Биогенез: мотивы и феномены возникновения жизни
Дктор биологических наук С. Б. Пашутин
Начальный этап происхождения жизни является одной из нерешённых проблем биологии. На сегодняшний день ни одна из многочисленных теорий биогенеза не в состоянии дать устраивающее всех объяснение первоначального возникновения жизни на Земле. Так или иначе, даже наиболее изящные и правдоподобные гипотезы о том, как зародилась жизнь, подвергаются не менее аргументированной критике. Это вполне закономерно, если подходить к этой проблеме с позиций дня сегодняшнего. Но если попробовать абстрагироваться от ныне существующих феноменов, свойственных биологическим структурам и на системном уровне попытаться проследовать за природой, мысленно воссоздавая её шаги с точки зрения целесообразности, то совершенно реально разглядеть „свет в конце тоннеля“.
Всё то, что нас окружает, является закономерным итогом цепи событий произошедших за миллиарды лет на нашей планете, то есть по сути вполне заурядным и рутинным результатом динамики процессов, имевших место на Земле с момента её формирования. Всё шло и продолжает идти по одним и тем же законам природы, поскольку никаких других не существует. В связи с чем, при том отпущенном времени и тех условиях существования планеты, мы можем иметь лишь то, что получилось. А образовалась в итоге достаточно совершенная биологическая система, которая не была такой изначально. Поэтому, основная идея данной работы заключается в том, чтобы наметить подходы к целостному, в самом общем виде, пониманию того, как не нарушая основополагающих законов природы могли разворачиваться события, приведшие к феномену жизни.
Это становится возможным, если допустить, что ход предшествующей биогенезу химической эволюции направлен, в соответствии со вторым началом термодинамики, на достижение устойчивого конечного состояния. В принципе, стабильность любой молекулярной структуры определяется энергетически наиболее выгодной взаимной ориентацией её молекул. В случае, если пространственное расположение молекул не является термодинамически оптимальным или энергия внешней среды превышает силу связей между элементами структуры, то значение её энтропии, как меры неупорядоченности, повышается и она становится неустойчивой. Из чего следует, что любая открытая система, не изолированная от окружающей среды, может стать относительно нечувствительной к её дестабилизирующему воздействию, лишь в случае поступления в эту систему 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. А наиболее удобными для этого химическими соединениями оказались нуклеиновые основания пуриновой и пиримидиновой природы. Причём в эволюционном аспекте пурины оказались полифункциональными соединениями [1, 2]. С незначительными модификациями они представлены во многих функциональных клеточных циклах — и в виде макроэргов, как основных источников свободной энергии (АТФ), и как универсальные регуляторы биохимических процессов в виде циклических нуклеотидах (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.
Создаётся впечатление, что вся её „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, чем те, 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.
Необходимо отметить, что переходу химической эволюции на следующий период своего развития, который мы называем жизнью, предшествовал большой подготовительный период. За это время были созданы условия для равновероятного возникновения всех структурных элементов необходимых для биогенеза. При гипотетически неизменных условиях, что собственно нереально по определению, исходно древнее состояние планеты не претерпело бы не только необходимых, но и вообще никаких химических превращений. Но поскольку подобного развития событий не произошло, это позволяет постулировать, что уже в предбиологическом периоде могли существовать высокомолекулярные соединения и появляться сложные органические молекулы, такие как 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 ещё не было.
Хотя по большому счёту не так уж и важно, каким образом в нужном месте и в нужное время оказалось „сырьё“, столь необходимое для ранних стадий биогенеза и какова степень вероятности таких событий. Это может представлять разве что академический интерес. Однако не даёт никаких преимуществ для понимания с какой стадии химической эволюции начинается собственно возникновение жизни и каким образом этот процесс мог происходить. По сути, это один из наиболее тёмных периодов биогенеза, полный неясных и спорных моментов.
Тем не менее, наиболее значимым фактором возникновения жизни являлось обеспечение условий для протекания „нужных“ химических реакций. Так как в открытой, но не замкнутой системе, возможности для благоприятных химических трансформаций зачастую отсутствовали в связи с целым рядом кинетических и термодинамических запретов. Но даже, если в условиях неограниченного пространства и происходила спонтанная полимеризация, например тех же нуклеотидов или аминокислот, то с большой долей вероятности, неравновесные состояния всех вновь созданных форм были крайне неустойчивыми из-за стремления внешней среды, и скорее всего её водной фазы, к достижению максимальной энтропии.
Как обычно, для решения какой-либо проблемы, в том числе и выбора оптимальных условий для биогенеза, существует как минимум два варианта. Одним из которых является направленность любой системы к достижению полной молекулярной комплементарности, что тем самым увеличивало бы энергию связывания. Но в биогенетическом аспекте это мало подходило для многих молекулярных структур, а для полимеров пептидной или нуклеотидной природы и вовсе оказывалось неприемлемым, из-за особенностей их пространственной ориентации, которая определяется слабыми водородными связями. Подобные молекулярные структуры 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 приёмы оказывались недостаточными, так как в итоге природа воспользовалась иным, более изящным 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 отличалась от агрессивного внешнего окружения.
По всей вероятности, в определённый 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. Этого было вполне достаточно, чтобы ход химических реакций сделать более независимым, а условия их протекания сравнительно мягче, 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, то есть термодинамически выгодна по сравнению с другими возможными расположениями молекул. Кроме того, конформационная специфика бислойной фосфолипидной оболочки соответствует жидкокристаллическому состоянию, что предусматривает автономность по отношению к окружающей среде и одновременно селективную и регулируемую связь с этим внешним окружением.
Естественно, что этот уникальный вариант не мог не закрепиться в ходе последующей биологической эволюции и не создать предпосылок для формирования механизмов гомеостаза, как одного из основополагающих принципов феномена жизни. Что указывает на внутреннее подобие или фрактальность эволюции, поскольку обеспечение постоянства внутренней среды в виде защищённой внутренней полости с завидным постоянством повторяется на всех иерархических уровнях биологической системы. Сам факт подобной симметрии, проходящей сквозь разные временные и пространственные масштабы, имеет важный биологический смысл. Поскольку касается не только гомеостаза, но затрагивает и другие, например регуляторные аспекты функционирования биологических систем, что свидетельствует о целесообразности и рациональной предписанности естественных процессов. Недаром особенности их поведения подчинены не слепому случаю, а выстраиваются по фрактальному принципу в виде алгоритмической матрицы.
Безусловно, в предбиологическом периоде, как впрочем и на ранних этапах биогенеза, случай очень важен, но лишь для первоначального получения „нужных“ молекул с определёнными свойствами, которые сами по себе от случайности не зависят. Видимо таким образом, попадая в липосомальную микросферу, органические молекулы и могли образовывать оптимальные и термодинамические выгодные межмолекулярные взаимодействия, недоступные 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 своё существование. Кроме того, из-за избытка свободной энергии, присущего 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 направленности химических реакций приводит к низкой итоговой плотности макромолекул в растворе и делает последующую полимеризацию достаточно проблематичной. Чего нельзя сказать об открытой замкнутой системе, в которой синтез органических веществ лимитирован только источником энергии и размерами внутренней сферической полости.
Однако закрепить свой „химический“ успех, то есть передать полученный опыт в виде информации о своей структуре для её 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 супрамолекулярную устойчивую форму. Хотя вне всякого сомнения, вероятность нахождения сильного и потому эффективного решения резко возрастала уже на том примитивном уровне гомеостаза, который был доступен в замкнутом пространстве, образованном первичной мембраной. И не в последнюю очередь за счёт экономии времени и ресурсов при гомеостатической „фильтрации“ химических веществ по их качественным, то есть пространственным, или количественным параметрам. Что позволяло отбраковывать заведомо неподходящие, либо недостаточно оптимальные молекулярные сочетания, но ещё не приводило к упорядоченной закономерности и периодичности возникновения удачных структурных форм.
Тем не менее, динамика подобного вероятного сценария не могла не способствовать или не ускорить появление изящного способа воспроизведения исходной наследственной информации в виде матричного копирования свойств и особенностей существующей структуры. Что давало возможность для её быстрого восстановления и самоорганизации, но пока без такого важного свойства живых структур, как хранение информации в закодированном виде. Хотя уже само по себе наличие комплементарной репликации (феномен „слепка“ или 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 определённой 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 определённом этапе эволюционного усложнения могли обладать, как „случайные“ олигопептиды, так и рибонуклеотидные последовательности в виде фрагментов РНК, что судя по всему является более вероятным филогенетическим 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 [4], способностью к спонтанной рекомбинации и удлинению тем самым своих фрагментов. То есть изначально, преимуществами полезного химического разнообразия, которые с высокой долей вероятности благоприятствовали появлению проферментов, обладали РНК, а вовсе не белковые и даже не полипептидные соединения. Естественно, что за счёт лучших селективных характеристик в силу своей более совершенной пространственной конфигурации, пептидам удалось в процессе эволюции перехватить каталитическую пальму первенства. Но в предбиологическом периоде, в связи с невозможностью закрепления положительного опыта энзимообразования, в белковых молекулах как в ферментах, особого биогенетического смысла не было. Разве что спонтанные пептиды со случайной энзиматической активностью оказывались способными каталитически повлиять на организационную структуру РНК в смысле дополнительного появления у неё каких-либо ещё специализированных функций, в частности тех же каталитических.
Но 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, в связи с особенностями химического состава и молекулярной структуры, её неотъемлемым важнейшим свойством. То есть, появление самого первого фрагмента РНК, обладающего каталитической активностью, например полимеразной, позволяло этой макромолекуле самореплицироваться. Но при этом ещё не приводило к формированию генетического кода, то есть к закреплению специфической информации. В этих реакциях мог быть использован принцип, сходный с современной „технологией“ комплементарной авторедупликации РНК вирусов. Причём воспроизведение исходной информации скорее всего теми же способами и происходило: либо копированием в виде РНК (репликация), либо переписыванием в форму ДНК (обратная транскрипция).
Не исключено, что и собственно переход к записи генетической информации в виде последовательности нуклеотидов, то есть к атрибутам жизни в её современном понимании, был также опосредован эволюционным совершенствованием РНК, то есть её 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 (р-РНК) обладают пептидил-трансферазной активностью и способны катализировать реакции транспептидации, то есть наращивать полипептидную цепь аминокислот в процессе нынешнего трансляционного белкового синтеза. Очень важно отметить, что транспептидация катализируется исключительно рибосомальными структурами, а сама реакция идёт с понижением свободной энергии. То есть каталитически активные центры РНК способны и без факторов элонгации в виде специфических белков-катализаторов к медленной неэнзиматической трансляции и к тому же без дополнительных ГТФ или АТФ источников энергии [5].
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 трёх основных видов РНК: транспортной (т-РНК), матричной или информационной (и-РНК) и рибосомной (р-РНК). При этом следует отметить, что вышеописанные события могли идти одновременно и независимо друг от друга. То есть параллельно эволюционировали все феномены биогенеза:
Редупликация, в виде воспроизведения исходной генетической информации в поколениях.
Транскрипция, как переписывание генетической информации в форму многочисленных РНК-копий.
Трансляция (синтез белков путём перевода записанной на РНК-матрице генетической информации в форму полипептидных цепей).
Запись и хранение генетической информации.
Что касается значимости этих стадий для биогенеза, то в филогенетическом аспекте на первый план выходят „посреднические услуги“ т-РНК, то есть процессы специфического опознания молекулой т-РНК только „своей“ конкретной аминокислоты. Это нужно для обеспечения соответствия между кодируемой аминокислотой, соединённой с т-РНК и определённой последовательностью нуклеотидов при взаимодействии антикодонового участка рибонуклеинового адаптера с кодоном генетической матрицы, то есть с комплементарным триплетом и-РНК.
Гипотетически всё могло происходить следующим образом. Например, появлению специфического взаимодействия адаптера с аминокислотой предшествовала стадия обычной ковалентной связи той или иной аминокислоты с разными фрагментами РНК или отдельными мономерами рибонуклеотидов. При взаимодействии хотя бы пары таких комплексов с транспептидазными ферментами это закономерно приводило бы к образованию самого простого пептида, но не позволяло оптимально закодировать эту информацию. Поскольку даже при выстраивании комплементарного слепка дипептида на нуклеотидах РНК или ДНК, полученная информация оказывалась бы ничтожной из-за отсутствия специфического соответствия прообраза антикодона аминокислоты определённым кодовым нуклеотидам.
Понятно, что в ходе последующего эволюционного отбора зафиксировалось оптимальное молекулярное сочетание между триплетным кодоном и-РНК и точно ему соответствующим антикодоном т-РНК с прикреплённой кодируемой аминокислотой. Но самое главное в эволюционном плане, это закрепление специфического связывания конкретного адаптера с единственной аминокислотой. Интересно, что само по себе данное соединение не претерпело каких-либо структурных изменений. Поскольку, кроме как через сложно-эфирную связь между карбоксилом аминокислоты и гидроксилом концевого рибозного остатка т-РНК, их между собой оптимально и не соединишь. Но поскольку данная ковалентная связь биологически неспецифична, то природа „нашла“ изящное и уникальное решение. Была создана система специфического катализа с функцией „узнавания“, опосредованной трёхмерной структурой макромолекулы т-РНК. Неспецифическая связь могла быть реализована только при оптимальном пространственном совпадении специфической области распознавания т-РНК с определённым и строго характерным только для конкретной аминокислоты ферментом аминоацил-т-РНК-синтетазой. В итоге, при подобном сочетании, образовывалась определённая аминоацил-т-РНК с характерным только для неё антикодоном в виде определённого триплета нуклеотидов, соответствующих кодируемому кодону на и-РНК. В принципе, антикодоновые „участки связывания“ аминоацил-т-РНК могли и сами выступать в роли матрицы, что допустимо в плане соблюдения физико-химических законов. Это могло происходить путём формирования собственного генетического кода с помощью репликативной сборки комплементарной последовательности триплетов из отдельных свободных нуклеотидов внешнего окружения. Что 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 при дальнейшем биосинтезе, матрица из случайной последовательности аминокислот приводила к образованию пептидов с нужными биологическими эффектами, то подобный способ обратной трансляции позволял закрепить опыт биогенетически удачного образования макромолекулы.
По всей вероятности, появление специфических аминоацил-РНК и стало тем прорывом, или по другому — инициацией собственно возникновения жизни в её самой древней форме, давшей начало уже биологической эволюции на нашей планете. Подобный вывод следует из того, что 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 филогенеза биологической системы, делая её всё 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 биогенетически ценных молекул мог способствовать феномен вырожденности генетического кода, то есть когда отдельная аминокислота кодируется группой разных кодонов, но при этом каждый кодон кодирует только одну аминокислоту.
Список литературы
Спирин А.С. Биосинтез белков, мир РНК и происхождение жизни // Вестник РАН. 2001. № 4. С. 320-328.
Скулачёв В.П. Эволюция биологических механизмов запасания энергии // Статьи Соросовского Образовательного журнала. (Биология) 1997 http://www.pereplet.ru/obrazovanie/stsoros.
Чернавский Д.С. Проблема происхождения жизни и мышления с точки зрения современной физики // Успехи физических наук. 2000. № 2. С. 157-183.
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.
Спирин А.С. Принципы функционирования рибосом // Соросовский Образовательный Журнал. 1999. № 4. С. 2-9.
Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://wsyachina.narod.ru