Мы не видим пути от первичного бульона до естественного отбора. Можно прийти к выводу, что происхождение жизни - чудо, но это свидетельствует только о нашем незнании.
Ф. Крик
Существует разные точки зрения на саму природу жизни. Одна из них заключается в следующем:
а) жизнь возникла на Земле из неживых форм. Следовательно, жизнь может представлять собой закономерный процесс эволюции от неживого к живому;
в) грань живого и неживого весьма резка, а сама жизнь крайне неустойчива и балансирует на гране живого и неживого;
г) живое из неживого – событие почти невероятное, если не исключительное! Особенно, если учесть, что на близко расположенных планетах Солнечной системы признаки жизни не обнаружены.
Вторая точка зрения исходит из посылки, что жизнь получила развитие на Земле. Это означает, что:
а) преджизненные формы, из которых жизнь получила развитие, должны быть широко распространены в космосе. А лоно Земли дало лишь необходимые условия для ее развития. На орбите между Марсом и Юпитером находится пояс астероидов, из которого к нам на Землю попадают некоторые разновидности метеоритов (хондриты), содержащие весьма высокие (до нескольких процентов!) концентрации углерода неорганического происхождения, из которого возможен синтез первоосновы жизни – аминокислот;
б) преджизненная основа – весьма устойчивое образование, раз она может преодолевать громадные расстояния в космосе и экстремальные условия низкой температуры, близкой к абсолютному нулю;
в) тогда развитие от преджизненных форм в жизненные – процесс закономерный;
г) далее только живое от живого;
д) а жизнь – не такое уж редкое событие во вселенной…
Важнейшей особенностью живого является наличие дисимметрии.
Диссиметрия живых организмов обусловлена гомохиральностью ключевых биополимерных структур: нуклеиновые кислоты содержат только D-изомеры сахаров, ферменты построены только из L-изомеров аминокислот. Гомохиральность (хиральная чистота) является отличительным свойством живого.
|
Способность углерода образовывать четыре связи дает ему возможность создавать трехмерные тетраэдрические структуры. Но один атом углерода, даже связанный одинаковыми атомами, может образовывать два разных стереоизомера. Эти молекулы являются зеркальными отображениями друг друга. Однако из-за своего трехмерного строения они не взаимозаменяемы. Подобное состояние называется хиральностью.
Хиральность молекул определяют путем пропускания через раствор поляризованный свет, содержащий эти молекулы. Молекулы, вращающие плоскость поляризации света влево называют левовращающими (L-изомеры), а вправо – правовращающими (D-изомеры).
Смесь L- и D-форм одного и того же стереоизомера называют рецемической.
Наряду с эволюционной гипотезой происхождения жизни развивается альтернативный подход, согласно которому хиральная чистота биосферы обусловлена спонтанным нарушением зеркальной симметрии органической среды на добиологической химической стадии эволюции, а гомохиральность биополимеров – это память о состоянии среды, в которой 3,8 – 4,0 млрд.лет назад получила развитие жизнь на Земле.
В этом случае сразу же возникает несколько вопросов. Каким образом биомолекулы с предпочтительной хиральностью могли появиться в результате химических реакций? Имеется ли связь между слабыми ядерными взаимодействиями и доминирующим положением L-аминокислот и D-сахаров относительно их зеркальных отображений? Является ли нарушение зеркальной симметрии необходимым условием для возникновения жизни или же хиральность появилась позже и явилась следствием не химической, а биологической эволюции?
Зеркально-симметрические реакции, как не парадоксально, могут приводить к образованию неравных количеств L- и D- аминокислот, благодаря явлению, которое называют спонтанным нарушением симметрии1 2.
В 1953 г. Ф.Франк из Бристольского университета разработал модель спонтанного нарушения симметрии в химической системе, состоящей из молекул двух видов. В этой модели предполагалось, что каждый вид способен к самовоспроизведению и что присутствие одного из них уменьшает скорость роста популяции другого по принципу межвидовой борьбы.
На биологическом уровне даже если зеркально отраженная жизнь некогда существовала на Земле, то борьба между двумя формами жизни могла привести к угасанию зазеркального вида. Таким образом, на определенном этапе этого процесса мог возникнуть избыток L- и D-сахаров из «первичного бульона» Опарина-Холдейна, в которых оптические изомеры изначально присутствовали в равных количествах. В последующем хиральность проявилась в сосуществовании двух ветвей жизни – прокариотной и эукариотной. При этом, если на первом этапе (до 1,8 млрд. лет назад) преимущество было за прокариотами, то позже это преимущество перешло к эукариотам при сохранении механизма замены одних другими в разных условиях.
Основываясь на современных знаниях структуры и функций биополимеров, гомохиральность биомолекул (когда все аминокислоты имеют одинаковую хиральность) должна была появиться до возникновения жизни, т.к. эксперименты показывают, что цепочки аминокислот, содержащие одномерные L- и D- кислоты, не могут образовывать правильную α- спираль, что весьма существенно для каталитических функций белка. Однако до сих пор никто не смог точно указать специфический набор предбиологических соединений.
Поэтому есть второй предполагаемый сценарий, по которому зеркальная симметрия возникла не до, а после появления живой первоклетки. По нему первая живая клетка появилась как специфический объект, не обладавший ярко выраженной гомохиральностью, характерной для современной жизни. Исходный общий предок «случайно» рожден с небольшим избытком L-аминокислот или D-сахаров и поэтому обладал слабой зеркальной асимметрией. В борьбе за существование эволюционное совершенствование последующих поколений постепенно породило жизнь, основанную только на L-белках и D-нуклеиновых кислотах. В таком подходе есть своя трудность: представить жизнеспособную биологическую форму в виде исходного общего предка, состоящего из биополимеров с примерно равным числом оптических L- и D-изомеров.
Ссылки
