Александр Гордон - Диалоги (май 2003 г.)

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.

В.А.Да. Хорошо. Так что же получается? Всё, опять проблема решена? Теперь мы выстраиваем таким образом достаточно длинные цепочки, они складываются в такие специальные структуры, РНК или ДНК (остановимся, например, на концепции эволюции РНК-мира) – и всё. Дальше мы попадаем в область эволюции совершенно других структур и других правил. Мы проскочили барьер от неживой химии к живой.

Но нет. И тут возникает проблема. А какая проблема? А проблема возникает вот какая. Эшенмоузер собрал примерно 18 звеньев и сказал, что «я могу собирать так сколь угодно много». На самом деле нет. Оказалось, по теоретическим оценкам, что критической является длина порядка 30 единиц.

А.Г.Что недостаточно.

В.А.Явно недостаточно. Из этих 30 единиц мы никакие специфические – в функциональном смысле – структуры не создадим. А почему критическим оказывается длина порядка 30 единиц? По одной простой причине. По той причине, которая называется «катастрофой ошибок». И вот эта катастрофа ошибок связана со сложностью структур. Мы уже как-то говорили и о парадоксе Левинталя, и о катастрофе ошибок. А всё дело тут вот в чём.

Ведь что такое построить гомохиральную цепочку? Это построить определённую последовательность, например, только из левых молекул. Из очень большого числа всевозможных последовательностей левых и правых молекул, которые можно представить. Оказывается, когда это число становится слишком большим, у вас есть два варианта. Вы должны либо очень точно собирать, либо отказаться от сборки.

Чтобы точно собирать, нужно иметь очень специальные процессы, которые могут обеспечить только такие специфические структуры, как белки, то есть такие процессы, какие мы наблюдаем в биологии. Но если у вас их нет, то тогда у вас только один способ: вы должны держать настолько чистой среду, чтобы в этой среде у вас были только, скажем, левые изомеры, из которых вы строите. А правых было бы исчезающе мало, настолько мало, чтобы вероятность появления неправильного звена была бы очень маленькой. То есть вы специфичность функций заменяете специфичным состоянием среды.

А.Г.От чего – не легче.

В.А.От чего, конечно, не легче, но, может быть, всё-таки можно сделать это в химии? Посмотрим на все процессы спонтанного нарушения симметрии на уровне химии, то есть зададимся таким вопросом: а можем ли мы такую среду создать на уровне химической эволюции или на каких-то чуть более поздних стадиях эволюции? И выясняется, что нет. Даже механизм спонтанного нарушения симметрии (который приводит к асимметрическому состоянию) требует столь специфичного распознавания левых и правых молекул для создания очень сильной асимметрии, которое возможно только на биологическом уровне.