Читайте также:
|
В связи с тем, что живая и неживая природа характеризуются кардинальным отличием в виде наличия у живых систем состояний-целей и реализующих их алгоритмов, вопрос происхождения жизни не является сейчас решенным.
Суть пока господствующей гипотезы абиогенеза в том, что из абиогенной органики должно было появиться хотя бы одно образование, которое могло бы реплицировать само себя. Здесь имеются две гипотезы – первичности появления полипептидов или же полинуклеотидов. И в обоих случаях должно было возникнуть соединение, устойчивое к разрушительному влиянию внешней среды и в то же время самокопирующееся. В случае полипептидов все очень просто – самокопирующихся полипептидов не существует, все они синтезируются в рибосомах по коду, заложенному в нуклеиновых кислотах (о появлении данного кода – немного ниже). Прионы – не самокопирующиеся полипептиды, а соединения, меняющие конформацию уже существующих полипептидов по своему образцу. В водном растворе аминокислот чистые полипептиды не образуются, а синтезируются при некоторых благоприятных условиях протеиноиды – соединения аминокислот с беспорядочной структурой, использующие не только пептидную, но и другие виды связи. Но даже в случае гипотетического образования одних полипептидов скорость гидролиза намного превышает скорость их синтеза в связи с простой термодинамической закономерностью – реакция поликонденсации аминокислот экзотермическая, для преодоления порога необходимо очень много энергии, а при наличии этой энергии гидролиз спонтанно ускоряется. По мнению сторонников абиогенеза, мог синтезироваться какой-либо полипептид, устойчивый к гидролизу и самокопирующийся, а он и выжил в процессе естественного отбора среди других соединений. Но про самокопирование мы уже говорили – его у полипептидов не существует, а устойчивых к гидролизу полипептидов также не существует – сразу же после синтеза на рибосоме полипептидная цепочка готова подвергнуться гидролизу и подвергается (эффективность синтеза полипептидов в рибосомах около 60%, остальное разлагается тут же, на месте), если не встречается со специальными ферментными системами, которые защищают ее от гидролиза, транспортируют в место локализации (чаще всего – эндоплазматическую сеть) и по пути способствуют свертыванию в нативную конформацию – состояние, при котором устойчивость к гидролизу максимальна (но не абсолютна), а активный центр способен выполнять ту функцию, ради которой и синтезировался данный полипептид.
Как видим, естественный отбор никаким образом не вел к появлению полипептидов, устойчивых к гидролизу, зато в любом живом организме, любой клетке существуют биохимические алгоритмы, защищающие полипептиды от гидролиза и сообщающие им нативную конформацию. То есть сведения о конформации содержатся не в генетическом коде синтеза самого полипептида, а в коде других белков (шаперонов), которые для данного полипептида являются неким сторонним сообщением о нужной конформации. Обратим внимание – новая для всего организма информация при свертывании белка в нативную конформацию не возникает (а принятие белком нативной конформации – это некое ограничение имеющихся степеней свободы молекулы, так что это именно новая информация для конкретной молекулы), а записана в другом белке-сообщении, то есть закон невозрастания информации соблюдается и тут.
В плане самосинтеза и саморепликации полинуклеотидов тоже обнаруживается, что во-первых вероятность абиогенного синтеза пентозных сахаров (рибозы и дезоксирибозы) в предполагаемых условиях добиологической эпохи Земли практически нулевая, во-вторых – при наличии азотистых оснований, пентоз и фосфорной кислоты не возникает одной только специфической 3’-5’ связи между молекулами пентозы и фосфорной кислоты, а возникают все возможные – 2’-5’, 5’-5’ и т.д., что препятствует формированию упорядоченных полинуклеотидных цепей, в-третьих – поликонденсация нуклеиновых кислот еще более экзотермическая, чем полипептидов, и поэтому скорость распада в водной среде всегда преобладает над скоростью синтеза. Максимально (но не абсолютно) устойчивая к гидролизу форма РНК все же существует (глобула, т.е. свернутая в клубок конформация), но для того, чтобы реплицироваться, участок репликации должен расплестись, а это значит – стать неустойчивым к гидролизу. Скорость гидролиза и здесь будет очень высокой, а вероятность репликации без соответствующих ферментных систем – исчезающе малой, то есть отдельный полинуклеотид будет гидролизовываться в расплетенном участке, не успев самореплицироваться. Если же посмотреть на состояние ДНК и РНК в существующих организмах, то устойчивость к гидролизу никак им самим не присуща, а обеспечивается сторонними биохимическими механизмами – гистоновыми (и некоторыми другими) белками у ДНК эукариот или же белками оболочки вируса, хранящими его информационную ДНК или РНК.
Термодинамические особенности синтеза биополимеров как нельзя лучше демонстрируют связь теории информации с термодинамикой – закон невозрастания информации реализуется здесь чисто термодинамическими закономерностями.
Таким образом, сторонники абиогенеза путем естественного отбора случайно возникшего «первичного репликатора» допускают не только концептуальную ошибку, игнорируя закон невозрастания информации, но и фактическую – представляя себе этот суперустойчивый репликатор, не могут указать никаких его следов в существующих организмах, у которых устойчивость биополимеров обеспечивается не их внутренними свойствами, которые по их мнению должны были появиться в результате естественного отбора «первичных репликаторов», а сторонними для каждого полимера биохимическими механизмами, работающими только в совокупности.
К вопросу о формировании генетического кода. Структура аминокислот никоим образом не указывает на связь со структурой нуклеодидных триплетов, хотя бы потому, что некоторые аминокислоты (валин, лейцин, аланин, например) имеют гидрофобные свободные концы и не взаимодействуют с гидрофильными концами азотистых оснований нуклеотидов никак. Поэтому приходится признать, что генетический код сформирован произвольно, вне какой-либо биохимической закономерности, то есть для его формирования (и соответственно для синтеза аминоацил-тРНК) необходимо некое стороннее биохимическое сообщение, которое и реализовано в ферментах аминоацил-тРНК-синтетазах.
В этом обзоре я не коснулся еще одного очень важного аспекта происхождения жизни – вопроса хиральной однородности биополимеров. Та закономерность, что абиогенно синтезируются рацемические смеси, а для возникновения биополимеров используются только монохиральные изомеры (левые аминокислоты и правые сахара), и в неживой природе нет сколько-нибудь эффективного разделителя рацематов, уже освещена в биофизической литературе вполне достаточно. Оценка такого процесса биофизиками лучше всего прозвучала у В.И. Гольданского, который назвал в связи с этим происхождение жизни Биологическим Биг Бэнгом, то есть абсолютно невероятным событием.
Вывод:
Происхождение жизни из неживой материи должно было идти, проходя следующие стадии:
1. Абиогенный синтез биологических мономеров (совокупность маловероятных, но все же имевших место событий)
2. Разделение рацемических смесей мономеров с удалением правых аминокислот и левых сахаров (исчезающе маловероятное событие)
3. Реакции поликонденсации полипептидов и/или полинуклеотидов (для которых необходимо некое стороннее воздействие, запрещающее более вероятный синтез протеиноидов и «неправильно» связанных полинуклеотидов, плюс преодоление термодинамического запрета, выраженного в заведомо большей скорости гидролиза полимеров по сравнению со скоростью синтеза, что также делает эти реакции исчезающе маловероятным событием)
4. Формирование генетического кода (не просто исчезающе маловероятное событие, а событие, для которого необходимо некое произвольное стороннее информационное воздействие)
5. Формирование совокупности биохимических алгоритмов, выраженных в функционировании ферментных систем, защищающих генетическую информацию и сами же ферментные системы от гидролиза и иных разрушающих факторов, при этом допускающих функционирование систем репликации генетического материала (исчезающе маловероятное событие с учетом вероятности самопроизвольного появления именно нужных, а не просто любых полинуклеотидных и полипептидных последовательностей).
6. При этом естественного отбора на устойчивость отдельных простых «репликаторов» не происходило – все биохимические системы по отдельности легко разрушаемы и функционируют значимо долгое время, сравнимое с продолжительностью жизни организма, только в совокупности и в слаженном алгоритмическом взаимодействии. В противном случае мы бы до сих пор наблюдали такие «суперустойчивые репликаторы», которые еще проще вирусов, но в отличие от них не паразитируют на высокоорганизованных организмах, а живут в абиогенной внешней среде.
Таким образом, все эти особенности позволяют сделать вывод, что абиогенеза живых форм, даже самых простых, путем отбора случайных реакций поликонденсации, никогда не было, а для возникновения жизни нужны были некоторые информационные воздействия на абиогенную среду, которые последовательно увеличивали условную вероятность появления живых систем по сравнению с практически нулевой безусловной. Иными словами, для возникновения жизни был необходим упорядочивающий алгоритм, собирающий абиогенную органику в биогенные самореплицирующиеся системы, имеющий образование жизни как цель. Поэтому все усилия ученых, пытающихся доказать возможность случайного абиогенеза, являются заведомо провальными, а перспективным направлением может быть поиск этого самого биогенного алгоритма, увеличившего вероятность появления жизни от невозможной до достоверной.
Еще одна правдоподобная гипотеза – если закон невозрастания информации существовал со времени зарождения Вселенной, то это означает, что и алгоритмы биогенеза также существовали изначально и возможно – в самом начале существования Вселенной жизнь уже была, и более того – благоприятные для нее условия существовали также изначально во всей Вселенной, и только потом по причине какой-то вселенской катастрофы жизнь исчезла везде, кроме Земли (ну и возможно – каких-либо других землеподобных планет). Эта гипотеза дает некоторую надежду на существование внеземной жизни.
И последняя гипотеза заключается в том, что закон невозрастания информации (и сопряженный с ним закон неубывания энтропии, он же второй закон термодинамики) не являлся изначально присущим нашей Вселенной, а возник позже, в результате опять же катастрофы, изменившей фундаментальные физические константы. В пользу этой гипотезы говорит один очень значимый факт – достоверное усложнение генотипов у живых существ кембрийского периода. Получается, что либо информация возникала самопроизвольно (данного закона еще не существовало), либо все живые организмы получили некое стороннее информационное воздействие, и тогда справедлива первая гипотеза – наличие некоего биогенного алгоритма, внешнего по отношению к живым системам.
Итак, перспективные научные поиски в отношении проблемы происхождения жизни могут быть в трех направлениях:
1. Поиск некоей биогенной машины-алгоритма в законах физики и химии.
2. Доказательство возможного существования жизни с самого начала зарождения Вселенной.
3. Доказательство возможной факультативности закона невозрастания информации (и сопряженного с ним второго закона термодинамики), не проявлявшегося до некоторого этапа биологической эволюции, и соответственно поиск закономерности, включающей/отключающей этот закон.
Дата добавления: 2015-02-16; просмотров: 109 | Поможем написать вашу работу | Нарушение авторских прав |