Знание-сила, 2008 № 09 (975) - [41]

Молекула № 1—АТФ

В отличие от пептидов, нуклеотидные цепочки могут самовоспроизводиться. В этом отношении нуклеотидные последовательности не имеют себе равных в мире природных органических соединений. Структуры РНК проявляют и каталитические свойства (рибозимы), но они не идут ни в какое сравнение с каталитическими свойствами пептидов.

Таким образом, два важнейших свойства, необходимых для эволюции жизни — способность к упорядочению через селективный катализ и способность к воспроизведению, — оказались разделенными между двумя классами органических соединений. Логика развивающегося упорядочения разрешила эту коллизию путем опосредованного воспроизведения пептидов через цепочки нуклеотидов. Для этого аминокислотные последовательности должны были быть переведены на язык нуклеотидных последовательностей. Каждая аминокислота должна иметь нуклеотидный символ. В современных биосистемах каждой аминокислоте соответствует одно (иногда несколько) сочетаний из трех нуклеотидов (кодон). Это выработанное эволюцией соответствие называется генетическим кодом.

Генетический код — это не некая таинственная информация, а всего лишь обходной маневр, позволяющий аминокислотным последовательностям развиваться по пути возрастающего упорядочения.

С возникновением генетического кода завершается стадия предбиологической эволюции и начинается собственно эволюция жизни. Принципы и формы нам более или менее известны. Они являются предметом изучения биологическими науками.

Эволюционный путь подобен движению в лабиринте. Множество ответвлений ведет к тупикам, но пока остается путь движения к выходу, эволюция продолжается. В мире органических соединений упорядочение может развиваться в течение миллиардов лет. Это обусловлено уникальными свойствами соединений углерода.

Из всех химических элементов только углерод обладает набором химических свойств, обеспечивающих строение и функции живых организмов, включая биополимерные структуры, ферментативный катализ и способность к репликации.

Эволюция упорядочения подобна блужданию в лабиринте

Жизнь не может быть ограничена только Землей. Однако принципы реализации ее в разных мирах должны быть схожи. Из элементов, слагающих Вселенную, только углерод обладает свойствами, необходимыми для образования биополимеров, только водород, способный к образованию «мягких» водородных связей, обеспечивает функционирование трехмерных органических структур. Только пептиды из всего огромного разнообразия органических соединений могут сформировать универсально построенные, но при этом способные к бесконечному разнообразию формы селективного катализа. Только нуклеотиды обладают уникальной в мире органических соединений способностью к самовоспроизведению. Это значит, что где бы жизнь ни возникла в нашей Вселенной, молекулярно она должна быть построена сходным образом.

Гипотетическая жизнь, построенная на иных принципах, из других химических элементов, на основе других химических соединений, чем белково-нуклеотидная форма, неосуществима.

Процесс возникновения и эволюции жизни можно подразделить на три этапа. На первом происходит накопление разнообразных органических соединений, образующихся во многих процессах на Земле или привносимых на ее поверхность из космоса. На этом этапе еще нет эволюции. Это — доэволюционный этап, он представляет просто формирование химической среды. Начиная с опытов С. Миллера и Г. Юри в пятидесятые годы, усилия многих исследователей, обращавшихся к проблеме происхождения жизни, были сосредоточены на синтезе органических соединений, которые могли бы иметь предбиологическое значение. Сегодня хорошо известно, что органические соединения могут возникать в разных процессах и условиях: электрическом разряде, гидротермах, в вулканических газах, под действием радиоактивности и т.д. Они могли быть также доставлены на Землю в составе комет, метеоритов, межзвездных частиц, где обнаружены самые разнообразные, в том числе достаточно сложные, органические соединения.

Собственно предбиологическая эволюция начинается с упорядочения органических структур, при ключевой роли АТФ, и включает формирование полимеров, способных к катализу и репликации, появление посредника между структурой пептидов и нуклеотидов типа транспортной РНК (т- РНК) и, в конечном счете, формирование генетического кода.

Концепция упорядочения не только является инструментом исследования проблемы происхождения жизни, но и определяет подход к пониманию некоторых черт эволюции жизни.

Целевое поведение организмов вполне совместимо с представлением о происхождении и развитии жизни как объективного природного процесса, если стоять на почве понимания феномена жизни как эволюционирующего упорядочения. Целевое поведение налагает ограничение на свободу поведения. Ограничение степеней свободы есть не что иное, как упорядочение. Поэтому присущие живым организмам действия в соответствии с целью являются проявлением одной из форм упорядочения, которое может быть структурным, поведенческим, системным.

Так как наиболее экономный способ производства низкоэнтропийного продукта состоит в комбинировании уже имеющихся низкоэнтропийных структур, эволюция должна происходить не только и даже не столько путем малых изменений, сколько скачками, обусловленными новыми сочетаниями старых структур. Это относится к генам. Новые комбинации генов могут вести к резким и существенным фенотипическим изменениям. Наличие одинаковых генов в геномах организмов не обязательно свидетельствует о принадлежности к общей ветви эволюционного древа. Геномы организмов могут черпать генетический материал из общего генного пула биосферы. Это согласуется с нарастающим в последнее время числом наблюдений (по мере расшифровки новых геномов), свидетельствующих о так называемом горизонтальном переносе генов. Возможность комбинаторной эволюции дает новый угол зрения проблеме видообразования. В частности, возникает вопрос о возможной роли в видообразовании рассеянного генетического материала, находящегося в форме вирусов, плазмид, интронов.