14. Три этапа космической эволюции в сторону жизни. Часть 2
Начало: (13)
Линейная доминанта
в понимании природы живой материи,
происхождения и сущности жизни
«Я хочу узнать, как Господь создал этот мир. Мне неинтересно отдельно то или иное явление, спектр того или иного элемента; я хочу знать Его мысли. Всё остальное - детали».
(А. Эйнштейн)
Второй этап (в нем главная интрига жизни!):
разрушение зеркальной симметрии
Однако на пути к реализации этой потенциальной возможности изначально стояло весьма серьёзное и трудно преодолимое препятствие стереохимического порядка. Ввиду особой важности этого вопроса, ставшего камнем преткновения для каждой теории происхождения жизни, остановлюсь на нём более подробно.
Суть в том, что органические молекулы, как и любые материальные тела, являются трехмерными образованиями, имеющими определенный объём. От их пространственной конфигурации (а не только от элементарного состава) в значительной мере зависят физические и химические свойства, направление и скорость реакций. Между тем, важнейшие строительные элементы жизни - аминокислоты и сахара реально существуют в виде двух пространственных антиподов (иначе говоря, изомеров) - L и D (от лат. laevus - левый и dexter - правый), которые, подобно правой и левой перчаткам, зеркально отображают друг друга и, следовательно, ни при каком перемещении в пространстве не могут совпадать друг с другом.
Напомню: каждый в отдельности взятый изомер обладает так называемой оптической активностью. Его раствор способен отклонять плоскость проходящего поляризованного света на определенный угол: в одном случае вправо (правовращающий изомер), в другом - влево (левовращающий изомер). Однако в принципе изомеры в чистом виде, как «левые», так и «правые», термодинамически гораздо менее устойчивы, чем их равновеликая (эквимолярнная) смесь. По этой причине каждый из них имеет склонность к превращению наполовину в свою стереохимическую противоположность. И, стало быть, составленная любым из них молекулярная система с течением времени самопроизвольно переходит в энергетически более выгодную форму - равновесный рацемат, который, естественно, не обладает оптической активностью, поскольку в нем возможности отклонения плоскости поляризации влево и вправо взаимно компенсированы.
В процессе искусственного химического синтеза (как аминокислот, так и сахаров) всегда получается рацемат. Разделить рацемат на отдельные фракции или же заведомо получить таковые в чистом виде довольно трудно. Все это, несомненно, указывает на то, что на ранней Земле безраздельно господствовали органические рацематы и, стало быть, жизнь исторически возникала на рацемическом фоне. Но рацематы - это тупик для биохимической эволюции в сторону жизни.
Почему так? Отвечаю. Жизнь на молекулярном уровне (как это мы хорошо знаем теперь) очень любит линейную, «строевую дисциплину». 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 конструкций.
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». Кто сможет без напряжения и раздражения читать большое литературное произведение, напечатанное 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 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. Короче говоря, грядущей жизни в самом её начале реально угрожала рацемическая симметрия, ей угрожала рацемическая смерть.
К счастью, эта симметрия была благополучно нарушена. Биосфера решительно отвергла рацематы. Жизнь пошла наперекор сложившимся ранее правилам. Она не потерпела равноправия левых и правых стереоизомеров. Она распознает, принимает и воспроизводит в своем непрерывном метаболизме (как это мы хорошо знаем теперь) только D-сахара и только L-аминокислоты.
(Единственной аминокислотой, не обладающей оптической активностью вообще, является глицин, поскольку в его молекуле нет асимметрического атома углерода).
Хотя, казалось бы, все препятствует этому в мире, где господствует тенденция к равноправному, симметричному существованию левых и правых изомеров какого-либо конкретного органического соединения. Ни один из фундаментальных законов физики не запрещает симметрию оптических изомеров. Но нет жизни без оптической асимметрии, как и нет в природе асимметричного состояния органического вещества в каких-либо ощутимых масштабах без жизни. Особая мета стоит на всём живом. Один-единственный признак - избирательное отношение к оптическим антиподам - проводит резкую грань между живой и неживой природой. И на то должна быть веская, продиктованная крайней биологической необходимостью причина. Иначе говоря, наряду с вопросом «почему?» (на котором традиционно, со времен Л. Пастера, было сосредоточено внимание научной мысли) мы вправе поставить теперь вопрос «для чего?».
Но, как это ни странно, такой совершенно логичный вопрос, кажется, никогда еще в науке не возникал. Стереохимический феномен жизни с самого начала был расценен в ученом мире главным образом как некая данность, некая причуда природы, не имеющая особого биологического смысла. В самом деле, правые и левые антиподы, образующие рацемат, носят одно и то же химическое название, они построены из одних и тех же атомов, с одной и той же последовательностью. Имеют одинаковые химические свойства, одинаковые физические константы (температура плавления и кипения, плотность, растворимость, показатель преломления и др.). Возможно, это обстоятельство и направило мысль по ошибочному пути. Сложилось представление о произвольном и совершенно случайном предпочтение 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 число правых и левых молекул аминокислот», - писал в своё время большой знаток химии Л. Полинг. И далее он же: «На Земле могли бы жить организмы, построенные из D-аминокислот, так же как и организмы, построенные из L-аминокислот».
Внимание исследователей со времен Л. Пастера сосредоточилось не столько на биологическом смысле оптической асимметрии, сколько на поиске возможных физических факторов, которые могли бы её вызвать в самом начале, причём непременно в глобальных (возможно даже, космических) масштабах. Сам Л. Пастер полагал, что зеркальная асимметрия есть проявление некой «диссимметрии Вселенной» и, стало быть, она была навязана живой природе извне. Понятно, что при такой трактовке вопрос о биологической целесообразности феномена теряет всякий смысл.
Позже гипотетически рассматривались более конкретные, но опять-таки внешние асимметризируюшие факторы: магнитное и гравитационное поля Земли; слабое взаимодействие с его нарушением чётности; поляризованный звёздный свет (благодаря которому, возможно, во всей Солнечной системе левые аминокислоты преобладают над правыми, а в других галактиках - их зеркальные двойники, так что аминокислоты там правые, а сахара - левые) и т.п.
Дополнительный импульс, усиливший интерес к проблеме, сообщила разработка теории катастроф (как ответвление теории динамических систем) и концепции самоорганизации. Часто цитируемая в этой связи гипотеза Л.Л Морозова и В.И. Гольданского предполагает, в частности, так называемый самопроизвольный фазовый переход к асимметрии, причем скачкообразно, через необратимую бифуркацию. Подобно тому, как возникновение Вселенной связывается современной космологией с «Большим взрывом» (Big Bang - 2B), так и возникновение жизни во Вселенной (а, стало быть, и оптической активности элементов живого вещества) можно связать со своеобразным «Биологическим Большим взрывом (Biologikal Big Bang - 3B). Возникновение жизни в безжизненной природе из первоначально рацемической смеси оптических антиподов мира добиологической химии происходило, по мнению названных авторов, именно как своеобразный фазовый переход, как бифуркация, как катастрофа. Эволюционный сценарий происхождения оптической асимметрии (предполагающий постепенное накопление однонаправленных молекулярных стереоизомеров) был ими полностью отвергнут.
Мне же представляется, однако, вполне реалистичным именно эволюционный сценарий происхождения оптической асимметрии. Причем в традиционном понимании смысла этого термина, т.е. эволюция, идущая через случайную 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 из окружающей среды 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 макроструктуру вплоть до полного доминирования того или иного изомера. Особенно при дополнительном воздействии 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 подтверждается многочисленными экспериментальными данными. В результате поначалу обратимая рацемическая система переходит, таким образом, в достаточно стабильное состояние с частично (или даже полностью) нарушенной зеркальной симметрией.
В качестве разрушителей зеркальной симметрии могли выступать и объекты минерального происхождения, обладающие в силу особых своих качеств каталитической активностью, например, асимметрические (левовращающие и правовращающие) кристаллы кварца. И, стало быть, химический элемент кремний, который выше уже был назван мной в качестве возможного первичного фактора линейной полимеризации органических молекул, вполне мог оказать углероду ещё и вторую услугу в грядущем конструировании им жизни. Сочетание двух возможностей в одном «силикатном гене», по логике, имело бы для природы несомненные «экономические» преимущества.
Как бы то ни было, нарушение оптической симметрии вполне могло происходить в мягком и спокойном режиме, без каких-либо молниеносных катастроф и революционных потрясений, словом, без всякого «B». И необязательно сразу в глобальных масштабах, как это полагали Л.Л. Морозов и В.И. Гольданский.
Полимерным органическим молекулам, формировавшимся где-то в спонтанно возникавшей оптически активной среде, ничего не оставалось, как включать в свой состав (в качестве строительного материала) только правовращающие или только левовращающие мономеры. Они просто вынуждены были это делать в отсутствие выбора! Первичное образование таких асимметричных органических полимеров, несомненно, было делом случая и вряд ли имело поначалу какое-либо существенное значение для "мировой революции". Однако именно такие молекулы оказались наиболее подходящими для последующей органической эволюции, что и показал 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 мог протекать, в принципе, ещё до зарождения жизни, в так называемом первичном «бульоне».
В рацемическом равновесии (в рацемическом хаосе) природа слепа, и только с выходом из него она прозревает. Происходившее спонтанно 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, которая была закреплена в процессе эволюционного отбора. Жизнь в полной мере есть порождение асимметрии, её счастливое производное. Без нарушения оптической симметрии эволюция материи никогда и ни при каких обстоятельствах не пошла бы в сторону жизни.
(Следует заметить, что нарушение симметрий есть всеобщее, фундаментальное свойство природы. Это только внешне кажется, что наш мир идеально симметричен. На самом деле его симметрия, как и симметрия живых существ, обитающих в нем, определенным образом нарушена. Мы живем в симметрично-асимметричном мире. И можно только восхищаться замечательно подобранным соотношением сохраненных и нарушенных симметрий, которое порождает и обусловливает подлинную красоту мира и на котором, собственно, зиждется вся гармония природы а, стало быть, и нашего (человеческого) существования. (Подробнее об этом: Кулик А.В. Человек в симметрично-асимметричном мире//Экология и жизнь.- № 7.- 2012.- С. 4-11; Главный редактор журнала «Экология и жизнь» Александр Самсонов о бозоне Хиггса и «частице Бога» (www.ecolife.ru))
Продолжение следует