Kitabı oku: «Современное состояние биосферы и экологическая политика», sayfa 3

Глава 3
Механизмы зарождения жизни на Земле

3.1. Аминокислоты

Сформировавшиеся физико-химические условия на первобытной планете можно отождествить с установкой С. Миллера, в которой он синтезировал аминокислоты из газов, существовавших в тот период. Единственная разница в экспериментах заключалась в том, что на Земле такой эксперимент осуществлялся в гигантских масштабах и в течение длительного времени.

Газы, высвобождающиеся из щелочных пород земной поверхности и при извержении вулканов, создали атмосферу, которая состояла из N₂, H₂, CO, H₂O и некоторого количества CO₂. Ультрафиолетовое излучение Солнца способствовало образованию цианистоводородной кислоты (HCN). Удивительно то, что облучение раствора HCN жесткой радиацией или пропусканием через него электрического разряда способствует синтезу NH₃ и аминокислот, главным образом серина и глицина, а также и других соединений. В образующейся новой смеси, состоящей из воды, аммиака и HCN происходит синтез аденина и амидов. Облучение растворов метана, аммиака и водорода способствует образованию аминокислот, жирных кислот и пуринов, необходимых для синтеза нуклеиновых кислот РНК и ДНК (Проссер, 1977, с. 242–243).

Эти факты свидетельствуют о том, что зарождение жизни на Земле было не результатом воли «всевышнего» а естественным движением материи, обусловившим за счет удачного сочетания физико-химических процессов ее появление. В настоящее время в различных объектах живой природы обнаружено до 200 различных аминокислот. В организме человека их около 60, но в состав белков входят 20, называемых незаменимыми (природными). Достаточно веские аргументы позволяют утверждать, что все живое на Земле имеет в своей основе некую «таблицу Менделеева» простейших элементов – аминокислот. Они, подобно атомам неживой природы, остаются одними и теми же практически для всего живого – от бактерий и растений до человека. Следует отметить, что кроме аминокислот существует еще один вид «атомов» живого – восемь мононуклеотидов, из которых образуются нуклеиновые кислоты. Важно подчеркнуть, что оба вида «атомов» живого вещества были получены экспериментальным путем (Хазен, 1988, с. 112–114). Напомним некоторые общеизвестные истины из биохимии.

Аминокислоты – это органические кислоты, у которых атом водорода а – углеродного атома замещен на аминогруппу – NH₂. В составе всех аминокислот имеются общие группировки вида – CH₂ – NH₂, -COOH, а боковые цепи аминокислот – радикалы (R) – различаются. Радикалы определяют структурные и функциональные особенности аминокислот.

В зависимости от способности вращать плоскость поляризованного луча и иметь стереоизомеры в природе встречаются два вида аминокислот – L-и D-типов (Ермолаев, Ильичева, 1989, с. 26–27). Оказывается, что большинство живых организмов имеют в своем составе L-аминокислоты. Почему? Можно полагать, что это связано с особенностями питания живых организмов, а, следовательно, строительством ими собственных белков. Выяснено (Проссер, 1977, с. 242–255), что аминокислоты, принадлежащие к L-ряду, лучше усваиваются, чем D-аминокислоты, которые, к тому же, являются токсичными. Только фенилаланин и метионин могут у большинства организмов усваиваться в D-формах. Действительно, прав был И. Ньютон, считавший, что «Природа не роскошествует излишними причинами». Эволюция «выбрала» L-вариант построения живого вещества.

Существуют ли еще какие-либо независимые наборы аминокислот, на основе которых могла бы образоваться сложная система миллионов видов живого?

Ответ на заданный вопрос можно проиллюстрировать следующими уникальными данными, приведенными в монографии А. М. Хазена (1989, с. 115–116).

На глубине 2600 м в подводном вулкане калифорнийской стороны Восточного Тихоокеанского хребта были обнаружены бактерии, способные жить при температуре +25 °C и давлении 265 атмосфер. При снижении температуры ниже 8 °C они погибали. В их состав, как и у всех обычных бактерий, входят белки, нуклеиновые кислоты и липиды. Но более 25 % аминокислот, образующих «атомы» этих бактерий, имеют структуру, не совпадающую с аминокислотами, обычными для живого на Земле. Источником питания для бактерий служат минеральные вещества, главным образом сера.

Там же обнаружены более высокоорганизованные формы живого (моллюски, погонофоры), которые значительно отличаются от всех обитающих на Земле существ. Однако эволюция избрала иной путь становления биосферы.

И это не случайно. Остановимся на этом вопросе детальней.

3.2. Комплексные соединения и живое вещество

Известно, что для нормального функционирования живого необходимо было распределить выполнение реакций в клетке таким образом, чтобы они совершались в определенной последовательности и в пространственно разделенных областях. Точнее, огромное количество тех или иных реакций не могут происходить в одном и том же месте, а поэтому клетка по своему составу должна быть разнородной, т. е. гетерогенной. По мере усложнения живого вещества его «ячейка», клетка, становилась все более совершенной.

Здесь уместен вопрос: является ли достаточным и необходимым условием для клеток наличие только белков, жиров и углеводов, из которых живые «машины» строят свое тело и без которых они не могут нормально функционировать?

Ответ однозначен: эти компоненты являются базовыми для живых систем. Они обеспечивают их строительным «материалом» и энергией. Но эволюция не остановила свой выбор только на данных органических веществах. Не меньшую роль в переходе неживого в живое сыграли металлы, которые запустили механизмы ускорения реакций в процессах адаптаций пробионтов к окружающей среде. Можно полагать, что соединение первичных форм органического вещества с металлами изменило саму суть существования этой формы материи. Действительно, внимательный анализ проблемы становления живого приводит к выводу, что необходимое сочетание прочности основных биологических структур и высокой химической активности, характерной для реакции в клетках, не может быть достигнуто, если для создания биологических машин пользоваться только органическими веществами (Николаев, 1986, с. 10–11). Официальная наука свидетельствует, что необходимым компонентом живых систем должны быть ионы металлов. Почему?

Ответ вытекает из следующего примера.

Известно, что если попытаться зажечь кусочек сахара, то он начинает с трудом гореть лишь при энергичном нагревании в пламени горелки, но если нанести на его поверхность немного порошка окиси меди, то сахар можно зажечь от пламени спички. Оказывается, что, находясь в ионном состоянии (соединения меди, железа, марганца и др.), металлы выполняют роль катализаторов, или ферментов окислительно-восстановительных реакций. Нет такого органического соединения, не содержащего металла, которое обладало бы столь сильно выраженными каталитическими свойствами в реакциях окисления.

Этот объективно существующий фактор сыграл для «решения природой задачи» – перехода неживого вещества в живое – решающую роль. Следует напомнить, что в клетках организмов содержится около 70–75 % и более воды. Ион металла, находясь в водном растворе, не безразличен к своему окружению. Он вступает во взаимодействия с молекулами воды и образует соединения, в которых на один ион приходится от 4 до 8 и более молекул воды. Химия утверждает, что молекулы многих соединений, например, аммиака, а также воды образуют с ионами металлов разнообразные соединения. Оказывается, что комплексообразование представляет собой одно из самых распространенных явлений в природе. Характерно, что некоторые ионы – Al³+, Zn²+, Mg²+, Na+, OH^- и др. приводят к упорядочению структуры воды вблизи иона, а K+, I^-, NO^3-, Cl^- – к ее разрыхлению. Растворение органических веществ может влиять на структуру воды в еще большей степени. Например, углеводороды настолько способствуют упорядочению структуры воды, что она при нормальной «комнатной» температуре в местах контакта с большой органической молекулой превращается в маленькие «айсберги», которые получили свое название по имени их открывателя – «айсберги Франка – Эванса» (Лебедев и др., 1974, с. 102–103). Следует отметить, что из-за структурных сдвигов в воде, обусловленных неорганическими и органическими веществами, меняются ее физико-химические свойства – растворимость, вязкость и т. д.

Если соединение состоит из центрального иона металла, в непосредственной близости от которого размещены молекулы аммиака или этилендиамина, то образуемые комплексы называют лигандами. Для последующего разделения живого вещества на царства животных и растений особое значение имеют комплексные соединения железа и магния, в которых четыре координационных места занимает одна частица – порфин. Следует отметить, что число лигандов, располагающихся в непосредственной близости от центрального иона, называют координационным числом иона.

Можно считать однозначно, что если бы «природой» не были «изобретены» комплексные соединения, а особенно то, в котором магний играет центральную роль (хлорофилл), на Земле невозможен был бы процесс создания из неорганических веществ органических. Образующиеся при фотосинтезе глюкоза и крахмал фактически являются резервуарами аккумулированной энергии, которую кванты света передали хлорофиллу на первых стадиях этого процесса. Ниже мы остановимся на изложении свойств хлорофилла и других комплексных соединений подробней.

Итак, за период господства восстановительной атмосферы на нашей планете произошли следующие события.

1. Синтез биологически важных органических соединений, таких как аминокислоты, порфирины, жирные кислоты, пурины и другие вещества. Эти процессы происходили в грандиозных по времени и пространству масштабах.

2. В соответствии с физико-химическими условиями того времени (высокие температуры, интенсивная вулканическая деятельность и т. д.) осуществлялась полимеризация аминокислот в некоторые предпочитаемые последовательности, похожие на белки и обладающие каталитической активностью.

3. Формирования первичного «органического» бульона, образование белковых молекул из L-аминокислот.

4. Возникновение металлоорганических комплексов, железо– и магний-порфиринов, которые стали играть роль мощных катализаторов в реакциях окисления с выделением энергии.

И все же до перехода неживой материи в «живую» необходимо было сделать еще один важный шаг – обеспечить образующиеся органические сгустки вещества собственным метаболизмом. Точнее, сформировать механизмы у отделенного от окружающей среды органического комочка, длительное время поддерживать энтропию на минимальном уровне, несмотря на ее стремление к росту. В современной интерпретации – живое вещество должно было обладать свойствами открытых систем. Следует отметить, что попытки объяснить отличие живого от неживого с позиций термодинамики были предприняты давно. Так, например, Э. С. Бауэр (1935), полагал, что жизнь есть следствие устойчивого неравновесного состояния особых молекул. Все (и только) живые системы никогда не бывают в равновесии и постоянно исполняют за счет своей свободной энергии работу против равновесия, требуемого законами физики и химии при существующих внешних условий. Как следует из этого утверждения, оно характеризуется большой неопределенностью. Поэтому прав С. Э. Шноль (1991, с. 78–84), считая, что «сама по себе термодинамическая неравновесность – отнюдь не специфическое свойство живых организмов». Сущность жизни не определяется особым физическим состоянием всех этих молекул. Здесь имеются в виду белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды и т. д. Действительно, перечисление характерных для машины деталей и их свойств – двигателя, карбюратора и т. д. – не позволяет нам утверждать, что это есть автомобиль. Следовательно, свершившийся в период становления биосферы переход абиогенных элементов (углерод, азот, водород и кислород – плюс включение в этот набор различных (биогенных) металлов и т. д.) позволил так их организовать, что, разрушая, например, белок, мы убеждаемся в том, что гибнет и сама жизнь. Возможно, данное свойство привело Ф. Энгельса к мысли о том, что жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ – самообновление химических составных частей этих тел.

Существует еще одно определение жизни, данное М. В. Волькенштейном:

«Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров – белков и нуклеиновых кислот» (цит. по: Высоцкая и др., 1995, с. 322).

Из вышеприведенных определений все же остается неясным, какие механизмы обусловили переход неорганических веществ, которые широко распространены в природе, в органические, т. е. те, которые лежат в основе живого? Широко распространенная ранее идея о возможности самосборки аминокислот и пептидов сразу до живых клеток, по-видимому, должна быть отвергнута в ничтожной вероятности такого события. Имеются экзотические примеры подобной, практически нулевой вероятности, типа: «ураган, пронесшийся над свалкой, может привести к сборке современного самолета». Но ведь природа производила эксперимент не с единичными объектами, а над статистическим массивом, т. е. системой, состоящей из большого числа одинаковых объектов. Действительно, вместо многократного бросания одной монеты можно рассматривать одновременное бросание многих монет, при этом число выпавших гербов или решек будет близко к наиболее ее вероятному значению, т. е. ¹/₂. Однако и эти примеры являются малоутешительными для ответа на главный вопрос – как возникла жизнь?

Можно полагать, что ответ на вопрос, «в чем же сущность жизни?», следует искать, исходя из теоремы К. Геделя: «…полное эпистемологическое описание языка А нельзя осуществить на том же языке А, ибо в языке А нельзя определить понятие истинности предложений языка А». Если выразиться точнее, – нельзя указать окончательные границы познания, нельзя взглянуть на мир, в котором живет человек, не выйдя за его пределы. И все же многие факты свидетельствуют, что результатом химической эволюции явилось возникновение первых форм жизни – клеток.

Глава 4
Основные этапы жизни

4.1. Образование мембран – основа начала жизни

Рассматривая гигантское многообразие современных живых организмов, можно прийти к выводу, что существовало множество путей развития, берущих начало от реликтовых форм жизни. На самом деле исследования молекулярной эволюции различных биологических видов сводят все пути, как ветви одного дерева, к главному стволу, у основания которого находится общий прародитель всех существующих сейчас видов.

Известно, что первые живые организмы с клеточной организацией обнаружены в земных слоях возрастом около 3,8 млрд лет. Например, древнейшие окаменевшие микроорганизмы, возраст которых 3,0–3,5 млрд лет, обнаружены в Южной Африке, в так называемой «системе Свазиленд». Этим же временем датируется проживание нитчатых и округлых микроскопических (похожих на бактерии) примитивных организмов, остатки которых (многочисленные и разнообразные – около десятка видов) были обнаружены в кремнистых толщах Западной Австралии (у фермы Норд Пол). Следует отметить еще один важный факт.

Так, при микроскопическом исследовании препаратов, изготовленных из кварцитов Гренландии возрастом 3,8 млрд лет, немецкие ученые обнаружили мелкие круглые или овальные удлиненные тельца, содержащие углеродные соединения. Тельца имели фрагменты капсулы, остатки внешней оболочки, характерной для микроорганизмов. Среди сотен одноклеточных организмов в кварцитах обнаруживаются такие, которые находились в стадии деления.

В сланцах Австралии обнаружены остатки сине-зеленых водорослей и окаменелый кольчатый червь, живший 650 млн лет назад. Удивительно, но эти организмы были похожи на современные. Следовательно, с самого начала возникновения жизни нуклеиновые структуры оставались устойчивыми.

Однако до сих пор не было представлено сколько-нибудь достоверных доказательств того, что древнейшие клетки имели современный генетический аппарат. Скорее всего, они были генетически более простыми формами – протобионтами. Существует мнение (Orgel, 1983, p. 65–71), что основу кода протобионтов составляли нуклеотиды, подобные современным нуклеиновым кислотам (цит. по: Дреймер и др., 1989). Предшественники протобионтов – пробионты кода вообще не имели и синтезировали каталитически активные комплексы не ферментативным путем, каждый раз заново во множество известных в настоящее время процессов, составляющих область химической эволюции. В период существования пробионтов и протобионтов жизнь имела уже вполне организованную форму на основе примитивной клетки и каталитически активных олигомеров.

Можно полагать, что обнадеживающее разрешение этой загадки содержится в исследованиях американских ученых, которым, по-видимому, удалось найти промежуточное звено между ДНК, хранящей информацию о строении белка, и самим белком-биокатализатором.

Так, например, в Массачусетском технологическом институте (Гарвард, США) синтезирована молекула, которая служит именно таким «мостиком», – триациловый эфир аминоаденозина (ТЭА), способный к самокопированию. Эта молекула, как и ДНК при бесклеточном синтезе, служит «затравкой» для образования копий. Поскольку эфирный конец ТЭА обладает «липкими» свойствами (характерными для одиночных цепей нуклеиновых кислот), молекулы эфира и аминоаденозина захватываются им и составные части новой молекулы ТЭА сближаются на расстояние, необходимое для образования ковалентной связи. Характерно, что триациловый эфир и аминоаденозин могут полимеризоваться и без ТЭА-матрицы, но в этом случае реакция идет в 100 раз медлененнее, чем с матрицей, т. е. ТЭА обладает каталитическими свойствами (Science, 1990, Vol. 248, № 4963, p. 1609).

Известно, что наличие каталитических свойств и способности нуклеиновых кислот самокопироваться открыли С. Олтмэн и Т Чек. Что же удалось доказать двум лауреатам Нобелевской премии? Напомним некоторые сведения из молекулярной биологии.

До работ Т Чека и С. Олтмэна ни у одного биохимика не возникало и тени сомнения в том, что биологическими катализаторами могут быть только белки. Правда еще в 60-х гг. XIX в. Ф. Крик, Л. Оргел и К. Возе предполагали, что на ранних этапах эволюции рибонуклеиновая кислота (РНК) могла быть ферментом, т. е. обладать этим свойством. В конце 1970-х гг. было выяснено, что многие гены (особенно у эвкариот) построены мозаично. Они состоят из экзонов (значащих участков) и интронов (соединяющих экзоны, в которых для данного гена не содержится осмысленной информации. Антисмысловые РНК регулируют активность генов. В ходе процессинга особого типа, получившего название сплайсинг, интронные участки РНК вырезаются, а экзонные сшиваются друг с другом в строго определенных местах и в строго определенном порядке. Как правило, сплайсинг обслуживают специальные белки-ферменты, одни из которых разрезают, а другие сшивают полинуклеотидные цепи РНК.

Т. Чек занялся поиском этих ферментов. В результате тонких, оригинальных опытов он обнаружил, что в контрольной пробе, не содержащей никаких белков, сплайсинг шел самопроизвольно. Точнее, интронный участок выбрасывался из РНК, а экзонные участки правильно сшивались автокаталитическим путем, без участия белков-ферментов. Дальнейшие эксперименты, проведенные почти одновременно Т. Чеком и С. Олтмэном на двух разных примерах, показали, что РНК может быть ферментом – она способна катализировать специфические химические превращения поли-нуклеотидных цепей других молекул РНК. Автор этого открытия размышляет следующим образом:

«…на заре возникновения жизни система белкового синтеза состояла только из РНК. Иными словами, «доисторическая рибосома могла обходиться вообще без белков». Данное открытие может окончательно решить проблему зарождения жизни на нашей планете, т. е. земного ее происхождения.

В соответствии с данным открытием можно ли считать, что первые формы жизни, вероятно – доклеточные, тоже обходились без белков, а значит, и без рибосом? Вообще с биохимической точки зрения, у живого есть две характерные особенности. Это хранение и передача генетической информации и катализ всех химических реакций в клетке. Мы знаем, что нуклеиновые кислоты несут ответственность за хранение и передачу информации, а белки – за катализ. И здесь кроется главная загадка эволюции жизни. А при зарождении жизни, что появилось раньше – информация или катализ, т. е. нуклеиновые кислоты или белки? Можно полагать, что в начале жизни были именно РНК. Это привлекательная гипотеза, потому что была обнаружена способность РНК участвовать и в другой каталитической реакции без помощи белков – в сборке нуклеотидов в длинные цепи. Такая сборка лежит в основе возникновения первой самовоспроизво-дящейся системы – неотъемлемого признака живой природы» (Чек, 1988, с. 31–33).

Из имеющихся фактов становления живых организмов наиболее значимыми являются исследования, посвященные возникновению мембран. Действительно, заключив органический коллоид в «своеобразную» оболочку, которая отграничила его от окружающей среды, в эволюции живых систем произошел еще один существенный прорыв – это возможность поддерживать (несовпадающей по своим свойствам с абиогенными веществами) непрерывный процесс обмена веществ и следовательно своего «стационарного» существования. Это когда скорость возрастания энтропии, обусловленная протеканием необратимых процессов, имеет положительное и минимальное из возможных значений (теорема И. Пригожина). Живое вещество обрело свойство осуществлять собственный метаболизм независимо от окружающей среды. Точнее, законы термодинамики не отрицались, но они стали реализовываться в открытых системах иначе.

Уделим возникновению мембран особое внимание. Согласно данным систематики к настоящему времени обнаружено большое разнообразие живых организмов. Это наводит на мысль, что в процессе эволюции существовало множество путей развития, берущих начало от реликтовых форм жизни. Однако исследования молекулярной эволюции свидетельствуют, что началу возникновения всех существующих сейчас видов положил их общий прародитель – протобионты. Оказывается, появлению первых организмов предшествовали отделенные мембранами первичные клетки, построенные из несложных молекул; затем клетки, содержащие олигопептиды, и только потом – генетический материал (Дреймер с соавт., 1989, с. 4).

В связи с этим особая роль отводится мембранам, которые стали главными и необходимыми условиями возникновения жизни. Как же образовались мембраны, точнее, как все происходило? Напомним современные представления о строении мембран.

Клеточная, или плазматическая, мембрана – это барьер, отделяющий цитоплазму всех клеток про– и эукариот от окружающей среды. Он состоит из липидов, белков и углеводов. Мембранами окружены некоторые внутриклеточные органеллы – митохондрии, хлоропласты, эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, лизосомы и ядро.

Липиды природных мембран в основном представлены фосфолипидами, у которых одна или две жирнокислые цепи этерифицированы либо глицеролом (трехатомный спирт), либо сфингозином (аминоспиртом), а к третьему атому углерода присоединена фосфатная группа, с которой в свою очередь связана полярная группа, например холин.

Липидный биослой – это структура, характерная для плазматических мембран всех живых клеток. Толщина этого слоя составляет примерно 45 нм в зависимости от типов присутствующих в нем жирных кислот. Неполярные хвосты липидных молекул обращены друг к другу, а полярные головки остаются снаружи биослоя, образуя внутреннюю и наружную гидрофильные поверхности.

Кроме липидов в клеточной мембране присутствуют два типа белков – интегральные и периферические.

Интегральные белки пронизывают мембрану насквозь. У них есть центральное гидрофобное ядро, взаимодействующее с жирнокислотными цепями, и гидрофильные концы, контактирующие с клеточным содержимым и с окружением.

Периферические белки не пронизывают мембрану и связаны с ней менее прочно. Кроме этих и других черт, всем природным мембранам присуща асимметрия. Это обусловлено тем, что липидные молекулы, различающиеся в основном своими головными группами, распределены между двумя слоями биослоя асимметрично.

Клетку принято рассматривать как пространство, окруженное мембраной, в котором возможно каталитическое превращение органических веществ и трансформация энергии. Логично предположить, что для осуществления вышеупомянутых функций клетка должна была быть отграниченной от окружающей среды мембраной. В этой связи представляется целесообразным привести ряд примеров, подтверждающих возникновение клеточной организации на нашей планете.