Александр Гордон - Диалоги (май 2003 г.)
Р.К. Чтобы не было перенасыщения по противоположному энантиомеру, я могу осуществить полный переход рацемата в один энантиамер…
В.А. То есть вырастить один кристалл.
Р.К. И он это сделал. В 39 году написаны его первые работы – в редком голландском журнале, на голландском языке, и были поэтому недоступны. Потом началась Вторая мировая война, она перебила все его эксперименты. В 54 году только он издал их на английском языке.
В.А. То есть удивительно вот что. Вообще получается так, что если, скажем, выпадение левых и правых кристаллов – это локальное нарушение симметрии, но симметрия при этом в целом остаётся, потому что у нас равное количество левых и правых изомеров, то, ничего не делая специально и не выходя за пределы химии, я могу сделать так, что у меня в колбе или в каком-то объёме вырастет полностью только один кристалл. А как же так? А как же электромагнитное взаимодействие? А как же симметрия?
А.Г. Куда денется та его часть, которой нет?
В.А. Да, её же уже нет. Мы же уже превратили весь объём. А как же с электромагнитным взаимодействием?
Р.К. Дело в том, что, повторяя эксперимент, я с такой же вероятностью получу противоположный результат.
В.А. Вот. Если теперь я буду повторять эксперимент, то с точно такой же вероятностью у меня будет вырастать либо большой правый кристалл, либо левый кристалл. И так далее. Так что симметрия по-прежнему сохраняется.
Р.К. И эти эксперименты неоднократно проводились. Проводились на нескольких тысячах измерениях оптической активности нескольких тысяч кристаллов. И получалось примерно равновероятно. Но, если это провести на миллиарде измерений, может быть, мы найдём статистически достоверную разницу. Но длительность такого эксперимента, пусть даже только минута тратится на измерение, это несколько веков, это слишком длинный эксперимент.
А.Г. Давайте считать, что мы ответили на первый вопрос, и будем двигаться дальше. То есть, возможны в определённом объёме спонтанные образования гомохиральных соединений.
В.А. Да, я хотел бы только здесь отметить ещё один цикл работ, который обозначил эту же проблему о спонтанном нарушении симметрии немножко по-другому. Об этом нужно сказать обязательно. Потому что кристаллизация – это всё-таки некоторый специальный процесс. Представить себе, что кристаллизация явилась, в действительности, тем самым процессом, который решил проблему нарушения симметрии на ранних стадиях предбиологической эволюции – это представляется несколько легкомысленным.
А.Г. То есть это просто модель…
В.А. Это модель процесса. А каков процесс? А процесс на самом деле связан с нелинейными химическими процессами. То есть теперь уже речь может идти об огромных ареалах (геохимических, например) разного масштаба, в которых естественным образом может возникать и эволюционировать глобальная химическая среда. И различные процессы, протекающие в таких масштабах, процессы превращения, образования хиральных органических соединений, они могут подчиняться таким уравнениям, которые приводят к неустойчивости рацемического или симметричного состояния. И тогда симметрия нарушается уже во всём этом ареале глобально, именно так, как это происходило в эксперименте Хавинга, не в смысле кристаллизации, а в смысле некоего образа кристалла.
Здесь, конечно, нужно обязательно сказать о том, что эти работы были сделаны нашими учёными – Леонидом Морозовым и Владимиром Кузьминым. И очень долгое время эти работы опекал и вёл Виталий Иосифович Гольданский. Это целая эпоха в этом направлении, которая занимала время примерно с середины 70-х годов и практически до 90-х годов.
И вот теперь я хотел бы вернуться к нашей схеме, к нашей эволюционной модели. Кажется вполне естественным, что с первым вопросом мы как-то разобрались. Мы теперь можем считать, что этого вопроса, вообще говоря, нет. Мы представим на суд множество разных экспериментов, подтверждающих то, как симметрия может нарушаться в маленьких или в больших ареалах.
И теперь второй вопрос. Можем ли мы теперь от асимметричной среды перейти к достаточно сложным структурам? Для того чтобы теперь попробовать ответить на второй вопрос, а именно: можем ли мы создать гомохиральные последовательности, гомохиральные полимерные цепи, уже имея среду с нарушенной симметрией? Для этого, конечно, нужно каким-то образом предложить простые критерии перехода. Мы же что-то должны сохранить в этом переходе. Мы должны в этом переходе следовать какому-то признаку. Ну, например, признаку репликации. Давайте попробуем понять, можем ли мы каким-то образом эволюционировать от асимметричной среды к сложным структурам, во-первых, создав такие системы, которые могли бы реплицироваться. А во-вторых, создав условия для эволюции таких систем.
Р.К. Вадик, извините. Такие системы созданы уже. Простейшие молекулярные системы, способные к саморепликации уже есть, это работы…
В.А. Типичный взгляд химика – «проблем нет, химия всё может». Это работы Ребека?
Р.К. Да, работы Джулиуса Ребека.
В.А. Да я прекрасно знаю об этих работах. Это вообще остроумнейшая вещь. Ребек, как бы комментируя дискуссию о том, что репликация – это свойство исключительно биологических систем… Ну, это вообще блестящий химик, разумеется. Химия сейчас – это вообще архитектура молекулярного уровня. Он построил систему, которая действует как «инь» и «янь». Она вообще выглядит как «инь» и «янь», как этот знаменитый знак – две запятые, вложенные одна в другую. И он сделал две такие молекулы, причём «янь» собиралась на «инь», а уже потом они распадались, и на каждой из этих двух половинок собиралась соответствующая комплементарная половинка. Обратите внимание, здесь он использовал один принцип, который взял из биологии – принцип комплементарного соответствия, как это происходит, например, в двойной спирали ДНК.
Р.К. Кстати, использовал аналоги. Вот он, этот аналог нуклеотида.
В.А. И более того, нужно сказать, что у него-то вообще процесс репликации шёл только тогда, когда все нужные компоненты способны собираться таким инь-яновским способом – все компоненты были хирально чистые, в среде не было никакой грязи. А среда была оптически активной.
Но что он показал? Он показал, что молекулярные структуры могут быть достаточно простыми, и, тем не менее, они могут обладать свойством репликации. Миф о том, что репликация есть свойство исключительно биологии, был немедленно разрушен.
Р.К. Но их же можно сколь угодно долго усложнять.
В.А. Конечно. Сколь угодно много, и сколь угодно сильно. Ну что, мы решили проблему возникновения жизни? Давайте всё-таки посмотрим на это аккуратнее.
Следующий шаг (на самом деле, всё это примерно совпадало по времени) был сделан Оргелом и Джейсом – американскими учёными, которые, вообще говоря, сделали довольно хитрую и тонкую вещь. Они в точности использовали принцип копирования двойных спиралей РНК, комплементарного спаривания, но показали, что этот процесс сборки репличной нити на подложке типа РНК или ДНК может идти без ферментов, что было чрезвычайно важно. Потому что, конечно, когда у вас есть и ферменты (то есть белки), когда есть у вас РНК и ДНК, и всё это ещё собрано в клетки, и всё это функционирует, тогда, конечно, это будет реплицироваться, мы и так это знаем. А всё дело вот в чём: а как же сделать такие системы, где нет ферментов, где нет белков, но, тем не менее, могут возникнуть сложные структуры? Вот в чём проблема. И Оргел и Джейс показали, что на такой гребёнке за счёт комплементарного спаривания образуется вторая нитка. Прекрасно. Но опять у них выходило одно жёсткое условие: то, из чего они должны были собирать, то есть среда, в которой плавали все нужные компоненты для сборки этой второй нити, она должна была быть оптически чистой, она должна быть абсолютно хирально чистой. Любое появление грязи, то есть энантиамерного антипода противоположного знака немедленно блокировало самосборку такой цепи. Казалось бы, тупик.
Но спустя некоторое время, буквально спустя годы, Эшенмоузер – швейцарский химик – сделал ещё одну очень интересную работу, в которой показал, что, используя комплементарность, «степ бай степ», то есть путём такого спаривания – «это сюда, а это сюда, а это сюда», и так далее, – можно собирать достаточно длинные цепочки. И это уже было сенсацией. Мало того, он показал, что сборка идёт столь селективно, что, вообще говоря, и не требуется условие сильного нарушения асимметрии. Достаточно, чтобы были нужные элементы…
Р.К. И небольшое обогащение.
В.А. Да, маленькое обогащение, вполне способное проявиться за счёт каких-то естественных процессов.
Р.К. И о которых как раз вы говорили, что их не хватает.
