Главная загадка жизни

1. ЧТО ТАКОЕ ЖИЗНЬ?

Как ни удивительно, наука до сих пор не  знает ответа на этот вопрос. Широко известное мнение В.И. Вернадского о существовании коренного отличия живого вещества от так называемой косной материи, об отсутствии плавных переходов между ними (на этом, кстати,  и виталисты упорно настаивали в свое время) научно не подтверждается. Мы неизменно сталкиваемся с невозможностью однозначно провести разделительную черту  и не знаем когда, с какого момента сказать: «жизнь», «живое» (не имеем такого признака, который сам по себе позволил бы сделать это резко, твердо и безоговорочно).

Вот, к примеру, кристаллический панцирь Земли – олицетворение (глазами биолога) косности, инертности и неподвижности. Разве не достойны удивления рост минерального кристалла за счет элементов среды, его способность к регенерации? Это не простое увеличение числа связанных атомов, а процесс, с необходимостью включающий в себя условие постоянной репродукции заданного типа структуры, по существу - процесс самоорганизации. Информация о будущем кристалла закодирована в структуре его исходных компонентов. С виду холодные и бесчувственные, кристаллы рождаются, живут и умирают, ведут борьбу за существование, осваивают пространство. Вытесняют и пожирают друг друга. Устают и отдыхают, издавая при этом звуки. Им свойственны процессы размножения, питания (поглощения), созидания и разрушения, а также обмен веществ, чувствительность и раздражительность, столь характерные для живых организмов. И все это означает, что в функционировании кристалла воплощен прообраз механизма информационного управления.
 
Мы способны, конечно, вследствие своего практического опыта отличить живой объект от неживого. Мы вроде бы знаем, о чем идет речь, когда говорят «жизнь», «живое», но не в состоянии дать этому понятию необходимого и достаточного научного определения по всей его полноте и строгости, которое не встретило бы аргументированных возражений. А это значит, что в естествознании до сих пор не определен предмет огромной науки – биологии.

Жизнь отличается от неживой природы главным образом соотношением между веществом, энергией и организацией, а также мерой упорядоченности, сложности, увеличением веса и функциональной значимости информации в общей сумме материи. Пытаясь проникнуть в сущность феномена жизни, мы вынуждены ограничить сферу своего знания лишь доступными нашему наблюдению явлениями жизни. Мы в состоянии говорить лишь о том, в чем проявляется более высокое качество живого, чем оно превосходит в тех или иных отношениях состояние вещества, присущее неживой природе.

И все-таки, разграничительный признак между живой и неживой природой есть! Один единственный, но зато какой!

2.ОСОБАЯ МЕТА(И ГЛАВНАЯ ЗАГАДКА)ЖИЗНИ

Тут время вспомнить, что важнейшие строительные элементы белково-нуклеиновой системы - аминокислоты и сахара нормально существуют в природе (вне жизни) в виде двух пространственных антиподов (иначе говоря, изомеров) - L и D (от лат. laevus - левый и dexter - правый). Подобно правой и левой перчаткам, они зеркально отображают друг друга и, следовательно, ни при каком перемещении в пространстве не могут совпадать друг с другом.
 
Каждый в отдельности взятый изомер обладает так называемой оптической активностью. Его раствор способен отклонять плоскость проходящего поляризованного света на определенный угол: в одном случае вправо (правовращающий изомер), в другом - влево (левовращающий изомер). Однако в принципе изомеры в чистом виде, как «левые», так и «правые», термодинамически гораздо менее устойчивы, чем их равновеликая (эквимолярная) смесь. По этой причине каждый из них имеет склонность к самопроизвольному превращению наполовину в свою стереохимическую противоположность. И, стало быть, составленная любым из них молекулярная совокупность с течением времени самопроизвольно переходит в энергетически более выгодную форму - равновесный рацемат. Понятное дело, рацемат не обладает оптической активностью, поскольку в нем возможности отклонения плоскости поляризации влево и вправо взаимно компенсированы.
В процессе искусственного химического синтеза (как аминокислот, так и сахаров) всегда получается рацемат. Разделить рацемат на отдельные фракции или же заведомо получить таковые в чистом виде довольно трудно. Эти выверенные  экспериментально факты определенно указывают на то, что на ранней Земле (в предбиологический период) безраздельно господствовали органические рацематы и, стало быть, жизнь исторически возникала на симметричном рацемическом фоне.

Но эта симметрия была каким-то чудесным образом нарушена, причем раз и навсегда. Биосфера решительно отвергла рацематы. Жизнь пошла наперекор сложившемуся в неживой природе статус-кво и действующему в ней порядку. Жизнь не потерпела равноправия левых и правых стереоизомеров. Жизнь стала распознавать, принимать и воспроизводить в своем непрерывном метаболизме (как это мы хорошо знаем теперь) только D-сахара и только L-аминокислоты. Единственной аминокислотой, не обладающей оптической активностью вообще, является глицин, поскольку в его молекуле нет асимметрического атома углерода.

Ни один из фундаментальных законов физики не запрещает симметрию оптических изомеров. Но нет жизни без оптической асимметрии, как и нет в природе асимметричного состояния органического вещества в каких-либо ощутимых масштабах без жизни. Особая мета стоит на всем живом. Избирательное отношение к оптическим антиподам - проводит резкую грань между живой и неживой природой. И на то должна быть веская, продиктованная крайней биологической необходимостью причина. Иначе говоря, наряду с вопросом «как это могло случиться, почему?» (на котором традиционно, со времен Л. Пастера, было сосредоточено внимание научной мысли), мы обязаны поставить теперь вопрос «для чего?».

Однако стереохимический феномен жизни с самого начала был расценен в ученом мире главным образом как некая данность, некая причуда природы, не имеющая особого биологического смысла.
В самом деле, правые и левые антиподы, образующие рацемат, носят одно и то же химическое название, они построены из одних и тех же атомов, с одной и той же последовательностью. Имеют одинаковые химические свойства, одинаковые физические константы (температура плавления и кипения, плотность, растворимость, показатель преломления и др.). Возможно, это обстоятельство и направило научную мысль по сомнительному пути. Сложилось представление о произвольном и совершенно случайном предпочтении D-изомеров сахаров и L-аминокислот, которое возникло на самых ранних этапах предбиологической эволюции. «Пока нет убедительных доказательств того, что молекулы, подобные белкам, не могли бы быть построены из равного числа правых и левых молекул аминокислот», - писал в своё время большой знаток химии Л. Полинг. И далее он же: «На Земле могли бы жить организмы, построенные из D-аминокислот, так же как и организмы, построенные из L-аминокислот».
Но так ли это?

3. ЛИТЕРАТУРНОЕ ПРОИЗВЕДЕНИЕ ПРИРОДЫ

Возьму на себя ответственность заявить, что жизнь есть литературное произведение природы (от лат. littera - буква), созданное ею по определенным «грамматическим правилам» и выпущенное в свет задолго до того, как у людей появилась письменность, а тем более была сдана в типографический набор первая рукопись.  Именно таким образом, то есть аналогично линейной строке письменного текста, набранного отдельными литерами, осуществлено на молекулярном уровне полное и точное описание всякого живого организма во всех мельчайших подробностях, включая его потенциальные возможности, специфические особенности и наклонности.

Жизнь на молекулярном уровне очень любит строевую, линейную дисциплину. В структурном и функциональном отношении она линейно зависима. Многообразные процессы, которые осуществляются в живой клетке (прежде всего репликация, транскрипция и трансляция) и неизбежно сводятся к строительно-монтажным работам на линии (очень точным, выверенным, строка в строку), естественно, требуют определенной, строго фиксированной пространственно-геометрической стандартизации исходных строительных конструкций.

Понятно, что столь сложные динамические микропроцессы, где первостепенное значение имеет фактор узнавания, затрудняются или же вовсе становятся невозможными, если, например, одна часть молекул какой-либо белковой аминокислоты «левша», а другая - «правша». Кто сможет без напряжения и раздражения читать большое литературное произведение, напечатанное пусть даже хорошо известными, но перевернутыми вверх ногами буквами пополам с нормально ориентированными? Кто возьмется оценить его художественные достоинства?! Тем более для прочтения и точного воспроизведения молекулярного генетического текста, безусловно, куда более содержательного и сложного, требуется строгая геометрическая упорядоченность его элементарных составляющих.

Если же текст набран вперемешку левыми и правыми буквами, то считывающие молекулярные механизмы, узнающие литеры по их форме и пространственному положению, будут вынуждены то и дело выяснять, «левая - правая, где сторона?». Неизбежно структурное усложнение этих механизмов либо двукратное их увеличение в числе (отдельно для левых и отдельно для правых антиподов). А это уже явное расточительство, на которое природа никак не могла пойти в процессе самоорганизации. Кроме того, не следует забывать, что сам по себе рацемат есть особое химическое соединение, которое сильно отличается по своим свойствам от каждого из входящих в его состав компонентов.

Рацематы - это тупик для биохимической эволюции в сторону жизни. Грядущей жизни в самом её начале во Вселенной реально угрожала рацемическая симметрия, а это значит, что ей (жизни) угрожала рацемическая смерть.
Отсюда со всей определенностью следует, что оптическая асимметрия имеет фундаментальный биологический смысл. И разрушение оптической симметрии на молекулярном уровне вовсе не случайно. Оно необходимо было продиктовано центральной идеей - той линейной доминантой, которая изначально была положена природой в основу конструирования живой материи.
 
Нет никакого сомнения в том, что в рацемическом равновесии (в рацемическом хаосе) природа слепа, и только с выходом из него она прозревает. Нарушение оптической симметрии стало необходимой предпосылкой для возникновения жизни на фоне безжизненной природы. Отсюда само происхождение жизни мы не то что вправе, а просто обязаны рассматривать в единой связке с разрушением рацематов и возникновением оптической асимметрии. Жизнь возникла именно благодаря молекулярной асимметрии. Жизнь в полной мере есть порождение асимметрии, её счастливое производное. Без нарушения оптической симметрии космическая эволюция материи не пошла бы в сторону жизни.

Но как же, в силу каких обстоятельств могло произойти такое маловероятное событие в мире, где, казалось бы, всё препятствует и противодействует этому?

4. РЕВОЛЮЦИОННЫЙ СЦЕНАРИЙ

Внимание исследователей со времен Л. Пастера сосредоточилось не столько на биологическом смысле оптической асимметрии, сколько на поиске возможных физических факторов, которые могли бы её вызвать в самом начале, причём непременно в глобальных (возможно даже, космических) масштабах. Сам Л. Пастер полагал, что зеркальная асимметрия есть проявление некой «диссимметрии Вселенной» и, стало быть, она была навязана живой природе извне. Понятно, что при такой трактовке вопрос о биологической целесообразности феномена теряет всякий смысл.

Позже гипотетически рассматривались более конкретные, но опять-таки внешние асимметризируюшие факторы: магнитное и гравитационное поля Земли; слабое взаимодействие с его нарушением чётности; поляризованный звёздный свет (благодаря которому, возможно, во всей Солнечной системе левые аминокислоты преобладают над правыми, а в других галактиках - их зеркальные двойники, так что аминокислоты там правые, а сахара - левые) и т.п.

Дополнительный импульс, усиливший интерес к проблеме, сообщила в свое время разработка теории катастроф (как ответвление теории динамических систем) и концепции самоорганизации. Часто цитируемая в этой связи гипотеза Л.Л Морозова и В.И. Гольданского предполагает, в частности, так называемый самопроизвольный фазовый переход к асимметрии, причем скачкообразно, через необратимую бифуркацию. Подобно тому, как возникновение Вселенной связывается современной космологией с «Большим взрывом» (Big Bang - 2B), так и возникновение жизни во Вселенной (а, стало быть, и оптической активности элементов живого вещества) можно связать со своеобразным «Биологическим Большим взрывом (Biologikal Big Bang - 3B). Возникновение жизни в безжизненной природе из первоначально рацемической смеси оптических антиподов мира добиологической химии происходило, по мнению названных авторов, именно как своеобразный фазовый переход, как бифуркация, как катастрофа. Эволюционный сценарий происхождения оптической асимметрии (предполагающий постепенное накопление однонаправленных молекулярных стереоизомеров) был ими полностью отвергнут.

5. ЭВОЛЮЦИОННЫЙ СЦЕНАРИЙ

Мне представляется, однако, что оптическая асимметрия могла произойти вполне эволюционным путем. Причем в традиционном понимании смысла этого термина, т.е. эволюция, идущая через случайную изменчивость и естественный отбор наиболее жизнеспособных и наиболее приспособленных мод. Отбор как постоянный и монолитный рост ценности, функциональной значимости информации, что в сущностном плане означает развитие, усложнение семантики.

Отмеченное выше стремление рацематов к равновесию и стабильности отнюдь нельзя расценивать как нечто абсолютное и неизменное. Равновесие, в котором пребывает рацемическая система, открытая для потоков энергии из окружающей среды и подверженная другим внешним воздействиям, на самом деле всегда носит динамический характер. В ней происходят флуктуации - игра и противоборство рацемизации и преимущества того или иного оптического антипода, их взаимопревращение. Малые резонансные возмущения в определенный момент неустойчивости системы могут разрастаться в макроструктуру вплоть до полного доминирования того или иного изомера. Особенно при дополнительном воздействии внешних асимметризирующих факторов (поляризованный свет, электрическое, магнитное, гравитационное и другие физические поля, конвекционные потоки на границе раздела фаз твёрдого, жидкого и газообразного состояния вещества и т.п.), что научно подтверждается многочисленными экспериментальными данными. В результате поначалу обратимая рацемическая система переходит, таким образом,  хотя бы на определенное время в достаточно стабильное состояние с частично (или даже полностью) нарушенной зеркальной симметрией.
В качестве разрушителей зеркальной симметрии могли выступать в далеком прошлом, прежде всего, объекты минерального происхождения, обладающие в силу особых своих качеств каталитической активностью, например, асимметрические (левовращающие и правовращающие) кристаллы кварца. И, стало быть, химический элемент кремний (не обязательно в чистом виде), который мог выступить в качестве возможного первичного фактора линейной полимеризации органических молекул, вполне мог оказать углероду ещё и вторую, не менее важную, услугу в грядущем конструировании им жизни. Сочетание двух возможностей в одном «силикатном гене», по логике, имело бы для природы несомненные «экономические» преимущества.

Тем самым кремний как химический элемент (содержание которого в современной земной коре составляет, кстати, 29,5% от её массы против 2,3;10-2 % углерода), выполнил тем самым свою великую историческую миссию в качестве предшественника главному элементу нынешней жизни - углероду.

Нарушение оптической симметрии вполне могло происходить в мягком и спокойном режиме, без каких-либо молниеносных катастроф и революционных потрясений, словом, без всякого «B». И необязательно сразу в глобальных масштабах. Полимерным органическим молекулам, формировавшимся где-то в спонтанно возникавшей оптически активной среде или в стабильных минеральных системах (силикатные глины типа смектитов), ничего не оставалось, как включать в свой состав (в качестве строительного материала) только правовращающие или только левовращающие мономеры. Они просто вынуждены были это делать в отсутствие выбора в конкретных локальных условиях! Первичное образование таких асимметричных органических полимеров, несомненно, было делом случая и вряд ли имело поначалу какое-либо существенное значение для "мировой революции" в сторону жизни.
 
Однако именно такие молекулы оказались наиболее подходящими для последующей органической эволюции, что и показал в дальнейшем их естественный отбор (первопричина всякой самоорганизации, метод методов, порождённый самой природой), который при всей своей стихийности шёл уже направленно. Включение только одного изомера из двух послужило главной предпосылкой для стабилизации и выживания теперь уже куда более сложных органических молекул, их последующего воспроизведения и накопления в определенной среде, а также дальнейшего структурного и функционального усложнения. Такие молекулы приобретали преимущества в отношении скорости реакционных процессов и потенциальной возможности к реплицированию (рацематы полностью проигрывали им в этом отношении). Процесс их направленного отбора мог протекать, в принципе, ещё до зарождения жизни, то есть в предбиологический период, где-то в пограничной зоне гидросфера-литосфера.

Другое дело, мы до сих пор не знаем, почему жизнь выбрала для аминокислот левые антиподы, а для сахаров - правые. Почему именно так, а не иначе? Думается, однако, что и этот выбор был сделан неспроста и что квантово-химический подход рано или поздно даст ответ на этот вопрос.

Есть, однако, и другие, не менее интригующие загадки. В живой природе всё-таки отмечено, в порядке исключения, наличие D-аминокислот, находящихся в свободном состоянии или в составе коротких пептидов. Они выявлены, например, в клеточных стенках бактерий сибирской язвы (D-Glu), а также в составе пептидов кожи одного из видов южноамериканских лягушек, в которых найден D-Ala. И среди сахаров, оказывается, есть исключения. Это L-арабиноза бактерий, L-рамноза и L-сорбоза растений. Эти чрезвычайно интересные факты почему-то ограничиваются в специальной научной литературе главным образом их констатацией и остаются без внимания общебиологических исследований, тогда как их объяснение могло бы пролить дополнительный свет на саму проблему жизни.

Как бы то ни было, эти факты свидетельствуют (причем с неожиданной стороны) не в пользу гипотезы  революционного сценария разрушения оптической симметрии - "Biologikal Big Bang"- в контексте происхождения жизни.