, основанной на нуклеиновых кислотах без «белкового кода». При этом он указывает на необходимость анализа двух ключевых процессов: репликации без белков (ферментов) и эволюции без белков.
Комплементарная репликация постулируется Оргелом как свойство внутреннее, присущее молекулам нуклеиновых кислот и зависящее только от их структуры. Доказательство этого положения можно найти в физико-химических свойствах оснований нуклеиновых кислот и их производных — правиле Чаргаффа. Сравнительно недавно биохимики продемонстрировали, что полинуклеотидная цепочка работает как матрица для ориентации мононуклеотидов.
Было показано также, что направленный матричный синтез нуклеотидов идет в водном растворе с использованием конденсирующего агента (карбодиимид).
Но здесь очень важно отметить, что во всех опытах по матричному синтезу образуются не только природные изомеры полинуклеотидов. В значительных количествах присутствуют изомеры с неприродными химическими связями, которые никогда не встречаются в живых клетках.
Постулируя нуклеиновую схему, легко получить реплицирующиеся системы, используя, например, полиматрицу аденин-цитозин, которая будет направлять синтез полинуклеотида урацил-гуанин в соответствии с правилом Чаргаффа, и наоборот.
Очень интересен вопрос о том, какого уровня организации может достичь система без синтеза белка и соответственно репликации нуклеиновых кислот.
Здесь Оргел выдвигает ряд интересных идей. Он подчеркивает, что одноцепочечные нуклеиновые кислоты, имея определенную пространственную структуру, могли бы обладать каталитическими функциями. С другой стороны, кажется весьма вероятным, что полинуклеотидные цепи могли осуществлять некоторый отбор среди аминокислот, образуя с ними стереоспецифические комплексы. Но это тоже своего рода тупик, потому что без белков все-таки жить нельзя.
Таким образом, возможность протеиновой жизни ограничена невозможностью достижения уровня генетического механизма, а нуклеиновая жизнь ограничена собственной химической инертностью.
Центральная проблема — возникновение кода, в котором тесно связаны генетический нуклеиновый и функциональный белковый аппараты клетки.
Оргел указывает па очень интересную возможность пути возникновения эволюционирующей системы. Если гипотетический полипептид, состоящий из аминокислот… глицин, аланин, глицин, аланин… и так далее, ускоряет матричную репликацию полимеров, содержащих, например, аденин и урацил, то система, содержащая полиматрицу аденин-урацил, аминокислоты и транспортные РНК, способна развиваться, могут образовываться новые полипептиды.
Можно, по-видимому, разработать немало модификаций такой схемы, но прежде всего хочется сделать небольшое резюме. Основная ценность работ Крика и Оргела состоит в том, что ни тот, ни другой не оставляют места необоснованному оптимизму в решении проблемы происхождения жизни. Грандиозная трудность проблемы возникновения кода и его эволюции исключительно наглядно и убедительно продемонстрирована в этих работах.
Именно удивительное свойство универсальности кода и приводит нас к выводу, что современный механизм наследственности сформировался за поразительно короткий промежуток времени (по сравнению с «возрастом» живых систем) — менее одного миллиарда лет. Этот факт сильно затрудняет решение проблемы происхождения жизни.
Где механизмы-предшественники? Их, к сожалению, нет.
Вот если бы удалось показать возможность прямого синтеза белка на ДНК-матрице, это было бы огромным достижением. Мы смогли бы тогда получить сведения об эволюционном развитии современного матричного синтеза белка. Но сегодня существуют, к сожалению, лишь косвенные данные о возможности прямого синтеза белка на органических матрицах.
Как бы то ни было, сейчас уже видно несколько направлений для работ в области молекулярной эволюции.
Можно было бы, скажем, посмотреть, как ведут себя и как взаимодействуют короткие полипептидные и полинуклеотидные цепочки.
Возьмем, к примеру, декапептид — пептид, состоящий из 10 аминокислотных остатков. Предположим дополнительно, что сначала при построении пептидов использовалось не двадцать, а всего лишь семь аминокислот.
Можно с полной уверенностью сказать, что в смеси, содержащей семь аминокислот, будет образовываться не 710 декапептидов с равной вероятностью каждый, а гораздо меньше. Хотя бы потому, например, что одной аминокислоты окажется больше, чем другой. В таком случае синтез декапептида пойдет уже не только по вероятностным законам, но будет определяться и такими факторами, как концентрация аминокислот в реакционной смеси, кислотность среды и так далее. И может случиться, в этой смеси будут синтезироваться не миллиарды, а только десятки разных типов декапептидов, что уже вполне поддается экспериментальной проверке.
И вот тут-то можно наткнуться на очень интересные вещи: декапептид вполне может обладать каталитической активностью.
Предположим, что он способствует полимеризации нуклеотидов, то есть работает как синтетаза. Тогда нам удастся запустить механизм репликации. Эта пока спекулятивная идея, конечно же, нуждается в проверке. Отметим, что подобные опыты уже ведутся.
Особенно внушительные экспериментальные подходы были разработаны в лаборатории того же Фокса. Не будем сейчас обращать внимания на то, в какой мере эти опыты соответствуют условиям примитивной Земли, отметим, что они имеют исключительное значение для изучения проблемы происхождения жизни.
Фоксу удалось установить, что уже на стадии термического синтеза аминокислот возникает исключительно важное свойство органических молекул: свойство самоупорядоченности или самоорганизации, которое в данном конкретном случае (синтез протеноида) проявляется в том, что соотношение аминокислот в исходной реакционной смеси сильно отличается от аминокислотного состава синтезированного полимера. Это свидетельствует, что включение аминокислот в полимер происходит не статистически и существует некоторая избирательность, являющаяся прямым следствием химических свойств самих аминокислот.
Еще раз напомним, что полученные полимеры обладают рядом свойств, которые указывают на их известную общность с природными белками. Это в первую очередь качественный и количественный аминокислотный состав протеиноида, в общем-то идентичный среднему аминокислотному составу белка; молекулярные веса, соответствующие молекулярным весам небольших белковых молекул; растворимость, схожая с растворимостью белков, и ряд других свойств, среди которых, конечно же, одно из основных — каталитическая активность.
