2015-01-13
1745
"Протобионт" - термин, принятый для обозначения промежуточного звена в процессе возникновения жизни, находящегося между эволюционирующими химическими соединениями с одной стороны и явно биологическими формами, имеющими генетический аппарат и подвергающимися дарвиновскому отбору, - с другой. На стадии образования этого продукта уже появились некоторые биологические признаки, в то время как другие находились в состоянии развития.
Опарин с сотрудниками предложил в качестве модели протоклеток коацерватные капли, построенные из смесей коллоидпых частиц. В роли этих частиц могут выступать длинные, в значительной степени неспецифичные макромолекулы, связывающие молекулы воды и при подходящих значениях рН, концентрации соли и температуры объединяющиеся друг с другом с образованием коацерватных структур, по размерам напоминающих клетки. Смеси, в которых образуются коацерваты, легко получить в лаборатории, например смешивая разбавленные растворы желатины (белок) и гуммиарабика (полисахарид). Раствор остается прозрачным, если его не подкислять; при подкислении же осаждаются частицы коацервата, т. е. для того, чтобы желатина и гуммиарабик вступили во взаимодействие и образовали структуры клеточных размеров, необходимо низкое значение рН. Коацерваты можно также получить из полиадениловой кислоты (полинуклеотида) и гистона (белка). Аналогичным образом взаимодействуют и многие другие полимерные молекулы, хотя в каждом конкретном случае для образования коацерватов требуются определенные внешние условия.
Модельные системы чрезвычайно полезны, поскольку они позволяют изучать протекание специфических синтетических и биохимических реакций в системах клеточных размеров, отделенных от внешней среды, в которых локальные условия могут сильно отличаться от условий внешней среды. Например, как показал Опарин, коацерваты, состоящие из рибонуклеиновой кислоты и гистона, при добавлении полинуклеотидфосфорилазы в присутствии аденозиндифосфата синтезируют полинуклеотид - полиадениловую кислоту. Этот процесс идет и без коацерватов, но существенно то, что в присутствии достаточного количества гистона коацерваты увеличиваются в объеме и, возможно, механическим путем делятся надвое. Коацерваты другого типа, включающие добавленный хлорофилл, переносят электроны с красителя-донора на краситель-акцептор, моделируя один из этапов фотосинтеза. В модельных коацерватных системах используются полимеры биологического происхождения: белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды.
Для экстраполяции к условиям еще безжизненного "маленького теплого водоема" необходимо накопление случайно образовавшихся полимеров, способных объединяться в подобные структуры. Среди множества коацерватов, состоящих из хаотически синтезированных полимеров, те, которые были способны медленно синтезировать дополнительные количества сходных полимеров, могли расти и подвергаться отбору длительное время. В конце концов последовательные этапы отбора могли привести к развитию обмена веществ и наследственности.
Хотя эта модель исключительно полезна, мне кажется, что она неверна. Для приготовления коацерватов в лаборатории требуются очень высокие концентрации полимеров. Но в первобытных водоемах присутствовал весьма разбавленный бульон, содержащий небольшие органические соединения. Следовательно, для того чтобы низкомолекулярные предшественники реагировали, образуя полимеры, они должны были преодолеть первый концентрационный разрыв.
Чтобы образовались коацерваты, появившиеся в разбавленном растворе, полимеры должны были преодолеть второй концентрационный разрыв. Наконец, сами коацерваты должны были осуществлять дальнейший синтез в очень разбавленном растворе. Ниже мы еще много раз будем сталкиваться с проблемой преодоления концентрационного разрыва.
Теоретически можно найти способы обойти проблему концентрационного разрыва, но они представляются скорее пожеланиями, нежели правдоподобной реальностью. Например, вполне вероятно, что многочисленные неглубокие водоемы, разбросанные между крупными вулканами, интенсивно испарялись. При этом удалялась вода и летучие органические соединения типа формальдегида и синильной кислоты и образовывался действительно более концентрированный бульон. Иногда в водоемах до следующего дождя оставались только влажная глина и ил. Несомненно, это и могло, и должно было происходить, но этот процесс еще не проанализирован достаточно подробно.
В водоемах присутствовали также соли, типа хлористого натрия. Хотя в первобытных водоемах содержалось гораздо меньше солей, чем в современном океане, количество их молекул все же далеко превосходило количество молекул органических веществ. Учитывая, что в ходе испарения концентрируются и те, и другие, проведем грубую оценку. Концентрация солей в водоеме могла быть приблизительно 1,5 г/л (10% концентрации солей в современных океанах), а общая концентрация двадцати аминокислот могла быть около 2-Ю-4 г/л. Итак, отношение количеств молекул соли и аминокислот было приблизительно 10 000: 1. Помня, что мы должны прийти к синтезу нерегулярных молекул белка, представим себе случайные столкновения молекул аминокислот друг с другом. Трудность состоит в том, что молекула аминокислоты будет сталкиваться с молекулами соли в 10 000 раз чаще, чем с молекулами другой аминокислоты! В данном примере не учитывается также тот факт, что аминокислоты - не единственное подмножество общего набора нелетучих органических соединений в высыхающем водоеме. Следовательно, аминокислоты могли сталкиваться и реагировать с другими молекулами органических соединений и с молекулами солей значительно чаще, чем с молекулами других аминокислот. К тому же по мере испарения под действием ультрафиолетового излучения Солнца быстро разрушалось все, что бы ни сконцентрировалось. В особых условиях, в лаборатории, концентрирование действительно происходит, но образование коацерватов в реальном мире - совсем другое дело.
Для модели протоклеток, выдвинутой Фоксом, также характерны практические затруднения, связанные с преодолением концентрационного разрыва. Как и модель Опарина, модель Фокса изучалась весьма тщательно, она вполне этого заслуживает. Если смесь аминокислот нагреть и затем перенести в воду, то из нее можно выделить полимеры, названные Фоксом протеиноидами. Протеиноиды представляют собой белковоподобные молекулы со случайной последовательностью аминокислот, которые образуются с отщеплением одной молекулы воды на каждую пептидную связь. Растворы протеиноидов при охлаждении мутнеют. Когда их рассматривали в микроскоп, обнаружили сферы диаметром около 10 мкм, напоминающие клетки, каждая из которых имеет толстую, как скорлупа, протеиноидную мембрану. Иногда были заметны образования, похожие на почки, а также сдвоенные частицы.
Протеиноид, который легко получить в лаборатории, является беспорядочной смесью довольно крупных полимеров, большей частью полипептидов. Он подвергается частичному расщеплению под действием ферментов, расщепляющих белки биологического происхождения.
Фокс и его сотрудники показали, что такие протеиноиды, имеющие нерегулярную структуру, обладают широким набором незначительных каталитических активностей. Они предполагают, что аминокислоты концентрировались в испаряющихся водоемах и затем под действием тепла лавовых потоков или в ходе высушивания под действием солнечных лучей полимеризовались. После дождя протеинойды претерпевали самосборку в микросферы. Микросферы представляют собой популяцию протоклеток, подвергавшихся отбору в соответствии с их каталитическими активностями, необходимыми для первичного метаболизма.
Протеиноидные микросферы легко приготовить, и это делается во многих школьных лабораториях. Необходимо всего лишь нагреть кусок лавы на газовой горелке, бросить на горячую лаву ложку сухих L- или D-аминокислот и смыть с лавы полученные протеиноиды чашкой воды.
Центральным остается вопрос: откуда в реальном добиологическом мире взялись чистые, сухие, концентрированные и оптически активные аминокислоты? Второй вопрос касается природы пограничных слоев в протеиноидных микросферах. Клетки имеют липопротеидную мембрану, тонкую, как паутинка, через которую путем диффузии могут медленно проникать различные малые молекулы. Протеиноидные микросферы ограничены толстыми, грубыми наслоениями частично гидрофобных белков. Эти наслоения настолько толсты, что напоминают скорее почти непроницаемые клеточные стенки или оболочки спор, чем клеточные мембраны.
Бернал предположил, что ключевым моментом в образовании полимеров из небольших органических молекул является их адсорбция на глинистых минералах. Многие виды глин действительно весьма эффективно и избирательно адсорбируют аминокислоты, азотистые основания и сахара. В модели Бернала концентрационный разрыв преодолевается благодаря присутствию глин, повышающих локальные концентрации полимеров биологического типа со случайной последовательностью составляющих его мономеров.
Предполагается, что на более поздней стадии эти полимеры самоорганизуются в протоклетки и популяция первичных протоклеток служит основой для отбора тех, которые обладают синтетической и метаболической активностью. Определенная сложность заключается в том, что вещества на глинах могут разрушаться под действием ультрафиолетового излучения. К тому же многие полимерные вещества адсорбируются гораздо сильнее, чем малые молекулы, и становятся недоступными для дальнейших превращений. Тем не менее механизм концентрирования на глинах остается полезным и заслуживает дальнейшего изучения.
Во всех вышеописанных моделях протоклеток остается нерешенной главная проблема преодоления концентрационного разрыва. В связи с этим возникает вопрос: нет ли альтернативных подходов? Я лично считаю, что есть, и ниже остановлюсь на одном из них, которому я отдаю предпочтение.
При воздействии энергии на смесь первичных газов образуются не только малые органические молекулы - неизменно обнаруживается также и полимерный материал, в состав которого обычно входит почти весь углерод, участвовавший в реакции. Этот, в основном гидрофобный материал не удается полностью охарактеризовать с химической точки зрения. В обычных экспериментах с электрическим разрядом он выявляется в форме осадка (конденсата) на электродах и на стенках реакционного сосуда. Полимеры образуются также и тогда, когда электрическая искра проходит через смесь газов и достигает поверхности воды. В этом случае органический материал выпадает в виде тонкой маслянистой пленки на поверхности воды. При перемешивании или встряхивании пленка отделяется от поверхности и образуются сферулы размером от 1 до 20 мкм в диаметре, а также более сложные структуры. Новообразовавшиеся сферулы имеют тонкую гидрофобную мембрану, которая окружает другой мембраноподобный материал и часть водного раствора. Рис. 7.2 иллюстрирует сложное строение этого полимерного материала, для которого характерны довольно высокие выходы.
Подобные органические микроструктуры, очевидно, являются результатом самосборки полимерного материала на поверхности воды. Завершив самосборку, они медленно опускаются на дно водоема. Но если регистрировать скорость образования этих структур путем простого подсчета под микроскопом их количества через различные промежутки времени после начала реакции в искровом разряде, наблюдается удивительная вещь: число микроструктур экспоненциально возрастает со временем. Это свидетельствует о том, что одна структура, по-видимому, служит центром для самосборки других. Такая же кинетика автокаталитического роста наблюдается и в биологических популяциях растущих клеток. В последующих главах мы будем обсуждать и другие свойства органических микроструктур. Их существование приводит нас к следующему ключевому положению.
Протоклетки образовывались в первобытных водоемах из полимерного вещества одновременно с образованием органических соединений.
Итак, для образования протоклеток не требуются специальные концентрационные механизмы. Протоклетки в большом количестве находились в водоемах с самого начала, образуясь при воздействии энергии на первичные газы и пленку. После образования они опускаются на дно водоема, где оказываются защищенными от разрушительного действия сильного ультрафиолетового излучения.
Дают ли древнейшие горные породы какие-нибудь непосредственные доказательства существования протоклеток? Как можно отличить подобные структуры от остатков истинно биологических структур?
Для ответа на эти вопросы был разработан ряд методов. В одном из них осадочную породу растворяли в смеси плавиковой и соляной кислот. При этом минеральная основа растворялась, а неповрежденное органическое вещество высвобождалось, и его исследовали азтем под микроскопом. При изучении другим методом минералы разрезали на тонкие пластинки, полировали их и искали под микроскопом ископаемые клетки. Это утомительный труд: для того чтобы обнаружить ископаемые клетки, необходимо просмотреть многие и многие образцы. Сбор и установление возраста древних пород сами пот себе являются нелегкой задачей. Еще труднее решить, какие критерии биогенности применить к наблюдаемым ископаемым образованиям органического происхождения.
Бартоломью и Лоис Наш и их сотрудники в Аризонском университете дали описание древнейших из известных органических микроструктур, имеющих возраст 3769 ±70 млн. лет, которые были найдены в слюдистом метакварците из Исуа (Гренландия). Эти микроструктуры идентичны микроструктурам, образующимся при искровом разряде над поверхностью воды.
Более древние осадочные породы не обнаруживаются, поскольку устойчивая система океанов образовалась не ранее 4000 млн. лет назад. Вполне вероятно, что те структуры, о которых сообщали Наги, являются протоклетками, по крайней мере по своей морфологии они их напоминают.
Строматолиты представляют собой рельефные и слоистые отложения карбонатов в осадочных породах. Они возникли в результате осадкообразующей деятельности фотосинтезирующих сине-зеленых водорослей. Эти единственные в своем роде структуры дают наилучшее в настоящее время однозначное доказательство существования таких форм жизни, как водоросли. Древнейшие из известных строматолитов встречаются в системе Булавайо (Южная Родезия), их возраст от 3100 до 2700 млн. лет.
Эти данные приводят нас к убеждению, что эволюция протоклеток продолжалась в течение огромного периода времени, начиная от первых протоклеток около 4500 млн. лет назад и достигая наивысшей точки примерно через 1500 млн. лет, когда появились бактерии и сине-зеленые водоросли. В эту раннюю эпоху у протоклеток появились и эволюционировали генетический и белоксинтезирующий аппараты, а также обусловленный этими двумя аппаратами наследуемый обмен веществ.
Для того чтобы представить во времени главные события, имеющие как биологическое, так и геологическое значение, мы нанесли их на временпую шкалу. В упомянутый выше период в течение 1500 млн. лет протоклетки подвергались разнообразным испытаниям, результатом которых было возникновение истинно биологических форм.
