5272. ЗАЧЕМ ЖИЗНИ ОПТИЧЕСКАЯ АСИММЕТРИЯ?
К 100-летию исследований абиогенеза
ЗАЧЕМ ЖИЗНИ ОПТИЧЕСКАЯ АСИММЕТРИЯ?
Картина Рене Магритта «Репродуцирование запрещено», 1937 год
В современном естествознании не ослабевает интерес к проблеме жизни. По-прежнему в этой области остается много нерешенных вопросов. С углублением научных исследований их становится даже больше.
Но есть среди них вопрос особенный, можно даже сказать, критически важный как для становления самой жизни в исторической ретроспективе, так и для нашего понимания ее природы. Парадокс в том, что он настойчиво заявляет о себе, поскольку лежит на самом виду, на самой поверхности твердо установленных и выверенных фактов. Но при всем этом остается в тени и по достоинству (по своей значимости для жизни) еще неоцененным.
Речь идет об избирательном отношении всего живого к оптическим антиподам. Только правые сахара и только левые аминокислоты. Имеет ли это обстоятельство какой-то биологический смысл? Как ни странно, в науке о жизни такой вопрос никогда даже и не поднимался.
Стереохимический феномен жизни
Жизнь получила много разных определений. Но ни одно из них не смогло включить в себя отличительный признак, который бы сам по себе позволил резко, твердо и безоговорочно назвать принципиальное отличие между живой и неживой природой. Нередко цитируемое суждение В.И. Вернадского о существовании коренного отличия живого вещества от косной материи, об отсутствии плавных переходов между ними (на этом, кстати, в свое время упорно настаивали виталисты) научно не подтверждается.
Однако такое отличие (причем коренного порядка!) все-таки есть. Особая мета стоит на всем живом. Избирательное отношение к оптическим антиподам (и только оно) проводит резкую грань между живой и неживой природой. Но нет ни одной формулировки сущности жизни, в которой этот признак, этот главный атрибут жизни удостоился хотя бы упоминания.
Как известно, химические вещества в неживой природе содержат в себе (и неуклонно поддерживают) примерно равное количество «правых» (D) и «левых» (L) молекул. Они зеркально симметричны.
Симметричные аминокислоты
При любом органическом синтезе, который ныне широко осуществляется в контролируемых технических условиях, также поровну образуются (в соответствии с законами термодинамики) правые и левые молекулы. И разделить их на фракции (выделить каждый из них в чистом виде) непросто.
Короче, в неживой природе безраздельно господствует весьма устойчивая тенденция к установлению и поддержанию равновесной зеркальной симметрии (рацемизации).
А вот в биосфере Земли по этой части совсем не так. В живых организмах, от мала до велика (и человек как вершина эволюции - не исключение), белки состоят только из L- аминокислот, а нуклеиновые кислоты - только из D - сахаров. Несмотря на то, что разделение на левые и правые изомеры энергетически невыгодно и нет в природе физических законов, которые бы запрещали оптическую симметрию, все клеточные функциональные механизмы настроены на восприятие только этих изомеров. Выходит, что жизнь на каждом своем шагу не только побеждает симметрию, но и тем самым (побеждая) утверждает себя.
Так, в процессе синтеза белка т-РНК связывается только с L- аминокислотой, а фермент оксидаза расщепляет D - формы аминокислот и оставляет нетронутыми их зеркальные аналоги. К тому же в клеточном метаболизме никогда не дремлет специфическая группа ферментов, которые осуществляют так называемый энантиомерный контроль, отыскивая, бракуя и уничтожая случайно образовавшиеся «непригодные» изомеры.
При биосинтезе ДНК, РНК и ферментов энантиомерная конфигурация будущих звеньев контролируется необыкновенно точно: менее одной ошибки на миллиард! И это неспроста, поскольку включение D - аминокислот приводит к нарушению вторичной и третичной структуры белка, а L- сахаров - к образованию нуклеиновых кислот, неспособных реплицироваться (формировать совершенно необходимые для жизни комплементарные пары и двойную спираль).
Эксперименты последних лет показывают, что только в хирально чистых растворах могут возникать биологически значимое удлинение цепочки полинуклеотидов и процесс саморепликации. Рацемический полинуклеотид не в состоянии реплицироваться, поскольку его основания направлены в разные стороны и у него нет спиральной организации.
В общем, жизнь неуклонно гнет свою линию - поддерживает раз и навсегда установленную хиральную чистоту, а эволюция не снабдила ее механизмами и средствами для существования в рацемическом состоянии.
А вот после смерти тех или иных организмов (с их последующей утилизацией в природе) все с течением времени возвращается на круги своя. Аминокислоты и сахара утрачивают хиральную чистоту, переходя в привычную рацемическую смесь, содержащую поровну D - и L - изомеры.
Гадания о физической природе асимметрии
Итак, жизнь изначально была втиснута на самом глубинном, молекулярном уровне в некое абсолютно жесткое «прокрустово ложе»: ни шага влево сахарам и ни шага вправо аминокислотам. Иначе - ликвидация нарушителей или же коллапс самой жизни.
И тут, естественно, возникает много вопросов. А к чему, собственно, потребовалась самой жизни эта асимметрия, да к тому же столь каверзная и неукоснительная? Что жизнь от этого имеет? И что известно об этом в науке о жизни?
Первое, что приходит на ум в этой связи, как в симметричной абиотической среде могла вдруг возникнуть эта абсолютная и непоколебимая оптическая асимметрия? Может, она была исподволь навязана ей какими-то природными стихиями? Может, у жизни просто-напросто не было иного выбора, поскольку она в самый момент своего зарождения совершенно случайно и безальтернативно оказалась в асимметричной среде?
Возможно, отсюда и сложилось научное представление о произвольном и совершенно случайном предпочтении D-изомеров сахаров и L-аминокислот, которое возникло на самых ранних этапах предбиологической эволюции. «Пока нет убедительных доказательств того, что молекулы, подобные белкам, не могли бы быть построены из равного числа правых и левых молекул аминокислот», - писал в своё время Л.К. Полинг. И далее он же: «На Земле могли бы жить организмы, построенные из D-аминокислот, так же как и организмы, построенные из L-аминокислот».
Надо сказать, что мировая научная мысль пошла именно по такому пути. И все бы ничего, если бы она на нем не остановилась.
На сегодняшний день исследователями рассмотрено множество предполагаемых способов образования оптически чистых изомеров или их разделения (очистки) в условиях древней Земли. Одни считают, что изомеры определенного вида могли синтезироваться либо под действием поляризованного света звёзд, либо в условиях радиоактивного излучения. Другие видят решение проблемы в различных химических соединениях, добавление которых влияет на конфигурацию конечных продуктов реакции. Третьи указывают на способность оптически активных минералов поглощать те или иные виды изомеров (например, известно, что кристаллы кальцита на одних гранях сильнее удерживают L-аминокислоты, а на других - D-изомеры) и т. д.
Однако, во-первых, при всех этих случаях достигается лишь некоторое, частичное преобладание одних изомеров над другими. Добиться 100%-й чистоты изомеров естественным путем практически невозможно. Во-вторых, если оптические изомеры одного вида сформируются где-то в одном месте, к ним вскоре придут противоположные изомеры из иного места с помощью воздушных и водных потоков, так что в итоге мы опять получим смесь изомеров.
Учитывая всю сложность проблемы, некоторые исследователи склонились к мысли (и на то у них имелись вещественные основания), что простые органические молекулы были синтезированы в далёком космосе при неизвестных нам обстоятельствах, а затем с метеоритами попали на землю, растворились в первичном океане и образовали там пресловутый «первичный бульон».
Но даже если принять во внимание, что и на древней Земле каким-то образом могли синтезироваться все правильные изомеры (в дополнение к их доставке из космоса), то это опять же не будет иметь определяющего значения для грядущей жизни. В каменной оболочке упавших на Землю метеоритов, например, левые изомеры аминокислот вообще недоступны для жизни. А переходя с течением времени в водный раствор (где только и могла возникнуть жизнь) они неизбежно утрачивают свою хиральность. Так что в итоге мы всё равно будем иметь равновеликую смесь L- и D- молекул.
Если все же допустить, что L- аминокислоты возникли по воле случая, тогда как быть тогда с D- сахарами - тоже случайность? Но ведь есть еще и липиды - важнейший компонент клеточных мембран. У них также имеет место быть избирательное отношение к стереоизомерам. Разве могло все это вместе взятое получиться в результате случайных совпадений? Скорее всего, такое могло стать необходимым результатом самой поступательной эволюции природы в сторону жизни.
Удивительно, но такая совершенно естественная и логичная постановка вопроса в науке о жизни никогда не возникала. Стереохимический феномен жизни с самого начала был расценен в ученом мире исключительно как некая данность, некая странная причуда природы, не имеющая особого биологического смысла. Да и сам вопрос о биологическом смысле асимметрии никогда не поднимался.
Со времени появления первой гипотезы А.И. Опарина о происхождении жизни (1924) в мировой научной и научно-популярной литературе на эту тему написано много обстоятельных монографий. Про отдельные статьи, посвященные различным деталям химической эволюции в направлении жизни, можно и не говорить. Их "тьмы, и тьмы, и тьмы"... Однако во всей этой необъятной литературе о жизни полностью проигнорированы биологический смысл асимметрии, ее жизненная необходимость. Научная мысль по традиции остановилась лишь на констатации факта оптической асимметрии и выяснения путей ее происхождения безотносительно к самой жизни.
Биологический смысл оптической асимметрии
Вспоминается знаменитая теорема (гр. - рассматриваю, обдумываю) Пуанкаре, которая только через столетие после формулировки была решена, наконец, математиком Григорием Перельманом. В ученом мире это событие вызвало небывало восторженный резонанс.
Но есть ведь еще, скажем так, и Главная теорема жизни, которая до сих пор остается нерешенной, хотя ей уже полтора столетия (после открытия Луи Пастером оптической асимметрии). И вряд ли она объективно менее значима для науки, чем упомянутая теорема Пуанкаре. Скорее наоборот. Но как найти ее решение?
Начнем с начала. Первичное движение вселенской эволюции в сторону жизни инициировала, вне всякого сомнения, линейная выстроенность иденетичных и квазиидентичных органических молекул определенного класса. Главным образом, полинуклеотидов и полипептидов (как мы хорошо знаем теперь). Иными словами, перед началом жизни в природе очень кстати возник молекулярный нематоморфизм (гр. nema - нить): нитеобразие, нитеподобие, нитеформие. Именно нить (условно говоря, одномерная кристаллизация), объявившаяся когда-то на фоне господствующей в природе трехмерной кристаллической решетки, открыла дальнейшие и качественно новые перспективы для химической эволюции, а, стало быть, и для грядущей жизни.
Суть в том, что только на линии достигается последовательное выстраивание, перестановка и комбинирование элементов множества. Только так осуществляется их полная иерархизация (упорядочение): каждое звено в цепи занимает единственное, строго определенное и только ему принадлежащее место - после чего-то, перед чем-то. Линейная выстроенность смыслонесущей конструкции ориентирует на восприятие ее содержания как единого целого, отсекая всевозможные ответвления, которые в него бы не вписывались. Вся внутренняя организация линейной строки текста направлена на то, чтобы предполагаемый читатель однозначно и как можно скорее воспринял структуру и логическую схему передаваемого содержания. Наконец, и это крайне важно, линейный порядок наиболее доступен не только для считывания, но и для воспроизведения кодированного текста.
В общем, с нитью (с нематоморфизмом) открылись материальные предпосылки для единственно приемлемой жизнью линейной (строчной) записи, хранения и воспроизведения генетической информации, без которой жизнь невозможна В этом, можно сказать, и состоял главный, стратегический «замысел» Природы и ее определивший всю дальнейшую эволюцию ход. Разумеется, для жизни потребовалось еще и многое другое (о чем немало написано и сказано в контексте исследования абиогенеза). Но все это - детали.
Что же касается разрушения оптической симметрии, то оно стало неизбежным следствием основополагающего нематоморфизма. Асимметрия обусловила выработку необходимых стандартов, неких обязательных «технических правил» для всевозможных манипуляций и оперирования с информацией на линии в процессе многосложного биологического метаболизма, включая ее узнавание, считывание, воспроизведение и т.д. с наименьшими (что принципиально важно) материально-энергетическими затратами.
На симметричном рацемическом фоне вся эта молекулярная машинерия жизни (а, следовательно, и сама жизнь) абсолютно невозможна и даже немыслима. И, стало быть, двуединая связка нематоморфизм-асимметрия стала краеугольным камнем, положенным Природой в основание и всю архитектонику грядущей жизни.
Жизнь на молекулярном уровне абсолютно линейно зависима в структурном и функциональном плане. Она строго придерживается линейной, «строевой дисциплины». Многообразные процессы, которые осуществляются в живой клетке (прежде всего репликация, транскрипция и трансляция) и неизбежно сводятся к строительно-монтажным работам на линии (очень точным, выверенным, строка в строку), естественно, требуют определенной, строго фиксированной пространственно-геометрической стандартизации исходных строительных элементов в универсальном и находящемся к тому же в постоянном движении биологическом конструкторе.
Понятно, что столь сложные динамические микропроцессы, где первостепенное значение имеет фактор узнавания, затрудняются или же вовсе становятся невозможными, если, например, одна часть молекул какой-либо белковой аминокислоты «левша», а другая - «правша».
Можно сказать и так: жизнь есть литературное (от littera - буква) произведение природы. Но кто сможет без напряжения и раздражения читать большое литературное произведение, напечатанное пусть даже хорошо известными, но перевернутыми вверх ногами буквами пополам с нормально ориентированными? Кто возьмется оценить его художественные достоинства?! Тем более для прочтения и точного воспроизведения молекулярного генетического текста, безусловно, куда более содержательного и сложного, требуется строгая геометрическая упорядоченность его элементарных составляющих.
Если текст набран вперемешку левыми и правыми буквами, то считывающие молекулярные механизмы, узнающие литеры по их форме и пространственному положению, будут вынуждены то и дело выяснять, «левая - правая, где сторона?». Неизбежно структурное усложнение этих механизмов либо двукратное их увеличение в числе (отдельно для левых и отдельно для правых антиподов). А это уже явное расточительство, на которое природа никак не могла пойти в процессе эволюционной самоорганизации. Кроме того, не следует забывать, что сам по себе рацемат есть индивидуальное химическое соединение, которое сильно отличается по своим свойствам от каждого из входящих в его состав компонентов.
Отсюда со всей определенностью следует, что разрушение оптической симметрии на молекулярном уровне никак не могло быть результатом чудесного совпадения случайностей.
Эволюционная селекция оптической асимметрии
Но коль скоро в асимметрии есть несомненный и очень глубокий биологический смысл, она могла сложиться только в результате биологической эволюции. Причем в самом ее начале. Если жизнь в целом возникла в результате химической эволюции (как это принято считать в науке), вправе ли мы рассматривать стереохимический феномен жизни вне этого процесса, то есть отдельно и независимо от него? Можем ли целое (жизнь) считать результатом эволюции, а его часть (причем очень большую и крайне важную) не считать ее результатом?
Такое допущение следовало бы расценивать не иначе как серьезный методологический просчет. Особенно если учесть универсальность эволюции, подверженность и подвластность ей всего сущего и происходящего в природе. Но именно такой просчет в науке о жизни и был допущен.
Эволюция оптической асимметрии шла в классическом понимании смысла этого термина как процесс, идущий через изменчивость и естественный отбор наиболее жизнеспособных и наиболее приспособленных мод. Отбор как постоянный и монолитный рост ценности, функциональной значимости информации, что в сущностном плане означает развитие, усложнение семантики.
Отмеченное выше стремление рацематов к равновесию и стабильности отнюдь нельзя расценивать как нечто абсолютное и неизменное. Равновесие, в котором пребывает рацемическая система, открытая для потоков энергии извне и подверженная другим внешним воздействиям, на самом деле всегда носит динамический характер. В ней происходят флуктуации - игра и противоборство рацемизации и преимущества того или иного оптического антипода, их взаимопревращение.
Малые резонансные возмущения в определенный момент неустойчивости системы могут разрастаться в макросистему вплоть до полного доминирования того или иного изомера. Особенно при дополнительном воздействии внешних асимметризирующих факторов (поляризованный свет, электрическое, магнитное, гравитационное и другие физические поля, конвекционные потоки на границе раздела фаз твёрдого, жидкого и газообразного состояния вещества и т.п.), что научно подтверждается многочисленными экспериментальными данными.
В результате поначалу обратимая рацемическая система переходит, таким образом, хотя бы на некоторое время, в достаточно стабильное состояние с частично (или даже полностью) нарушенной зеркальной симметрией.
Линейным органическим структурам, так или иначе оказавшимся где-то в спонтанно возникавшей оптически активной среде, ничего не оставалось поначалу, как включать в свой состав (в качестве строительного материала) только правовращающие или только левовращающие мономеры. Они просто вынуждены были это делать в отсутствие выбора в конкретных локальных условиях. Первичное образование таких асимметричных органических полимеров, несомненно, было делом случая и вряд ли имело поначалу какое-либо существенное значение для "мировой революции" в сторону жизни. Но фокус в том, что именно такие молекулы оказались наиболее подходящими (более перспективными) для последующей органической эволюции, что и подтвердил в дальнейшем их естественный отбор (первопричина всякой самоорганизации, метод методов, порождённый самой природой), который при всей своей стихийности шёл уже направленно.
Включение только одного изомера из двух послужило главной предпосылкой для стабилизации и выживания теперь уже куда более сложных органических молекул, их последующего воспроизведения и накопления в определенной среде, а также дальнейшего структурного и функционального усложнения. Такие молекулы приобретали преимущества в отношении скорости реакционных процессов и потенциальной возможности к реплицированию (рацематы полностью проигрывали им в этом отношении). Процесс их направленного отбора протекал ещё до зарождения жизни, то есть в предбиологический период, где-то в пограничной зоне гидросфера-литосфера.
Как бы ни было, рацематы - это тупик для дальнейшей биохимической эволюции. Грядущей жизни в самом её зачатии во Вселенной реально угрожала рацемическая симметрия. В рацемическом равновесии (в рацемическом хаосе) природа слепа, и только с выходом из него она прозревает. Нарушение оптической симметрии стало необходимой предпосылкой для возникновения жизни на фоне безжизненной природы. Отсюда само происхождение жизни мы не то что вправе, а просто обязаны рассматривать в единой связке с разрушением рацематов и возникновением оптической асимметрии. Жизнь возникла именно благодаря молекулярной асимметрии. Жизнь в полной мере есть порождение асимметрии, её счастливое производное. Без нарушения оптической симметрии космическая эволюция материи не пошла бы в сторону жизни.
Стереохимический критерий истины
Стереохимический подход к проблеме жизни позволит нам разобраться, наконец, в поиске местонахождения (локализации) так называемой «колыбели жизни». Если уж всерьез говорить «за жизнь», то важно будет узнать не только «что» предшествовало жизни (какие химические процессы), но и «где», в каких первичных экологических условиях могла возникнуть жизнь на Земле.
Сначала, как мы знаем, предполагался океан (с его «первичным бульоном»), затем стали рассматриваться другие варианты: морская приливно-отливная зона; континентальные пресные водоемы; подводные «черные курильщики»; вулканические извержения; горячие геотермальные источники и некоторые другие абиотические ландшафты древней Земли.
Каждая гипотеза имеет свои аргументы и научные обоснования. По мере накопления знаний и совершенствования методов исследования, возможно, будут появляться и другие, не менее значимые представления. Как разобраться в них и определить, какие же из них верны или, по крайней мере, наиболее близки к истине?
Сделать это непросто. Но здравый смысл подсказывает, что предпочтение следует отдавать все-таки той концепции, которая помимо всего прочего наилучшим образом объясняет не только условия разрушения оптической симметрии в начале эволюционного пути к жизни, но и учитывает его биологический смысл.
Жизнь есть феномен стереохимический. Поэтому все уже существующие гипотезы ее происхождения и те, что будут после, должны быть подвергнуты стереохимической экспертизе. Независимо от сложившихся методологических подходов. Будь то генобиоз (основанный на идее первичности молекулярной системы со свойствами генетической информации). Будь то голобиоз (основанный на идее первичности молекулярной системы со свойствами элементарного обмена веществ).
Дальнейшее движение в решении проблемы жизни без учета стереохимического фактора ее эволюционного происхождения (или в отрыве от этого фактора) не имеет перспективы. Такая практика в корне ошибочна. Она не только не приближает нас к истине в познании природы жизни, но и неизбежно заводит в методологический тупик.