С.Б. ПАШУТИН

Целесообразные мотивы и возможные механизмы возникновения жизни

К нерешенным проблемам биологии можно смело причислить начальный этап происхождения жизни. Даже наиболее правдоподобные гипотезы и стройные теории биогенеза не в состоянии дать устраивающего всех объяснения феномену появления жизни на нашей планете. Это вполне естественно, если рассматривать данную проблему отдельно от всех остальных природных процессов. Однако все дело в том, что переход материи из неживой в живую – это лишь очередная стадия химической эволюции, приводящей в соответствии с одними и теми же физико-химическими законами к появлению новых структур.

Физико-химическое обоснование возможности появления биологических структур

Появление биологических структур стало возможным при том отпущенном времени и при существовавших в те далекие времена условиях. Если бы химическая эволюция шла по-другому, это вряд ли бы привело к уникальной ситуации, при которой оказался возможным переход на новый качественный этап, т.е. к биогенезу. Другими словами, появление биологической системы является закономерным итогом в цепи событий, направленных, в соответствии со вторым началом термодинамики, на достижение устойчивого конечного состояния.

Стабильность любой молекулярной структуры (как и скорость протекания химических реакций) определяется энергетически наиболее выгодной взаимной ориентацией молекул. Если пространственное расположение молекул не является термодинамически оптимальным или внешние воздействия нарушают связи между элементами структуры, то энтропия системы уменьшается, и она становится неустойчивой. Из этого следует, что любая открытая, т.е. не изолированная от окружающей среды, система может стать относительно нечувствительной к дестабилизирующему воздействию либо при поступлении свободной энергии извне, либо в случае снижения собственной энтропии при увеличении степени организации и уровня структурной упорядоченности всей системы. Вполне допустима и комбинация обоих механизмов.

Как раз эти способы и лежат в основе функционирования биологических структур, являясь если не отличительными их признаками, то во всяком случае важнейшими, определяющими приспособительные и адаптационные возможности живой системы. Что касается специфических свойств, присущих исключительно живым структурам, то в первую очередь к ним можно отнести матричное самовоспроизведение на основе информации об особенностях своего строения, сохраняемой в закодированном виде в ДНК. Наиболее удобными для этого химическими соединениями оказались нуклеиновые основания пуриновой и пиримидиновой природы. Причем в эволюционном аспекте пурины проявили свою полифункциональность [1, 2]. С незначительными модификациями они представлены во многих функциональных клеточных циклах: и в виде аккумуляторов энергии – макроэргов, как основных источников свободной энергии (АТФ), и как универсальные регуляторы биохимических процессов в виде циклических нуклеотидов (цАМФ и цГМФ), не говоря уже о собственно ДНК и РНК. Кроме того, аденин в виде никотинамидадениндинуклеотидфосфата (НАДФ+), флавинадениндинуклеотида (ФАД) и кофермента А (КоА) входит в состав ключевых коферментов, участвующих в механизмах энергообеспечения метаболических реакций.

Не исключено, что уникальные свойства нуклеотидов и в то же время их универсальность оказались наиболее востребованными для перехода химической эволюции в биологическую, поскольку никакими другими соединениями для этого природа не воспользовалась. Создается впечатление, что вся ее «мудрость» направлена на достижение гармонии и совершенства и заключается в подборе наиболее выгодных и удобных энергетических сочетаний молекул друг с другом, так как, по сути, нет сколько-нибудь очевидных химических запретов на создание иных структур, отличающихся от тех, которые были использованы в биогенезе. Иными словами, для химического способа хранения и реализации информации о благоприятных для живой системы сочетаниях и пространственной ориентации молекул природа не смогла найти ничего лучшего и более подходящего, нежели рибо- и/или дезоксирибонуклеотиды.

Предпосылки перехода к биогенезу

Необходимо отметить, что переходу химической эволюции к следующему этапу своего развития, который мы называем жизнью, предшествовал большой подготовительный период, за время которого были созданы условия для возникновения всех структурных элементов, необходимых для биогенеза. Это позволяет постулировать, что уже в предбиологический период могли существовать высокомолекулярные соединения и появляться сложные органические молекулы, такие как сахара, липиды и нуклеотиды. Также ничего не мешало, согласно всем физико-химическим законам и спонтанному образованию аминокислот, вплоть до олигопептидов, если, конечно, течению таких реакций не мешало местное внешнее окружение [1, 3]. Этот подготовительный период можно назвать стадией медленного накопления потенциально возможных сочетаний различных химических соединений друг с другом, поскольку необходимых ферментов для быстрого и эффективного хода этих реакций еще не было.

Не менее значимым для возникновения жизни событием явилось обеспечение условий для протекания нужных химических реакций. Следует отметить, что в открытой, незамкнутой, системе возможности для благоприятных химических превращений зачастую отсутствуют в связи с рядом кинетических и термодинамических запретов. Но даже, если в условиях неограниченного пространства и происходила спонтанная самопроизвольная полимеризация, например тех же нуклеотидов или аминокислот, то (с высокой долей вероятности) неравновесные состояния всех вновь созданных полимеров при нахождении в агрессивной внешней среде были крайне неустойчивыми. Неплохим выходом из подобной ситуации является достижение полной молекулярной комплементарности, что тем самым увеличивало бы энергию связывания между элементами системы. Но в биологическом аспекте это мало подходило для многих молекулярных структур, а для полимеров пептидной или нуклеотидной природы и вовсе могло быть неприемлемым из-за особенностей их пространственной ориентации, которая определяется слабыми водородными связями. Молекулярные структуры подобные белкам, в лучшем случае были способны к энергетически выгодной конформационной конфигурации, когда гидрофобные участки оказывались внутри «скрученной» молекулы. Судя по всему, для обеспечения стабильности молекулярной структуры в водном растворе подобные приемы оказывались недостаточными, так как в итоге природа воспользовалась иным, более целесообразным и, как оказалось, единственно верным в той ситуации сценарием. То есть идеальные условия для образования и сколько-нибудь длительного существования нужных для биогенеза молекул могли быть созданы только при наличии «комфортной» среды, которая бы выгодно отличалась от внешнего окружения, недостаточно адекватного для оптимального хода «правильных» химических взаимодействий.

По всей вероятности, в определенный период химической эволюции такой возможностью стали обладать фосфолипиды, из молекул которых при нахождении в водной среде может происходить самосборка бислойной мембраны. На самом раннем этапе они скорее всего были представлены примитивными липосомальными микросферами – пузырьками. Этого было вполне достаточно, чтобы ход химических реакций в них сделать более независимым, а условия протекания реакций сравнительно более мягкими, нежели в открытом пространстве. С большой долей уверенности можно предположить, что такие структуры являются самым древним защитным барьером и прообразом плазматических и прочих клеточных биомембран. По своей пространственной организации замкнутая сферическая форма липидной мембраны соответствует наименьшему значению энергии Гиббса, т.е. термодинамически выгодна по сравнению с другими возможными расположениями молекул. Кроме того, конформационная специфика бислойной фосфолипидной оболочки соответствует жидкокристаллическому состоянию, что предусматривает и автономность по отношению к окружающей среде, и одновременно избирательную и регулируемую связь с этим внешним окружением.

Естественно, что этот уникальный вариант не мог не закрепиться в ходе последующей биологической эволюции и таким образом создать предпосылки для формирования механизмов гомеостаза как одного из основополагающих принципов феномена жизни. Надо отметить, что эволюция много раз использовала этот принцип, поскольку обеспечение постоянства внутренней среды в виде защищенной внутренней полости с завидным постоянством повторяется на всех иерархических уровнях биологической системы. Сам факт подобного структурообразования, проходящего сквозь разные временные и пространственные масштабы, имеет важный биологический смысл. Создание защищенного отгороженного пространства касается не только гомеостаза, но затрагивает и другие, например регуляторные, аспекты функционирования биологических систем, что свидетельствует о целесообразности и рациональности естественных процессов. Недаром особенности их поведения подчинены не слепому случаю, а выстраиваются по фрактальному принципу и имеют свой алгоритм.

Хотя и случай бывает тоже очень важен, особенно на предбиологическом этапе, как впрочем и на ранних стадиях биогенеза, но лишь для первоначального получения «нужных» молекул с определенными свойствами, которые не зависят от случайностей.

Факторы, способствующие появлению ранних стадий биогенеза

Видимо, попадая в липосомальную микросферу, органические молекулы могли образовывать оптимальные и термодинамически выгодные межмолекулярные взаимодействия, не возможные в менее благоприятных открытых условиях. И если при этом действительно формировались устойчивые связи, то у таких химических веществ появлялось больше шансов сохранить свою биогенетически верную конфигурацию и продлить свое существование. Кроме того, из-за избытка свободной энергии, присущей органическим соединениям, их концентрация в термодинамически равновесной системе становится минимальной. Это обусловлено преобладанием деструктивных процессов над синтетическими при нахождении органических макромолекул во внешней водной среде, стремящейся к максимальным значениям энтропии. Подобное смещение направления химических реакций приводит в итоге к низкой плотности макромолекул в растворе и делает последующую полимеризацию достаточно проблематичной. Этого нельзя сказать об открытой незамкнутой системе, в которой синтез органических веществ лимитирован только источником энергии и размерами внутренней сферической полости.

Однако закрепить свой «химический» успех, т.е. передать полученный опыт в виде информации о своей структуре для ее последующего воспроизведения, было невозможно из-за отсутствия в ту древнюю эпоху необходимых каталитических реакций. И каждый раз, по мере неизбежной диссимиляции, приходилось заново, с помощью затратного по времени метода проб и ошибок, выстраивать оптимальную макромолекулярную устойчивую форму. Хотя, вне всякого сомнения, вероятность нахождения сильного и потому эффективного решения резко возрастала уже на том примитивном уровне гомеостаза, который создавался в замкнутом пространстве, образованном первичной мембраной. И не в последнюю очередь за счет экономии времени и ресурсов при гомеостатической «фильтрации» химических веществ по их качественным, т.е. пространственным, или количественным параметрам. Это позволяло отбраковывать заведомо неподходящие либо недостаточно оптимальные молекулярные сочетания, но еще не приводило к упорядоченной закономерности и периодичности возникновения удачных структурных форм. Развитие, динамика подобного вероятного сценария могла ускорить или облегчить появление изящного способа воспроизведения исходной наследственной информации в виде матричного копирования свойств существующей удачной структуры. Это давало возможность для ее быстрого восстановления и самоорганизации, но пока еще без такого важного свойства живых структур, как хранение информации в закодированном виде. Хотя уже само по себе наличие комплементарной репликации, т.е. матричное, по образцу, копирование линейной последовательности нуклеотидов, явилось качественным переходом химической эволюции на свою следующую ступень или отправной точкой для самой ранней стадии биогенеза, непосредственно предшествующей процессу возникновения жизни.

Следовательно, можно с определенной долей уверенности предположить, что стадия накопления «правильного» для биогенеза химического потенциала сумела подготовить эволюционное появление молекул с самыми древними и примитивными свойствами энзимов. Так, отдельными ферментными функциями на определенном этапе эволюционного усложнения могли обладать как «случайные» олигопептиды, так и рибонуклеотидные последовательности в виде фрагментов РНК, что, судя по всему, является более вероятным событием [1, 3].

Прежде всего, шанс появления каталитически активных молекул повышался при структурном многообразии предшественников подобных химических веществ. Случайно образованные олигопептиды не обладали, в отличие от полирибонуклеотидов, способностью к спонтанной рекомбинации и удлинению таким путем своих фрагментов [4]. То есть именно РНК начали выполнять функции проферментов, а вовсе не белковые и даже не полипептидные соединения. В дальнейшем за счет лучших селективных характеристик в силу своей более совершенной пространственной конфигурации, пептидам удалось перехватить каталитическую пальму первенства. Но в предбиологический период невозможно было закрепить положительный опыт энзимообразования, поэтому в белковых молекулах как в ферментах особого биогенетического смысла не было.

Самое главное, как было сказано выше, спонтанно сформированные удачные пептидные фрагменты не обладали возможностью к репликации. Тогда как именно эта уникальная способность всегда была присуща РНК и является, благодаря особенностям химического состава и молекулярной структуры, ее неотъемлемым важнейшим свойством. То есть появление самого первого фрагмента РНК, обладающего каталитической активностью, например полимеразной, позволило этой макромолекуле самореплицироваться. Но при этом еще не приводило к формированию генетического кода, т.е. к закреплению специфической информации. В этих реакциях мог быть использован принцип, сходный с современной «технологией» комплементарного самовоспроизведения РНК вирусов: либо копированием в виде РНК (репликация), либо переписыванием в форму ДНК (обратная транскрипция).

Гипотетические механизмы происхождения жизни

Не исключено, что и собственно переход к записи генетической информации в виде последовательности нуклеотидов, т.е. к атрибутам жизни в ее современном понимании, был также опосредован эволюционным совершенствованием РНК, т.е. ее способностью к выполнению более специализированных и разнообразных функций ферментов. Так, например, далеко не последняя роль в процессах биосинтеза белка принадлежит каталитически активным типам РНК, или рибозимам [1]. В частности, энзиматически компетентные участки рибосомной РНК (рРНК) обладают пептидилтрансферазной активностью и способны катализировать реакции наращивания полипептидной цепи аминокислот в пpoцecce современного тpaнcляциoннoгo белкового синтеза. Очень важно отметить, что транспептидация катализируется исключительно рибосомальными структурами, а сама реакция идет с понижением свободной энергии. т.е. каталитически активные центры РНК способны и без специфических белков-катализаторов к медленной неэнзиматической трансляции (синтезу белка) и к тому же без дополнительных источников энергии. Поскольку в современных условиях этот процесс происходит на рибосомах в присутствии комплекта специализированных РНК, то скорее всего и первоначальный, самый примитивный, «центр пептидного синтеза» включал в себя сочетание по меньшей мере трех основных видов РНК: транспортной (тРНК), матричной, или информационной (иРНК) и рибосомной (рРНК). При этом следует отметить, что одновременно и независимо друг от друга могли эволюционировать все феномены биогенеза.

1. Редупликация, в виде воспроизведения исходной генетической информации в поколениях.
2. Транскрипция, как переписывание генетической информации в форму многочисленных РНК-копий.
3. Трансляция – синтез белков путем перевода записанной на РНК-матрице генетической информации в форму полипептидных цепей.
4. Запись и хранение генетической информации.

Что касается значимости этих стадий для биогенеза, то в филогенетическом аспекте на первый план выходят «посреднические услуги» тРНК, т.е. процессы специфического опознания молекулой тРНК только «своей» конкретной аминокислоты. Это нужно для обеспечения соответствия между кодируемой аминокислотой, соединенной с тРНК и определенной последовательностью нуклеотидов иРНК. Механизм «опознания» включает взаимодействие антикодонового участка тРНК (рибонуклеинового адаптера) с комплементарным триплетом иРНК, т.е. с кодоном генетической матрицы.

Понятно, что в ходе последующего эволюционного отбора зафиксировалось оптимальное молекулярное сочетание между триплетным кодоном иРНК и точно ему соответствующим антикодоном тРНК с прикрепленной кодируемой аминокислотой. Но самое главное в эволюционном плане – это закрепление специфического связывания конкретного адаптера с единственной аминокислотой. Поскольку, кроме как через сложноэфирную связь между карбоксилом аминокислоты и гидроксилом концевого рибозного остатка тРНК, их между собой оптимально и не соединишь и, стало быть, данная ковалентная связь «биологически неспецифична», природа «нашла» поистине уникальное решение. Была создана система специфического катализа с функцией «узнавания», а эту функцию взяла на себя трехмерная структура макромолекулы тРНК. «Неспецифическая связь» может быть образована только при полном пространственном совпадении специальной области в молекуле тРНК с определенным и строго специфичным только для конкретной аминокислоты ферментом аминоацил-тРНК-синтетазой. В итоге, при подобном сочетании, образовывалась определенная аминоацил-тРНК с характерным только для нее антикодоном в виде определенного триплета нуклеотидов, соответствующих триплету нуклеотидов – кодируемому кодону – на иРНК.

В принципе, антикодоновые «участки связывания» аминоацил-тРНК могли и сами выступать в роли матрицы, что допустимо в плане соблюдения физико-химических законов. Это нисколько не нарушает постулатов центральной догмы молекулярной биологии об одностороннем пути передачи генетической информации от нуклеиновых кислот к белкам, а не наоборот. Действительно, белки не могут быть матрицей для нуклеотидов, но свободным аминокислотам ничто не мешает таким образом снять с себя генетический слепок. И если в результате биосинтеза пептидов с нужными биологическими эффектами из случайной последовательности аминокислот комплементарно этим аминокислотам образовывалась матрица из соответствующих триплетов нуклеотидов, то подобный способ обратной трансляции позволял закрепить опыт удачного для возникновения жизни образования макромолекулы.

По всей вероятности, появление специфических аминоацил-РНК и стало тем прорывом, или по-другому – инициацией, собственно возникновения жизни в ее самой древней форме, которая дала начало уже биологической эволюции на нашей планете. Последующее поэтапное развитие было направлено на отбор спонтанно возникающих структурных элементов, наиболее оптимальных для биологической системы. Или на эволюционное закрепление удачных мутаций на очередных стадиях развития биологической системы, делая ее все более и более совершенной. В свою очередь, появлению удачных структур способствовал как спонтанный синтез пептидов с выстраиванием генетической матрицы «под себя», так и наоборот, уже готовые случайные фрагменты РНК или ДНК с удачной для вновь синтезируемых пептидов триплетной последовательностью нуклеотидов. Дополнительно повышению вероятности случайного возникновения ценных для биогенеза молекул мог способствовать феномен вырожденности генетического кода, когда отдельная аминокислота кодируется несколькими разными кодонами, но при этом каждый кодон кодирует только одну аминокислоту.

Литература

1. Спирин А.С. Биосинтез белков, мир РНК и происхождение жизни// Вестник РАН, 2001, № 4, с. 320–328.

2. Скулачев В.П. Эволюция биологических механизмов запасания энергии // Соросовский Образовательный Журнал, 1997, № 5, с. 11–19.

3. Чернавский Д.С. Проблема происхождения жизни и мышления с точки зрения современной физики // Успехи физических наук, 2000, № 2, с. 157–183.

4. Chetverina H.V., Demidenko A.A., Ugarov V.I., Chetverin A.B. Spontaneous rearrangements in RNA sequences //FEBS Letters, 1999, v. 450, p. 89–94.