Марк Мосевицкий - Распространенность жизни и уникальность разума?

Однако представляется маловероятным, что ранними самовоспроизводящимися структурами были молекулы ДНК или РНК. В модельных экспериментах среди продуктов органических синтезов сахар рибоза встречается значительно реже других сахаров (Shapiro, 1984, 1988), и тем более редки нуклеозиды с “правильным” подключением к рибозе азотистого основания (в первом положении). С другой стороны, непосредственные объекты комлементарного узнавания, азотистые основания, вполне могли накапливаться в ходе органических синтезов в ранней атмосфере Земли. Уже в первых модельных экспериментах было показано, что аденин, а также другие пурины могут быть получены из циановодородной кислоты (HCN) (Oro, 1961; Ferris and Hagan, 1984; Borquez, 2005). Также присутствовавший в ранней атмосфере Земли цианоацетилен мог послужить исходным продуктом для образования пиримидинов цитозина и урацила (Miller 1986; Ferris and Hagan, 1984). Несмотря на то, что высказано сомнение в реальности пребиотического синтеза цитозина (Shapiro, 1999), многие авторы сходятся во мнении, что азотистые основания с самого начала входили в состав мономеров, из которых формировались цепные молекулы, обеспечивая авторепликацию этих молекул по принципу комплементарного узнавания. Последовательности азотистых оснований в автореплицирующихся молекулах, как и ныне, служили для записи и сохранения наследственной информации. Принято считать также, что звенья были ациклическими и ахиральными (не обладавшими оптической активностью) аналогами нуклеотидов. Однако нет единого мнения о возможной структуре скелетной части звеньев и, соответственно, о природе связей, объединяющих их в цепной молекуле. В настоящее время рассматриваются две основные концепции. Согласно одной из них, в ранних автореплицирующихся молекулах звенья соединялись, как и в нуклеиновых кислотах, фосфодиэфирными связями. Они могли быть сконструированы на основе гликоля, акролеина и других молекул, которые можно рассматривать как ациклические предшественники рибозы (Joyce and Schwartz, 1987; Schwartz, 1997; Zhang et al., 2005). Согласно другой концепции, звенья соединялись амидной связью подобно аминокислотам в белке. Мономерами в этом случае служили аминокислоты, у которых в качестве боковых групп были азотистые основания. Полимерные молекулы этого типа получили название пептид-нуклеиновых кислот (peptide nucleic acid, PNA). Их можно было бы также назвать “информационные пептиды”. Такие молекулы получены в лаборатории (Nielsen et al. 1991; Nelson et al., 2000; Fader and Trantrizos, 2002), что свидетельствует о реальности их синтеза в ходе химической эволюции. Матричный синтез цепи ПНК по комплементарной ПНК также осуществлен экспериментально. Более того, оказалось, что в качестве комплементарной матрицы при синтезе ПНК можно использовать цепь РНК и, наоборот, РНК может быть синтезирована по ПНК (Bohler et al. 1995). Последний факт представляется весьма существенным для эволюции. Он показывает, что при переходе по мере развития клеточных синтезов от простейших автореплицирующихся молекул к более совершенным структурам могла иметь место преемственность генетических свойств, информация о которых зашифрована в последовательности азотистых оснований. Аналогичными свойствами обладают также гликоль-нуклеиновые кислоты (Zhang et al., 2005). Мы не знаем, какой именно вариант структуры автореплицирующихся молекул был реализован при зарождении жизни. Возможно, параллельно функционировали несколько таких структур (Wu and Orgel, 1991). Главное, что упомянутые выше автореплицирующиеся структуры действительно могли возникнуть в ходе химической эволюции.

Независимо от того, какие автореплицирующиеся и иные структуры функционировали в предбиологическом мире, проблема катализа их синтеза сохраняет актуальность. Явление поверхностного катализа реакций полимеризации привлекло внимание исследователей как пока единственное научно правдоподобное объяснение добиологического образования белков и автореплицирующихся молекул. В качестве минералов-катализаторов особое внимание исследователей привлекли каолин (глины) (Cairns-Smith, 1985), пирит (FeS 2) (Keller et al., 1994), сульфид железа (FeS) (Wachtershauser, 1988; Huber, 2003; Martin and Russell, 2003). Поверхность этих минералов несет слабый положительный заряд. Такой заряд оттягивает электроны сорбированных на поверхности молекул. Благодаря этому ослабевают внутримолекулярные связи и повышается реакционноспособность молекул (иными словами, как при любом катализе, понижается энергия активации химических реакций). Кроме того, молекулы, сорбированные на поверхности, могут блуждать по ней, как бы подыскивая партнеров по взаимодействию. Сорбированная на поверхности твердого тела вода находится в связанном состоянии, что снижает ее вовлеченность в химические процессы. Благодаря этому процессы конденсации должны проходить эффективнее, чем в водной среде. К таким процессам относятся образование пептидной и фосфоэфирной связей, т. е. синтез белков и автореплицирующихся молекул. Действительно, на взвешенных в водном растворе аминокислот частицах коллоидных комплексов сульфидов железа и никеля в присутствии окиси углерода (CO) были синтезированы пептиды (Huber and Wachtershauser 1998, 2006). Важно отметить, что процесс осуществлялся в относительно мягких условиях (при температуре около 100 °C и нейтральных значениях pH). Такие условия считаются типичными для Земли 4–3.9 млрд лет тому назад. Не исключено, что предшественниками при синтезе пептидов были не сами аминокислоты, а присутствовавшие в большем количестве модифицированные предшественники (T aillades, 1998).

Энергия, необходимая для образования пептидной связи, как и для других реакций, могла доставляться не только теплом, но также уже упоминавшимися другими источниками: УФ-излучением и электрическими разрядами. (Dickerson 1978). Под действием тех же источников синтезировались соединения, сами способные быть донорами энергии. Это могли быть неорганические пирофосфаты (Baltscheffsky and Baltscheffsky 1994), которые образуются, в частности, из вулканической магмы при распаде P 4O 10(Yamagata at al. 1991), а также полифосфаты и органические макроэргические соединения (Kulaev, 1979; Westheimer, 1987).

Осуществление добиологических синтезов на поверхности минералов позволяло решить сразу несколько, как казалось не решаемых вне клетки, проблем: концентрирование реагентов в зоне реакции, катализ, сдвиг равновесия в сторону полимеризации. Еще одно важное качество осуществленных на поверхности синтезов: их продукты остаются на какое-то время в контакте с поверхностью и друг с другом. В формировавшихся на поверхности комплексах автореплицирующиеся молекулы (предшественники РНК и ДНК), пептиды и другие молекулы, в том числе способные запасать энергию, вступали во взаимодействия, воспринимаемые как зачаток метаболизма. Ключевым этапом раннего метаболизма могла стать организация взаимодействий, обеспечивших установление элементов обратной связи, когда определенный продукт способствует синтезу другого, а этот последний стимулирует образование первого. Особое значение имело установление такой связи между пептидами и автореплицирующимися молекулами. Пептиды, несмотря на небольшие размеры, уже могли играть роль катализатора. В частности, синтезированный в лаборатории дипептид гистидил-гистидин проявил способность катализировать как синтетические процессы, так и гидролиз (Shen et al., 1990). Поэтому предположение, что пептиды (белки) могли быть в числе самых ранних участников предбиологической эволюции и об участии пептидов в образовании автореплицирующихся молекул вполне оправдано, тем более, что аминокислоты, из которых формируются пептиды, могли быть образованы, как и азотистые основания, из HCN (Oro and Kamat, 1961; Oro and Guidry, 1961).