ВОЗНИКНОВЕНИЕ ЖИЗНИ - АБИОГЕНЕЗ

Последняя стадия биопоэза - приобретение способности к воспроизведению, редупликация

Воспроизведение (редупликация)

Последняя стадия биопоэза - приобретение способности к воспроизведению, благодаря которому жизнь может продолжать сама себя. Как и другие свойства современной жизни, эта способность кажется слишком сложным процессом, и трудно поверить, что она постепенно, шаг за шагом развилась из простых "неживых" реакций. Но если мы хотим понять, каким образом возникла жизнь, мы должны исследовать как раз эти простые стадии.

Бернал [4] особо подчеркивает, что для многих биохимиков жизнь начинается там, где появляются рибонуклеиновая и дезоксирибонуклеиновая кислоты, в которых теперь хранится наследственная информация, нужная для воспроизведения. Ведь большая часть биохимической литературы обсуждает процессы воспроизведения, идущие именно на этом уровне, процессы, связанные с генетическим кодом, и т. п. Берналу, кристаллографу по специальности, более интересными кажутся события, происходившие на самых ранних стадиях развития жизни. Он подчеркивает, что размножение - более распространенный процесс, чем считают обычно, и что оно тем или иным способом могло идти уже на ранних стадиях.

Согласно Берналу, основной принцип размножения уже действует в процессе кристаллизации, когда молекулы кристалла последовательно и регулярно взаимодействуют с атомами и ионами маточного раствора.

Для воспроизведения некоего объекта необходимо, чтобы копируемый объект был доступен для атомов или малых молекул, которые, соединяясь, образуют его копию. Значит, этот объект должен быть линейным или плоскостным. Предположим для простоты, что копируемая молекула построена из ряда субъединиц, расположенных одна за другой. Такая молекула, как мы уже знаем, называется линейным полимером. Поскольку жизнь связана с такими процессами, как рост и метаболизм, организм должен при воспроизведении передавать потомкам информацию об этих процессах.

Но полимер, сложенный из одинаковых строительных блоков, не может нести такой информации. Ведь чтобы слова, например, имели смысл, они должны состоять из разных субъединиц - букв. Полимер, способный к тому типу воспроизведения, о котором мы говорим, тоже должен состоять из последовательности разных строительных блоков. Такая молекула называется линейным гетерополимером [11, 24].

Бернал подчеркивает, что по законам кристаллографии такая молекула станет более устойчивой, если она будет спирально скручена. Поэтому вероятно, что уже самые примитивные линейные гетерополимеры, участвовавшие в примитивных процессах воспроизведения, имели спиральную структуру, свойственную более совершенным нуклеиновым кислотам, носителям генетической информации у современных организмов.

Подтверждение этим идеям можно найти у Кальвина [7], который рассказывает о спирализованных пептидных цепях, составляющих белки (16). Оказалось, что если заставить такую цепь развернуться (например, меняя температуру или рН), то при возвращении к прежним условиям она свертывается в точности по-старому. Значит, спиральная скрученность линейных полимеров не является каким-то особым свойством, присущим только жизни, - она зависит от термодинамических свойств полимеров.

Можно привести много примеров такого самовосстановления "испорченных" органических макромолекул - не только структурных белков, но и ферментов, а также небелковых соединений (пигментов). Полный обзор вопроса можно найти в последней книге Кальвина [8]. Но все это относится к трехмерной структуре этих полимеров, точнее, гетерополимеров. А какова их основная, первичная структура? Существует ли в последовательности их строительных блоков определенный порядок или полимерная нить представляет собой цепь беспорядочно, случайно соединенных субъединиц? В современных органических полимерах, как всем известно, всегда существует строгая упорядоченность. О двойной спирали, о генетическом коде слышали, конечно, все. Так вот, Фокс и сотр. [13-15] показали, что уже в полученных ими искусственных протеиноидах (см. гл. VI, разд. 6) отмечается хорошо выраженная упорядоченность последовательности аминокислот и их амидов.

Я не буду входить в химические подробности этого вопроса (читатель может ознакомиться с ними по цитированным работам), но здесь важно запомнить, что эта упорядоченность строения протеиноидов может быть доказана их "разборкой" и анализом полученных компонентов. Существенно то, что эти упорядоченные полимеры синтезированы неорганическим путем, в отсутствие нуклеиновых кислот. Значит, уже в эпоху преджизни могли синтезироваться упорядоченные полимеры, которые можно назвать самоупорядоченными, и из них могли формироваться белковоподобные соединения. Для этого не требовались живые организмы или нуклеиновые кислоты. Такая упорядоченность, видимо, может быть объяснена на основе трехмерной структуры и электронной конфигурации молекул аминокислот [12].

Последнее соображение особенно важно для тех, кто не склонен считать предложенные Фоксом условия среды (дождевая вода в действующем вулкане) слишком подходящими для возникновения жизни (см. гл. VI, разд. 7). Ведь если упорядоченность зависит от объемной структуры и электронной конфигурации аминокислот, то она возникнет в любой среде - и в горячей, предлагаемой Фоксом, и в водной с присутствием цианистого водорода или дицианамида, по Кальвину. Так что мы можем спокойно использовать результаты, полученные Фоксом в опытах со средами, более удобными в эксперименте, чем предлагаемые другими химиками, и переносить эти результаты на другие среды, которые кажутся более подходящими геологу.

Со временем могли начаться реакции между неорганически синтезированным протеиноидом, или "предбелком", и нуклеотидами такого же происхождения. Так постепенно нуклеиновые кислоты могли приобрести свою главенствующую роль, свойственную им теперь. Исследования этого вопроса уже начались, их обзор можно найти у Фокса [14] (см. также [29, 32]). Недавно получено первое экспериментальное подтверждение возможности развития такой "пред-ДНК" [22]. При взаимодействии мононуклеотидов и полиаминокислот произошло образование кодона глицина - ГГГ, входящего в современный генетический код. С уверенностью можно сказать, что будут осуществлены и другие подобные синтезы.