Новая теория появления жизни

Пнд, 09/15/2014 - 21:17

Процессы зарождения жизни на Земле

Сразу же после того, как сформировались планеты и на их поверхность попало первое «допланетное» органическое вещество (и даже если не попало), на Земле начались те самые физико-химические процессы, которые породили жизнь. Для научной корректности, а также для того, чтобы можно было подсказать геологам, где искать следы первичной протожизни, сформулируем задачу — договоримся, что именно мы понимаем под феноменом «жизнь» и что могло быть ее первым проявлением.
Сегодня ученые считают, что нечто, называемое жизнью, должно отвечать нескольким условиям. Жизнь — это обязательно процесс, то есть функционирование за счет обмена веществом и энергией с окружающей средой. Живые объекты способны к размножению и воспроизведению себе подобных. Наконец, все живые объекты способны к прогрессивной эволюции в сообществе таких же объектов, благодаря наличию у них биологической памяти, способной запоминать признаки, благоприобретенные в ходе естественного отбора по Ч. Дарвину.

Причем должна выполняться вся совокупность условий — любое из них в отдельности не делает объект живым. Таким образом, несмотря на то что все процессы в живых организмах — химические, однако взятая отдельно химическая реакция не является жизнью, так же как и «воспроизведение» себе подобных. Например, рост кристаллов не что иное, как саморепликация подобных соединений и структур. Но это не жизнь. Простой обмен со средой веществом и энергией тоже не есть жизнь. К примеру, основной объект исследования Института катализа — каталитические химические процессы, в основе которых лежит именно обмен веществом объема с поверхностью катализатора. Но ведь и химический катализ — это тоже не жизнь.

Только тогда, когда появляется биологическая память, дающая возможность накапливать наследственную информацию и передавать ее дальше, можно говорить о жизни. Биологическая память — это основа для естественного отбора, в ходе которого организмы усложняются, адаптируются к окружающей среде и эволюционируют. Во всех живых организмах основой биологической памяти служат молекулы РНК и ДНК.

Мы задали себе вопрос: «А возможно ли, что существовали более простые предшественники РНК и ДНК, обладавшие тем не менее свойствами, сходными с молекулярной памятью?» На самом деле очень близки к биологическим автокаталитические системы. Это системы, в которых химическая реакция ускоряется собственными конечными продуктами реакции или предшественниками этих продуктов. Иными словами, в автокаталитических реакциях, как и в сообществе живых организмов, происходит размножение, то есть саморепликация молекул. Простейшая автокаталитическая реакция может быть записана как R + X —> 2 X. После реакции молекулы автокатализатора Х с «молекулой пищи» R получаются две молекулы автокатализатора. При достаточном количестве пищи в системе такое удвоение приводит к лавинообразному росту количества автокатализатора в системе.

А теперь посмотрим, как будет вести себя такая автокаталитическая реакция в открытой системе, где есть обмен веществом с окружающей средой, но количество «пищи» ограничено. Расчеты показывают, что существуют два стационарных состояния такой системы. В первом (неустойчивом) количество автокатализатора точно равно нулю. Это понятно: для того чтобы его концентрация росла, необходима исходная затравка в виде хотя бы одной предшествующей молекулы автокатализатора. Во втором стационарном состоянии концентрация автокатализатора линейно увеличивается с увеличением количества пищи. Но при этом концентрация пищи должна превышать некий минимальный уровень, зависящий от свойств конкретного автокатализатора. Если этого не происходит, то количество автокатализатора также станет равным нулю. Таким образом, для автокаталитических реакций существует критический предел, при котором еда еще есть, а автокатализатор уже исчез, то есть вымер. Причем полностью, до единой молекулы.

Теперь представим, что структура или состав молекулы могут как-то меняться. (Не будем пока называть это мутацией.) Изменение структуры и состава молекулы приводит к изменению ее свойств. Поэтому для каждой измененной молекулы будет своя критическая концентрация пищи. Если концентрация пищи будет уменьшаться до значений ниже критических, то сначала исчезнут те автокатализаторы, для которых эти критические значения количества пищи были максимальны. Если количество пищи снова увеличится, то исчезнувшие типы автокатализаторов не восстановятся уже никогда, потому что исчезли их затравки (рис. 3). Чем это не естественный отбор, аналогичный отбору в биологических популяциях?

Читатель сразу спросит: «А что, уже известны такие автокаталитические реакции с мутациями автокатализатора и с элементами «естественного отбора»?». Известна по крайней мере одна, и довольно хорошо — это так называемая «формозная» реакция Бутлерова, которая была открыта в России почти 150 лет тому назад. Синтез сахаров из молекул формальдегида

n CH2O —> (CH2O)n протекает в присутствии ионов кальция или магния при комнатной температуре в водных растворах. Автокатализаторами в реакции Бутлерова служат синтезируемые в ней же сахара. Интересно, что эту реакцию активно исследовали в 70-х годах прошлого века, поскольку хотели с ее помощью получать искусственную пищу во время длительных полетов на Марс. Но безуспешно: направить реакцию Бутлерова на синтез сахаров какой-либо заранее заданной структуры так и не вышло. Всегда получался целый набор продуктов самой различной структуры, который включал не только полезные, но и ядовитые сахара. Проблему бросили, так и не решив.

Между тем большой набор сахаров (рис. 4) — это не что иное, как прототип мутаций. Изображенные на рисунке сахара одинаковы по атомному составу, но при этом совершенно различны по свойствам. А раз так, то разными должны быть и критические концентрации формальдегида, при которых можно ожидать вымирания сахаров-автокатализаторов при понижении концентрации формальдегида.

Теперь вспомним, что полные химические названия РНК и ДНК — рибонуклеиновая кислота и дезоксирибонуклеиновая кислота, и корень обоих названий происходит от слова «рибоза». Рибоза — это сахар с пятью атомами углерода, который лежит в основе нуклеотидов, формирующих РНК и ДНК (рис. 5). Нуклеотиды РНК и ДНК отличаются от просто сахаров дополнительными фосфатными группами и азотсодержащими органическими соединениями. Отличие нуклеотидов РНК от нуклеотидов ДНК еще меньше — немного различаются азотистые основания, да в сахарном остатке ДНК не хватает одной гидроксигруппы. Причем если уже есть молекула сахара, то фосфорные и азотные соединения, необходимые для построения нуклеотидов, присоединяются к ней сами без серьезных проблем. Надо отметить, что и другой важный химический компонент живых организмов — переносчик энергии АТФ (аденозинтрифосфат) — тоже содержит моносахарид рибозы. То есть сахара — основа всего живого. И именно молекулы на основе сахаров, а не аминокислот (и следовательно, не белки) ответственны за биологическую память, то есть за отличие живого от неживого.

Для того чтобы экспериментально подтвердить наши предположения, несколько лет назад мы возобновили исследования реакции Бутлерова в Институте катализа. Прежде всего надо было выяснить, какие же типы сахаров — наиболее активные автокатализаторы в этой реакции. Это могло бы подсказать и ответ на вопрос, действительно ли возможен естественный отбор в реакции Бутлерова. Следующий принципиальный вопрос — какую роль в реакции играют ионы кальция или магния и каков механизм их каталитического действия?

Реакцию мы исследуем в довольно простых «проточных» устройствах, которые тем не менее способны моделировать открытые системы с обменом веществ (рис. 6). В стеклянный реактор с хорошо перемешиваемым содержимым подают исходные компоненты, а раствор с продуктами реакции непрерывно вытекает из реактора. Самое важное и сложное — химический анализ того, что получается из формальдегида.

Уже первые исследования показали, что далеко не все типы сахаров одинаковы. Кетозы, то есть те из сахаров, в молекулах которых один из атомов кислорода находится в строго определенном месте — активнее, чем альдозы. А самые активные — маленькие сахара с двумя и тремя атомами углерода: гликолевый и глицериновый альдегиды, а также дигидроксиацетон. При этом оказалось, что состав сахаров, которые получаются при стационарном протекании реакции, не зависит от природы вводимого в небольших количествах сахара — затравки. В качестве затравки мы использовали самые разные сахара, но химический анализ на очень чувствительных хроматографах каждый раз показывал, что состав продуктов абсолютно одинаков. Мы обнаружили в продуктах более 14 различных сахаров, но только три из них — глюкоза, сорбоза и эритроза — широко известны. Четыре продукта неизвестны до сих пор, и это вопрос, на который предстоит ответить в ближайшее время. Ответ на него может оказаться очень важным, поскольку биохимики считают, что для образования первичных нуклеотидов не нужна была именно рибоза, все могло начаться и с других ее аналогов. Откуда взялись самые первые молекулы сахаров, которые запустили автокаталитическую реакцию, мы уже знаем. Согласно нашим экспериментам, упомянутые выше простейшие сахара можно получить и без реакции Бутлерова, просто облучив водные растворы формальдегида УФ-светом.

С исходной пищей — формальдегидом тоже все довольно просто. В первичной атмосфере Земли, практически не содержавшей кислорода, формальдегид, несомненно, присутствовал, причем в больших количествах, поскольку возможны несколько путей его образования. Например, он мог получаться в древней атмосфере Земли при мощных разрядах молний или на раскаленных каталитически активных лавах. Хорошо известно, что в этой атмосфере присутствовали водород, оксид углерода, метан, водяной пар, углекислый газ, аммиак. В таких условиях для образования формальдегида достаточно горячей, содержащей железо поверхности.

За эти годы прояснилось, почему для синтеза сахаров нужны именно ионы кальция или магния. Оказалось, что все участники реакции образуют промежуточные соединения — сначала получается комплекс ионов кальция или магния с одной молекулой сахара, а потом к нему присоединяется молекула формальдегида. Возможно образование комплексов с несколькими молекулами сахара. В самые последние месяцы вообще обнаружилась фантастическая вещь. Если вместо катионов кальция взять его соль с фосфат-анионами (обычный природный апатит), то в реакции формальдегида с простейшими сахарами (которые, как было доказано, могли образоваться под действием света) почти селективно (!) получается... долгожданная рибоза! Вот так! Природа, вероятно, очень ловко обошлась малыми средствами. Замечу, что в апатите есть и фосфатные группы, так необходимые для создания нуклеотидов. Входят фосфаты или нет в синтезируемые сахара — покажет будущее.

Нельзя исключить, что реакция Бутлерова — не единственная автокаталитическая реакция, положившая начало естественному отбору и «жизни». Однако другие такие реакции пока не известны — надо искать.

Из всего сказанного можно сделать следующие выводы. Во-первых, в отличие от общепринятого мнения, естественный отбор на Земле мог начаться не с РНК и ДНК, а с гораздо более простых соединений. Во-вторых — и в этом важное отличие нашей теории — пребиотический бульон не обязательно должен быть густым, насыщенным разными органическими соединениями (что очень трудно предположить), а, наоборот, мог быть весьма разбавленным — только тогда начиналась конкуренция молекул автокатализаторов за пищу. Я полагаю, что это намного естественнее и правдоподобнее. Более того, первичный синтез сахаров в разбавленном пребиотическом бульоне по целому ряду термодинамических обстоятельств предпочтительнее, чем первичный синтез белков из аминокислот, который обычно обсуждают как первичный элемент зарождения жизни. Ведь при синтезе сахаров из молекул формальдегида не отщепляются молекулы воды, как это происходит при синтезе белков из простых аминокислот. Это значит, что сахара, в отличие от белков, стабильны даже в очень разбавленных водных растворах. Белки же в разбавленных растворах опять распадаются (гидролизуются) на аминокислоты.

Теперь вернемся к мутациям (все-таки воспользуемся этим биологическим термином, поскольку трудно подобрать более адекватное слово) сахаров-автокатализаторов и к тому, как закрепляются эти мутации в нашей системе. Полезные мутации в живых организмах крайне редки, и еще реже вероятность их фиксации. Поэтому естественный отбор в живой природе идет очень медленно. В тех условиях, в которых сейчас мы изучаем реакцию Бутлерова, и полезные, и вредные мутации происходят за очень короткие промежутки времени. По-видимому, это считанные минуты, а более точно покажут исследования. В любом случае это совершенно другой масштаб времени и совершенно другая скорость первичного химического отбора, чем предполагалось ранее. Это означает, что первые прототипы живых объектов действительно могли появиться буквально за считанные миллионы, а может быть, даже сотни тысяч лет. Миллиарды лет были для этого не нужны, о чем свидетельствует и геология.

Более того, гипотеза о важной роли автокаталитического синтеза сахаров может пролить свет и на появление хиральности в живом мире. Хорошо известно, что существуют «правые» и «левые» изомеры сахаров и в живых организмах почему-то представлены только правые (а вот аминокислоты, напротив, только левые). Если исходить из нашей гипотезы, то получается, что присутствие в живых организмах именно правых изомеров — случайность. Молекулы практически всех сахаров обладают свойством хиральности, поэтому первая же молекула сахара-автокатализатора, которая имела существенные «эволюционные» преимущества над другими, очень быстро могла съесть остальные. После этого природе уже ничего не оставалось, кроме как использовать эту случайную правую молекулу для построения более сложных, а затем и живых организмов.

Наконец, опираясь на сказанное выше, можно дать более широкое физико-химическое определение понятию «жизнь». Это не формализм. Ведь важно, чтобы мы в поисках примитивной жизни в космосе не прошли мимо того, что следует воспринимать как жизнь или ее первичные проявления. По нашему мнению, жизнь — это фазово-обособленная форма существования функционирующих автокатализаторов, способных к химическим мутациям и претерпевших достаточно длительную эволюцию за счет естественного отбора.

Мы пока не затрагивали вопрос о том, откуда берутся фазово-обособленные формы. Можно надеяться, что исследование реакции Бутлерова и других автокаталитических реакций поможет ответить и на этот вопрос. Однако уже сейчас известно, что такие системы существуют — например, реакции каталитического синтеза полимеров (полипропилена или полиэтилена). Полимер формируется сразу в виде отдельной фазы — микрогранулы или глобулы, внутри которой работает катализатор, наращивающий продукты вокруг себя.

Из всего этого следует еще один заранее неочевидный, но очень важный вывод: если все происходило именно так, как мы говорили выше, то появление жизни на основе именно РНК и ДНК предопределено. То есть других форм жизни появиться не могло. И значит, РНК и ДНК образуются на любой планете, геологическая история которой сходна с историей Земли.

Другие материалы рубрики


  • Те, кто по тем или иным причинам интересуется своим здоровьем и возможностью его улучшения, знают, что забота о здоровье стала дорогим удовольствием. Если раньше достаточно было бросить пить, курить, заняться утренними пробежками и чаще есть фрукты и овощи, то теперь приходится еще и покупать всевозможные товары, без которых, как утверждает реклама, здоровья не получишь. В частности, неотъемлемыми спутниками здорового образа жизни считаются биологически активные добавки к пище (БАДы), спрос на которые усиленно поддерживают статьи в популярных журналах, где подробно и со ссылками на научные данные расписываются достоинства того или иного препарата.
    Все БАДы можно разделить на несколько функциональных групп. Это, прежде всего, вещества, которые либо вообще не синтезируются в организме (являются незаменимыми), либо их синтез часто нарушается по тем или иным причинам. Из этой группы пищевых добавок наиболее известны витамины. Само слово «витамины» было придумано для обозначения веществ, которые должны поступать в организм в небольших количествах и нехватка которых приводит к различным проблемам со здоровьем — авитаминозам.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • Иммунитет — это не только выработка антител и активация фагоцитов. Растения и многие животные справляются с инфекциями с помощью пептидов, способных уничтожать патогенные микроорганизмы. Антимикробные пептиды растений, простейших, насекомых и высших животных, включая человека, близки по структуре. Это наводит на мысль, что они представляют собой древнейшую систему защиты организма от инфекции, которая сохранилась даже у животных с развитой иммунной системой практически в первозданном виде. Несмотря на свой «преклонный возраст», антимикробные пептиды эффективно борются с бактериями, что создает перспективы для их практического применения.



  • Некоторые ученые всю жизнь занимаются одним-единственным объектом и одной-единственной проблемой. Меня же все время носило из стороны в сторону. Одним из таких «заносов» было увлечение кошками. Не могу сказать, что я их страстный любитель... Но я посвятил этим домашним хищникам изрядную часть своего свободного времени, потому что их генетика оказалась безумно интересной. Да и знакомиться с наукой о наследственности намного увлекательнее на таком обаятельном объекте, чем на классической мушке-дрозофиле.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • ...Сверхвозможности у «обычных» людей в отличие от гениев проявляются — если проявляются — при необходимости решения сверхзадач. При этом мозг оказывается в состоянии, в интересах оптимизации своей работы, использовать и условно-патологические механизмы, в частности — гиперактивации, естественно, при достаточной защите, не дающей превратиться могущественному помощнику в эпилептический разряд. Сверхзадачу может поставить жизнь, а вот решаться она может и самостоятельно, и с помощью учителей, и есть в этой жизни решения, когда за результат можно заплатить и высокую цену. Пожалуйста, не путайте с печально знаменитым «цель оправдывает средства».



  • Личинки жуков-щелкунов (сем. Elateridae), или, как их еще называют за твердое цилиндрическое тело, проволочников, точат клубни, едят корни. Личинки хрущей (сем. Scarabaeidae) грызут корешки, и в лесах, где прошли лесозаготовки, не растут молодые деревца, так как их корни уничтожены хрущами. Достается и корням трав — там, где много хрущей, лесную траву можно оторвать от земли вместе с дерном.
    Личинки цикад (сем. Cicadidae) незримо копошатся в земле, тоже поедая корешки трав. В корнях деревьев живут некоторые усачи и короеды. Питаются корнями растений личинки некоторых комаров-долгоножек (сем. Tipulidae), когда нет другой подходящей добычи.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • Не торопитесь отвечать на этот простой, как кажется, вопрос, потому что за вас на него ответил шведский невролог Йонас Фрисен: каждому взрослому человеку в среднем пятнадцать с половиной лет. Если по паспорту вам, например, шестьдесят, то хрусталики ваших глаз в среднем на 22 недели старше, мозг примерно ваш ровесник, а вот вашей коже всего две недели от роду.
    Из одной научно-популярной книги в другую кочует утверждение: наше тело почти полностью обновляется за семь лет. Старые клетки постепенно отмирают, их места занимают новые.
    Клетки действительно обновляются, но откуда взялась мифическая цифра «семь», никто толком не знает. Для некоторых клеток срок обновления установлен более или менее точно, а именно: 150 дней для клеток крови, за постепенным замещением которых можно проследить после переливания крови, и две недели для клеток кожи, которые появляются в ее глубинных слоях, постепенно мигрируют на поверхность, отмирают и отшелушиваются.



  • ...За годы, прошедшие с момента, когда на микро-РНК всерьез обратили внимание, были обнаружены сотни подобных молекул — у одного человека их оказалось более 150. Живые организмы используют их как надежный инструмент для контроля экспрессии генов; примерно половина микроРНК, присутствующих у человека, обнаружена у иглобрюха, хотя оба вида дивергировали 400 млн. лет назад...

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • Знаете ли вы, что наши клетки обладают памятью? Они помнят не только то, что вы обычно едите на завтрак, но и чем питалась во время беременности ваша мама и бабушка. Ваши клетки хорошо помнят, занимаетесь ли вы спортом и как часто употребляете алкоголь. Память клеток хранит в себе ваши встречи с вирусами и то, насколько сильно вас любили в детстве. Клеточная память решает, будете ли вы склонны к ожирению и депрессиям. И во многом благодаря клеточной памяти мы отличаемся от шимпанзе, хотя имеем с ними примерно одинаковый набор генов. И эту удивительную особенность наших клеток помогла понять наука эпигенетика.
    пигенетика — довольно молодое направление современной науки. И пока она не так широко известна, как ее «родная» сестра, генетика. Многие, возможно, вообще впервые слышат это слово. В переводе с греческого предлог «эпи-» означает «над», «выше», «поверх».



  • Семена культурной сои, иногда называемые «соевыми бобами» (от англ. soya bean, soybean) — широко распространенный продукт питания, известный еще в третьем тысячелетии до н. э. Сою часто называют «чудо-растением» — отчасти благодаря сравнительно высокой урожайности и высокому содержанию растительного белка во многом аналогичном животному, в среднем составляющего около 40% от массы семени, а у отдельных сортов достигающего 48—50%. В связи с этим соя часто используется как недорогой и эффективный заменитель мяса, причем не только людьми с небольшим достатком, но и просто следующими диете с ограниченным употреблением мяса (например — вегетарианцами). Так же входит в состав некоторых кормов для животных.



  • В современном обществе особо популярной становится тема избыточного веса и возможных путей устранения этой проблемы. Известны сотни самых разнообразных диет, различные физические упражнения и даже хирургические вмешательства, призванные избавить человечество от этой напасти. Общей особенностью всех перечисленных «панацей» является их малая эффективность (если она вообще есть) и недолговечность позитивного результата. Чем же это вызвано? Прежде всего, тем, что жир — это не просто балластная часть организма, созданная для обезображивания нашего внешнего вида, а сложнейшая многофункциональная система, вырабатывающая огромное количество жизненно важных гормонов и влияющая почти на все физиологические процессы, протекающие в других органах (см. рис. 1). От «жирных» гормонов зависят и внешние формы организма, и артериальное давление, и пигментация тела, и настроение человека и многое-многое другое, так необходимое для полноценной жизни. Так что избавление от избыточного веса — проблема комплексная и многоотраслевая, которую нельзя свести к банальному постулату: «кушай — не кушай». Да и что такое лишний вес? Вопрос также не из легких. Постараемся внести ясность в эту животрепещущую проблему, так будоражащую умы всего прогрессивного человечества.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4