Еще дополнение.
Эрик Михайлович Галимов - академик РАН, директор Института геохомии и аналитической химии им. В. И. Вернадского
Я бы даже не спешил сейчас упоминать РНК или белки – хотя вообще говоря, как раз сама проблема происхождения жизни все время вращается вокруг выбора этих начальных субстанций, что это было – белки, РНК, сахара, липиды. Я думаю, что не в этом дело. Все-таки возвращаясь к проблеме упорядочения. Ясно, что нужна машина, которая бы это упорядочение рождала. И в принципе выясняется, что при определенных обстоятельствах, при определенных условиях такая машина есть. Ее можно назвать, можно понять, как она функционирует. С этим, в общем, легко даже согласиться, потому что там нет ничего напряженного. Это открытые системы, необратимые реакции, связанные в стационарную систему. Здесь насчет стационарности можно уже спорить, но тем не менее это тоже возможно. И если такая система сопряжена микроскопически с некоторой реакцией, где происходит диспропорционирование энтропии... Понятие микроскопического здесь очень важно. Потому что немикроскопического диспропорционирования энтропии не может быть. Так вот, если есть такая реакция, тогда такую машину, в принципе, можно показать. Я не хочу на этом останавливаться подробно, главное – она будет рождать упорядочение. А если она будет рождать упорядочение, за этим следует целый ряд очень важных выводов. Что за реакция возможна здесь? Оказывается, есть прекрасный кандидат на роль такой реакции, способной удовлетворить требованиям такой машины. А требования простые. Опять-таки, она должна быть энергоподающей, потому что надо заводить стационарную систему, которая должна потреблять энергию. Она должна энтропию отбирать в этом процессе. И она должна микроскопически сопрягаться с теми процессами, которые важны и типичны для первичной эволюции. И вот такой молекулой, с вашего разрешения, является аденезинтрифосфат. А если говорить о реакции – это гидролиз аденезинтрифосфата. Как раз все это происходит с данной молекулой. В частности, что такое химическое сопряжение, которое чаще всего вызывает вопросы? Дело в том, что большинство реакций, связанных с образованием полимеров, это реакции с отбором воды. Чтобы два нуклеиновых основания соединились между собой в какую-то цепочку, они выбрасывают воду и соединяются. Аминокислоты образуют пептитную цепь, они выбрасывают воду, соединяются и так далее. Это крайне характерно для любых реакций биосинтеза. А гидролиз АТФ – это как раз присоединение воды. То есть, иначе говоря, на воде, на молекуле воды осуществляется перекресток, где происходит микроскопическое сопряжение. И благодаря этому, если гидролиз АТФ идет с повышением энтропии, то он может с понижением энтропии заставить идти реакцию, которая с ним сопряжена. А если это стационарная система, то она низкоэнтропийный продукт будет рождать просто как с конвейера.
Возражение: Аденозинтрифосфат сам по себе возникнуть не может. Он термически неустойчив в воде.
Нет, подождите, вот тут мы как раз можем поговорить на эту тему. Он содержит аденин, содержит рибозу и фосфат. Ну, фосфатные группы не представляют большого интереса. Но дело в том, и это как раз изумительная сторона дела, что эта сравнительно сложная молекула имеет сравнительно простой путь возникновения. Дело в том, что на первичной земле, а мы сейчас это точно видим, нет проблемы с определенным органическим фоном, Скажем, цианистый водород, формальдегид. Те же аминокислоты, они присутствуют в межзвездном пространстве, в метеоритах. И естественно, они могли быть на ранней земле тоже. Так вот аденин – это не что иное, как всего лишь конденсат пяти молекул цианистого водорода. Пять молекул цианистого водорода определенного вида – это аденин. А рибоза – это не что иное, как пять молекул формальдегида, опять-таки сложенных определенным образом. Ну, фосфат – это не представляет сложности. Но там есть определенные проблемы. Проблема состоит в том, что такая полимеризацию аденина или формальдегида, или цианистого водорода, воденина или формальдегида в рибозу, она проходит в определенных только условиях. Дело в том, что цианистый водород с формальдегидом раньше соединяются между собой, получается так называемая циангедриновая реакция...
важно представить ту обстановку на Земле, которая могла способствовать зарождению жизни. И вот эта модель, помимо всего прочего, она диктует нам выбор тех условий, которые мы должны версифицировать: могли быть такие условия или не могли быть такие условия. Так вот, такая возможность существует. Очень просто. Для этого должна быть восстановленная атмосфера, то есть атмосфера, в которой, скажем, углерод присутствует не в виде СО2, а в виде метана, азот не в виде молекулярного азота, а в виде аммиака, например. Так вот, в восстановленной атмосфере аденин может формироваться свободно. Там нет формальдегида. А формальдегид зато может прекрасно образовываться в водном бассейне. И вот когда аденин выпадает в этот водный бассейн, где рибоза уже может быть связана с фосфатами, там может возникнуть, в принципе, аденезинтрифосфат. Здесь есть очень интересный момент, Сергей Дмитриевич, как ни странно, даже проверки этой гипотезы. Дело в том, что циангидриновая реакция дает в качестве продуктов аминокислоты или гидроксикислоты. Аминокислота – это когда NH2-гpyппa присоединяется, а гидроксика – это когда на это место ОН-группа садится. Вот если вы соедините цианистый водород с формальдегидом, вы можете прийти к этим двум очень важным органическим соединениям. Так вот, на Земле возможно отдельное формирование аденина, отдельное формирование рибозы, и затем – образование аденезин-трифосфата. Есть метеориты. Там есть органические соединения в углистых андритах, и эти метеориты образовались в результате распада так называемых «родительских тел». А это небольшие первичные тела. Это очень ранний процесс, когда при возникновении Солнечной системы нагревалась первичная вода, и произошла гидротермальная обработка всего этого массива. Там ни о какой, естественно, атмосфере или же водной оболочке отдельной не может идти речь. Это всё некий конгломерат. Какие там соединения мы видим в углистых андритах? Мы видим обилие аминокислот и гидроксикис-лот из органических соединений.
И я хочу сказать о главном, что, по-видимому, вас смущает в более простой и приземленной модели происхождения жизни. Первое, на чем я остановился, это самый начальный момент. Начало. Это когда из ничего возникает некая машина, которая способна к упорядочению. То есть к производству полимеров, потому что полимеры это и есть нечто, что является упорядоченным. Потому что упорядочение – это ограничение степеней свободы, вообще-то говоря. И в дальнейшем, в ходе всей эволюции упорядочение – это ограничение свободы, это установление соответствий. В этом, собственно, и состоит смысл упорядочения. Так вот, данная машина это начинает делать, в том числе и полимеры. Я, чтобы быть очень быстрым, скажу только одну вещь. Дело в том, что та модель, которую я предложил, она включает два очень важных обстоятельства или параметра – это линейность и итеративность. Упорядочение, о котором я сказал, оно микроскопическое. Оно происходит на микроскопическом уровне. То есть достаточно одной молекулы. Не большой выход, не массовый, как в химии, где мы получаем много молекул как результат какого-то химического процесса – одной молекулы, вообще говоря, достаточно. Вот это и есть упорядочение. А следующее – это итеративность, это воспроизведение. Вся моя теория эволюции стоит на двух ножках – это микроскопическое упорядочение и затем многочисленные копии. Так вот, подходя к генетическому коду, – потому что здесь много о чем можно с интересом говорить, – но это самое любопытное. Дело в чем? Сергей Дмитриевич прав, катализаторы – это самое главное. Это самая главная возможность упорядочения. Потому что чем занимаются катализаторы? Они селективны. Они устанавливают очень точное соответствие. Поэтому упорядочение – это прежде всего рождение катализатора. Но катализаторы лучшие – это катализаторы из аминокислот. Вот что мы, собственно, и имеем, фермент сегодняшний. И они очень хороши в этой роли. Причем не обязательно иметь роскошный фермент, которым мы обладаем сегодня, в конце эволюции. 5 аминокислот, соединенных вместе – уже катализируют очень неплохо. Они в десятки раз могут ускорить определенную реакцию. То есть это с самого начала уже работающая некая вещь. Но они никуда не годятся с точки зрения репродуктивности. Аминокислотные цепочки не в состоянии себя воспроизвести. Есть другие молекулы – нуклеиновые основания. Нуклеиновые основания – плохие катализаторы. У них есть каталитические свойства. Нобелевскую премию дали за открытие каталитических свойств РНК, потому что очень важно, что РНК не только информационная молекула, но и каталитическая. Это очень важно. Но тем не менее как катализаторы они очень слабы. Но зато прекрасно умеют себя воспроизводить. Потому что те комплиментарные цепочки, которые они образуют, это великолепный путь к воспроизведению. Что произошло? Произошел автокатализ аминокислотных цепочек через цепочки нуклеиновых оснований. Эти умеют хорошо катализировать, атезато прекрасно могут репродуцироваться. И поэтому природа нашла, она не могла не найти в процессе упорядочения – ведь речь идет об упорядочении – эту машину, которая работает. Она не могла не найти этой возможности связать эти два качества, которые дальше вместе дали возможность развернуться уже эволюции в полном объеме, потому что есть катализатор и есть возможность его воспроизведения.
Далее об очень весомом и частом аргументе - о малой вероятности случайной сборки макромолекул
Эрик Михайлович Галимов - академик РАН, директор Института геохомии и аналитической химии им. В. И. Вернадского
Рассматривался вопрос о возможности случайной такой самосборки. И надо сказать, что он рассматривался ненапрасно, потому что, если говорить о дарвинизме, как о механизме эволюции, он не является механизмом упорядочения, как мы уже говорили. И поэтому при помощи такого подхода нельзя объяснить происхождение жизни. Поэтому последовательные дарвинисты, как, например, Ричард Доукинс – это крупнейший вообще философ-дарвинист, американец, – он стоит на такой точке зрения, что сначала было все-таки что-то случайное, была какая-то случайная сборка, пусть не очень сложной системы, ну, в рамках возможной вероятности, а уже затем пошел процесс, связанный с естественным отбором... Правда, случайность эту приходится продлевать до момента возникновения генетического кода, потому что иначе все равно ничего не получается. А это уже очень маловероятная вещь. Фред Холь, наверное, всем известный астрофизик, он давал такое сравнение, еще более образное. Он говорил, что случайное образование первичной простейшей клетки имеет приблизительно такую же вероятность, какую имеет самосборка Боинга-747 из мусорной кучи. Действительно, вопрос о случайности рассматривался, Вигнер, известный специалист в квантовой механике, делал такие расчеты. Этот вопрос закрыт – случайной самосборки здесь быть не может.
И дело в том, что в ДНК записано не то единственное, что возможно, а то, что получилось. Так работает комбинаторика. Есть такая игра – в слова. Когда вам нужно одно слово преобразовать в другое. Для того, чтобы одно четырехбуквенное слово преобразовать в другое четырехбуквенное слово случайно, вам нужно порядка четырехсот тысяч переборов. Но если вы закладываете правила отбора, то можете преобразовать это слово в четыре шага. Поэтому здесь совершенно иной механизм заложен. И он является следствием. Он не сам даже важен, а является следствием механизма упорядочения, о котором я продолжаю говорить.
и я нашел в другой статье некотоое подтверждение этому
Огромное мнсжество задач, имеющих важное прикладное значение (задача о целочисленном линейном программировании, о коммивояжере, об изоморфизме подграфа), являются задачами экспоненциальной сложности. Их невозможно решить с достаточной точностью на классическом компьютере за обозримое время.
Такие задачи в настоящее время находятся в центре внимания не только в области программирования, но и в физике. Природа каким-то удивительно естественным образом умеет решать подобные проблемы.
Один из примеров – сомопроизвольная укладка белковой полимерной цепочки в строго определенную пространственную структуру, так называемый фолдинг. Как это происходит – одна из наиболее интригующих проблем в статистической физике полимеров. Эту проблему американский ученый Левинталь сформулировал в виде парадокса. Если подсчитать, сколькими способами можно уложить полимерную цепочку из 100 звеньев в компактную белковоподобную структуру, то получится все то же огромное число, порядка 1040.
Реально белковая макромолекула укладывается в нужную структуру за время порядка нескольких секунд. «Перебрать» все способы укладки и выбрать наиболее выгодную (в энергетическом смысле) она не может принципиально. Тогда вопрос: как среди гигантского числа альтернатив белковая молекула выбирает нужную с вероятностью, равной почти единице? Можно ли предположить, что белковые макромолекулы могут делать это потому, что их аминокислотные последовательности очень специальные? Большая часть аминокислотных последовательностей просто не может сама складываться в определенную структуру. Но тогда в точности такая же проблема возникает на эволюционном уровне.
Может быть все дело просто в каком-то особом типе динамики, который пока не вполне понимается нами? Вообще, если подумать, то нетрудно понять, что человек часто решает подобные проблемы, и решает их одним и тем же способом – создает иерархический алгоритм поиска решения. Так создана почтовая система, системы дорог и коммуникаций, библиотеки, телефонная сеть, Интернет. В результате, требуется небольшое число шагов, чтобы в a priori гигантском массиве поиска найти то, что нужно.
Интересно, что подобным иерархическим образом возникали различные языки – от общего ствола – протоязыка – к множеству языков, образующих ветвящуюся крону на дереве языков. Это очень интересные исследования, которые проводятся член-корр. РАН. А. Старостиным и совместно с лауреатом Нобелевской премии Гилмором в рамках совместной программы Еврейского университета в Москве и известного института Санта-Фе в США. Наконец, именно так организовано и «древо жизни» – филогенетическое дерево.
Но предположим, что процесс самоорганизации биологических систем существенно иерархичен. Может ли подобное происходить с физическими, так называемыми «неживыми» системами? Может именно в этом специфика живого? Как это ни удивительно, но иерархические структуры появляются в чисто физических системах – спиновых стеклах, кластерах, наночастицах, больших молекулах и биополимерах.
)
А говорили, это не заразно. Интернет - это сила...
