Гипотезы возникновения жизни и генетического кода

Первыми
поставили как научную проблему и выдвинули гипотезу абиогенного синтеза
органических соединений в условиях первобытной Земли русский биохимик А. И.
Опарин (1894-1980 гг.), английский физиолог Дж. Холдейн (1860-1936 гг.) и
английский физик Дж. Верная (1901-1971 гг.). Сложность проблемы самой жизни,
непонимание многих факторов и явлений, имеющих место на уровне клеток и
организмов (возникновение матричного механизма, универсальность генетического
кода

при отсутствии универсальности белков, особенности структуры ДНК и др.)» заставила многих
ученых зачастую обращаться к фантастическим гипотезам и теориям происхождения
жизни. Так возникли гипотезы типа: жизнь создана Богом; занесена на Землю из
космоса; внеземное послание других цивилизаций; генетический код как реликт,
попавший на Землю от живых систем предыдущего цикла Вселенной, и т. д.

В
проблеме происхождения жизни есть трудно разрываемая круговая проблема; для
саморепродукции нуклеиновых кислот — основы генетического кода (будем
считать этот факт хорошо известным каждому)
— необходимы
ферментные белки, а для синтеза белков — нуклеиновые кислоты; вот
круг и замкнулся. Что первично: белки или нуклеиновые кислоты, «курица или
яйцо»? Все существующие концепции
происхождения жизни разделяются на две — голобиоз и генобиоз.
Голобиоз основывается на первичности структур типа клеток, способных к
элементарному обмену. Это концепция Опарина и его последователей. Генобиоз,
напротив, первичными признает системы со свойствами генетического кода. Это
концепция Дж. Холдейна, гипотеза так называемого «голого гена». Проблема
противостояния концепций сводится к вопросу первичности или старшинства —
генетической репродукции перед метаболизмом или, наоборот, метаболизма перед
генетической репродукцией. Но как бы ни разрешилась эта проблема в будущем,
сейчас надо принимать во внимание твердо установленные факты: диссимметрию или
хиральность нуклеиновых кислот ДНК и РНК как фундаментальный признак
живой материи, первичность молекулы РНК (сейчас уже под глубоким вопросом),
наличия у нее автокаталитической способности, совмещения в ней черт фенотипа и
генотипа. Но поиск ответов на вопрос надо ве-

сти
и в других направлениях, особо принимая во внимание, что хиральность и
первичность РНК не могли возникнуть в ходе длительной эволюции, а, скорее
всего, возникли скачком, сразу, вдруг, за конечное время, в считанные годы,
месяцы, сутки или, может быть, даже часы!

Одна из последних гипотез,
переросшая к началу XXI
века в теорию о
происхождении жизни, основана на идее Н. К. Кольцова о матричном синтезе протоклеток
и их структурных элементов на кристаллах апатита. Предложена она была
четверть века тому назад владивостокскими учеными биологом Э. Я. Костецким и
геологом В. В. Чернобровкиным. Они обратили внимание на следующие эмпирические
факты: присутствие минерала апатита в живых системах в составе зубов и костей,
наличие сходства периодичности в 3,4 А(1 А= 10^-8
см, величина примерно равная размерам атома, получившая название ангстрем в
честь шведского физика Ангстрема) в элементарной ячейке апатита и двойной
спирали ДНК. Это дало основание выдвинуть гипотезу и затем построить
теорию абиогенного синтеза нуклеиновых кислот, белков, нуклепротеидов и
полисахаридов ни матрице апатита как основном источнике неорганического
фосфата.

Гипотеза Костецкого и
Чернобровкина учитывает также тот фундаментальный факт, что все клеточные
элементы и целые организмы являются жидкокристаллическими гомеостатическими
структурами. Исходя из сказанного, можно вести речь о реальных
механизмах возникновения жизни, основываясь на твердофазных эффектах в
минеральных и жидких кристаллах. Участие минералов в процессе возникновения
жизни делает его закономерным, а время процесса весьма кратким (за
конечное время, но никак не за многие миллионы или миллиарды лет). В клетках,
какими мы их знаем сегодня, все

элементы системы
так тесно связаны друг с другом, самоорганизованы, что отсутствие даже одного
из них, нарушает работу всей системы.

Первичные пробионты, по-видимому, должны были
представлять собой хорошо упорядоченные образования. Возникает вопрос: а не
были ли предшественники первичных протоклеток органическими кристаллами? Ведь
кристаллы – это образования, способные к самосборке (о самосборке в живых
организмах говорил и академик Николай Семенов), кроме того, в них имеется
некоторая характерная периодичность, нарушаемая дефектами. Последние (дефекты)
делают кристаллы потенциально высокоинформационными, поскольку могут приводить
к образованию множества стабильных альтернативных конфигураций, что является
необходимым условием для хранения информации. Кстати, американский физик Ф.
Типлер как-то заявил: «Я определяю жизнь как некую закодированную
информацию, которая сохраняется естественным отбором». Предполагаемый
механизм синтеза первичных про-бионтов, а кроме того, и их компонентов, также
объясняет теория Э. Костецкого. Рассмотрим этот механизм.

Как
мы уже отмечали ранее, возраст Земли (4,6 млрд лет) почти не отличается от
возраста живых систем и оценивается в 4,2-4,0 млрд лет. При этом считается, что
эукариотические (т. е. клетки с ядром) и прокариотические (т. е. клетки без
ядра) клетки имеют близкий возраст. Время возникновения жизни совпадает с
прогрессивным метаморфозом базальтовой коры, формированием гранитной оболочки и
уходом плотной первичной атмосферы. Поверхность Земли тогда была нагрета до
600-700°С, а из недр Земли шло активное выделение элементов восстановительной
газовой фазы в виде свободных радикалов. В этот момент из остаточного
магматического расплава шло

формирование
пегматитов (апатит, кальцит, слюда, кварц, полевой шпат и др.). Апатит обычно
сокристаллизуется с этими минералами. Его решетка в этот период достаточно
подвижна, в кристалле происходит диффузное замещение элементов решетки
свободными радикалами элементов газовой фазы, чему способствуют атомные радиусы
основных элементов решетки апатита, превосходящие размеры атомов газовой фазы в
3-5 раз. В явлениях диффузного замещения ключевая роль принадлежит температуре,
космическим, ядерным и ультрафиолетовым излучениям, действующим на кристалл
сверху, и полю напряжений, создаваемому газовой фазовой, действующему на
кристалл снизу.

Все эти факторы ослабляют
кристаллическую решетку и усиливают миграцию ее элементов и облегчают
проникновение внутрь кристалла малых атомов газовой фазы. Синтез, по-видимому,
происходил при температурах около 200°С в безводной среде. В силу того, что в
одной элементарной ячейке апатита есть несколько каналов проникновения газовых
частиц, одновременно могло синтезироваться несколько органических молекул и
между ними могли возникать взаимодействия. Нельзя исключать того, что вокруг
одной ячейки могли синтезироваться сразу несколько, вплоть до 6 пар, цепей ДНК
с белком, т. е. мог реализовываться вариант появления в одной протоклетке
разного числа хромосом. В ходе однонаправленного синтеза (снизу-вверх),
возникающий органо-минеральный комплекс будущей пробиотической системы получает
в наследство от минерального кристалла все его естественные параметры,
определяюшие и составляющие диффузный процесс в кристалле, а именно:
воздействие сложнейшей и одновременной системы квантов света, электронов,
протонов, ядерных излучений, рН, тепла и пр., т. е. осно-

вы будущего метаболизма
и гомеостаза в клетке. Шла, как это можно образно отметить, естественная
тренировка будущей клетки.

Гомеостаз позволял избежать высокой дефективности в
решетке, а значит и в будущей пробиотической системе, после ее перехода из
кристаллического состояния в жидкокристаллическое. Структурные элементы будущих
про-токлеток полностью повторяют особенности кристаллической решетки, ее
дефекты, изоморфизм, наличие включения других минералов. Так, предполагается,
что бездефектные области решетки апатита соответствуют неинформативной части
ДНК (в основном сателитной, баластной) — вот естественное объяснение известного
факта; дефектная же область соответствует информативной зоне ДНК. Места
повышенной дефективности и сокристаллизации в апатите (см. выше) предпочтительны
для формирования матричного механизма будущих протоклеток, которое, в отдельных
случаях, не порождает двойной спирали ДНК, но и не запрещает формирование цепей
РНК (считается, что они возникли первыми), нуклеотидных фрагментов типа АТФ,
белков, так или иначе связанных с КНК или с их фрагментами (будущих ферментов).

Предложенный Э. Костецким механизм формирования
органо-минеральных комплексов будущих протоклеток позволяет ответить на
некоторые непростые вопросы, стоящие в проблеме возникновения жизни. Например,
сами по себе отпадают вопросы:

1.0 синтезе
биополимеров в воде.

2.
О создании упорядоченной живой системе, действующей против законов
термодинамики, особенно против ее второго начала, — часть энергии отдается
вовне за счет смены типов связей в решетке и замены решетки на
жидкокристаллическую.

3.0
возникновении структурной асимметрии (хираль-ности) биомолекул.

4.0 возникновении матричного
механизма синтеза пробионтов.

• О возникновении универсального генетического кода (из-за синтеза на единой матрице
  апатита), при отсутствии универсальности в строении других структур из-за
  сокри-сталлизации с другими минералами и их различной дефективностью.
• Об
  особенностях структуры ДНК эукариот (сателитность, умеренная повторяемость,
  уникальность) из-за особенностей решетки апатита, и не позволяющей живым
  системам избавляться в течение миллиардов лет от балластной ДНК, в силу
  необходимости поддержания гомеоста-тического состояния возникших на кристалле
  живых систем, и некоторые другие, не менее важные вопросы об особенностях
  происхождения жизни.

Движущей
силой дальнейшей эволюции проток леток, по-видимому, были, прежде всего, такие
изменяющиеся факторы внешней среды Земли, как рН, температура и, в связи с
этим, качество энергии (ее слабовыраженная энт-ропийность, роль которой мы
отмечали в главе 3), кон-центрация ионов и кислорода в морской воде, наличие
органического материала, симбиотические процессы и катастрофы на Земле.

Хотелось
бы отметить еще одну современную гипотезу о происхождении жизни, высказанную
русским геологом Ю. А. Колясниковым, основанную на особой роли воды. Многие
разделяют мнение, что вода — главный минерал мироздания, имеющий уникально
простой состав, но загадочную структуру, до конца пока не познанную.
Использование воды, точнее, ее структурных сверхсжатых тетра-меров (особых
образований из четырех молекул воды),

обусловлено
наличием в них распределенных поровну правых и левых Н-связей (водородных
связей), т. е. обусловлено хиральностью тетрамеров. Еще давно П. Кюри,
Л. Пастер и В. Вернадский полагали, что хиральность живого вещества есть
следствие диссиметрии окружающей среды, в данном случае — воды. Доказано в
последнее время, что в концентрированных растворах кремнезема и биополимеров
тетрамерная вода образует правые и левые спиральные цепочки, в которых,
благодаря электрической дипольности входящих в их состав молекул воды, может
быть записана некая информация. Используя такие уникальные свойства воды, Ю.
Колясников обосновывает свою гипотезу биопоэза, в которой первоначально
синтезируется левовращающая, т. е. хиральная, аминокислота, а затем идет синтез
Сахаров — основы нуклеиновых кислот, на правых спиральных цепочках. Такой
синхронный синтез полипептидов и полинуклеотидов сопровождался генерацией
водных димеров и неумолимо вел к образованию сложных нуклепротеидных
комплексов, с записью в их примитивной РНК возникающего однозначного
генетического кода.

Помимо этих гипотез, необходимо
упомянуть также о гипотезе академика Эрика Галимова, изложенной им в книге
«Феномен жизни» в 2001 году, в которой началом жизни признается появление
бескислородной молекулы аденина. Отмечается, что ферментативный катализ
и репликация кодирующих молекул являются не-применными свойствами живых
систем. Поэтому искать надо модели изначального возникновения
автокаталитических и самореплицирующих систем. Начало биогенеза тогда следует
связывать с возникновением элементарной стационарной химической ячейки. Первым
шагом в этом направлении является появление молекулы

или
молекулярной системы, которая бы обеспечила трансформацию энергии внешней среды
в химическую энергию. Далее необходимо, чтобы с химической реакцией,
доставляющей энергию, могли сопрягаться химические реакции, способные к
созданию низкоэнтропийного продукта, т. е. реакции, идущие с усложнением
организации. Молекулой № 1 в этой гипотезе признается аденозинтрифосфат (АТФ) и
молекулой № 2 транспортная РНК t-PHK), которые, однако, возникают в
разное время и в разных условиях (местах), что делает их объединение
проблематичным.

Нельзя
не указать и на идеи, изложенные американским физиком и биофизиком Ф. Дайсоном
в его книге «Происхождение жизни». В ней он, основываясь на анализе обширного
материала, пришел к выводу, что очередность в возникновении биополимерных
структур могла быть иной, чем ее предлагают другие авторы. По Дайсону, сначала
возникла примитивная клетка, затем ферменты и только потом гены. Дайсон
полагает, что: 1) на первых этапах живые организмы представляли собой
метаболические ячейки без механизма репликации; 2) огромное разнообразие живых
организмов возникло на основе сравнительно небольшого ассортимента молекул
органических веществ; 3) «центральная догма» современной биологии (ДНК — РНК —белки) о ключевом положении нуклеиновых кислот и их первичном возникновении
полностью несостоятельна.

Как видим, гипотез и мнений о
начале происхождения жизни много. Но мы будем считать, как данность, что
необходимая нам клетка, как элементарная единица жизни, возникла. В процессе
эволюции обмена веществ (метаболизма) в клетке и выработки ею энергии, можно
выделить 4 этапа или фазы. Первый — ферментация,

побочным продуктом
которой является углекислый газ. Второй этап — гексозомонофосфатный цикл, в
ходе которого выделяется водород и углекислый газ и который является одним из
первых примеров метаболического расщепления воды в физиологическом процессе,
дающем клетке необходимую ей энергию. Третий этап — фотофосфорилирование, т.
е. непосредственное использование солнечной энергии для выработки фосфатов, в
том числе, таких, как аденозинтрифосфат (АТФ), обладающих высокой энергией. На
этом этапе развития одноклеточные организмы научились вырабатывать пигмент —
хлорофилл, с помощью которого образуется энергия света. Это привело к
четвертому, самому важному и фундаментальному этапу, — этапу фотосинтеза. Клетка
начала поглощать солнечный свет для синтеза глюкозы, выделяя в качестве
побочного продукта молекулярный кислород. Таким образом, кислород начал
попадать в атмосферу.

Существует, однако, одна
необычная гипотеза о появлении кислорода в атмосфере, высказанная русским
геофизиком О. Сорохтиным. Он полагает, что первый кислород в атмосфере появился
и продолжает появляться в нашу эпоху из-за расплавления окислов, в основном
окислов железа, достигших, при опускании вместе с мантией, границы ядра Земли. Освободившись из окисла,
кислород идет вверх, встречает снова неокисленное железо, захватывается
им, идет опять вниз к границе мантии, расплавляется, снова освобождается и так
до тех пор, пока путь вверх к поверхности Земли и далее, в атмосферу, не
становится свободным! Кстати, как полагает автор гипотезы, когда все процессы в
недрах Земли закончатся, примерно через 2 млрд лет, весь кислород, постепенно,
конечно, выйдет наружу, и тогда давление в атмосфере достигнет значений 1-2
тысяч атмосфер!