12.5.2. Гомохиральность и самоорганизация в живых организмах

Отечественные ученые школы В. И. Гольданского (1928 — 2001) JI. JI. Морозов и В. А. Аветисов, учитывая генетическую про­грамму построения белков живого организма, считают, что име­ется не просто нарушение зеркальной симметрии, а образование с позиций хиральности уникальной последовательности звеньев в соответствующих биополимерных цепях. Такое свойство живого они назвали гомохиральностью. В этом смысле ключе­вые биологические макромолекулы являются гомохиральными полимерами. Однако экспериментальное доказательство сущест­вования таких полимеров, в которых нарушена зеркальная сим­метрия и где проявляется один вид гомохиральных биополиме­ров (а именно такова форма жизни на Земле, с учетом антроп- ного принципа), не означает, что во Вселенной не может быть и других форм жизни. Кроме того, конечно, не ясен сам механизм образования гомохиральности, особенно на предбиологической стадии эволюции.

Биоорганический мир является сложной самоорганизующей­ся иерархической системой, но динамика образования иерархии в исходно разупорядоченной «первоначальной» среде остается пока не установленной. И несмотря на сам факт осознания неизбежности самоорганизации сложных макромолекулярных структур биологического уровня, нам не хватает конкретных знаний об этих процессах. Живой организм умеет строить фан­тастические по сложности молекулярные конструкции удиви­тельно быстро и надежно, по определенному и непростому гене­тическому плану. Но все это происходит тогда, когда живой ор­ганизм уже возник. А как образуются гомохиральные полимеры на добиологической стадии эволюции, когда не было ни генети­ческого «плана», ни биохимической технологии сборки поли­мерных цепей?

Число же таких даже относительно простых цепей с различ­ной последовательностью правых и левых мономеров составляет около Ю¹⁰⁰, что больше числа электронов во всей Вселенной [204]. Каждая клетка человека содержит двойную нить ДНК из четырех миллиардов нуклеотидов длиной почти в два метра, упа­кованных в крошечный объем клеточного ядра. Известный гене­тик В.В. Сойфер подсчитал, что если все ДНК клеток одного че­ловека выстроить в линию, то эта нить протянется до Солнца.

Самособирающиеся сложные макромолекулярные структуры из гомохиральных мономеров действительно являются уникаль­ными, потому что они собираются (без Разума Человека, сами!) единственным способом из огромного числа возможных вариан­тов. Согласно В. Аветисову в этом — биохимический парадокс, называемый парадоксом Левинталя: как понять и объяснить, что полимерная цепь с огромной скоростью выбирает и реализует нужный для конкретных частей живого организма способ само­сборки белков. В обычных условиях требуемое для этого время кажется бессмысленно большим, значительно большим, чем возраст Вселенной.

' В. Аветисов приводит образный пример такой ситуации. Если взять массу органической материи, равную массе всей Земли, и синтезировать каждую полимерную последовательность только один раз в результате самых быстрых химических процессов и заниматься этим делом в течение всего времени существования Вселенной, то можно получить число вариантов этого процесса, сопоставимое с числом капель во всем Мировом океане! Поэто­му приходится считать, что природа не имеет никаких реальных шансов перебрать все возможные варианты образования даже простых полимеров. Вероятность этого процесса такая же, как если трясти мешок с деталями от телевизора и ожидать, что в результате мы получим собранный таким образом работающий телевизор.

Мерой этого перебора вариантов может служить постоянная Авогадро (~10²³) — это число, которое значительно меньше чис­ла возможных цепей в Ю¹⁰⁰. Из этого сравнения вытекает, что вероятность появления длинных гомохиральных последователь­ностей физически равна нулю. Отсюда В. И. Гольданский и В. А. Аветисов делают вывод, что длительный эволюционный путь не может реально привести к возникновению асимметрич­ного биоорганического мира и это произошло спонтанно. Такие представления для физической идеологии нашего курса не явля­ются чем-то новым, а лишь подтверждают, что эволюция идет через точки бифуркации и при определенных условиях — нели­нейно, в режимах с обострением.

Что может быть причиной нарушения зеркальной симметрии неживого, приводит к асимметрии живого, его молекулярной асимметричности? Условиями такого фазового перехода предпо­ложительно могли быть изменение электромагнитного поля Зем­ли, вращение Земли, поляризация солнечного и лунного света, асимметрия геофизических и геокосмических факторов, случай­ные флуктуации в органической среде, слабые взаимодействия. Оценка пороговой энергии, необходимой для таких переходов, и масштабов объемов, где они возможны, по A. JI. Морозову, со­ставляет соответственно (0,1 — 10) Ю^-12 Дж и 10 нм, что указыва­ет на принципиально квантовый характер этих процессов.

В космомикрофизике слабыми взаимодействиями объясняют нарушение симметрии между веществом и антивеществом сразу после Большого Взрыва (БВ), однако, по мнению В. И. Гольдан- ского, связь между химическими реакциями предбиологического этапа жизни и слабыми взаимодействиями не проявляется. Энер­гии элементарных частиц после БВ велики, а энергии химических реакций на холодных стадиях эволюции Вселенной, когда могли образовываться хиральные органические соединения, очень малы по сравнению с ядерными, и, по-видимому, асимметричное влия­ние слабых взаимодействий на них ничтожно мало.

В 1980 г. было установлено, что право- и левовращающие мо­лекулы, помещенные в магнитное поле, по-разному поглощают свет. Это свойство молекул разной хиральности назвали магнит­ным дихроизмом. Ученые из Гренобльской лаборатории во Фран­ции в июне 2000 г. показали, что химическая реакция, приводя­щая к разделению левых и правых молекул (процесс называется энтаниоселекцией), не может осуществляться в слабом (для тако­го процесса) магнитном поле Земли. Полагают, что в момент за­рождения жизни на Земле были другие условия, способствовав­шие формированию первых микроорганизмов из молекул опре­деленной направленности.

Однако не следует однозначно считать превалирующей роль асимметрии по сравнению с симметрией. Оба этих представления одинаково важны для живого в диалектическом единстве, отра­жая двойственность и единство мира. Понятия симметрии и асимметрии неразрывно связаны с понятиями устойчивости и неустойчивости, порядка и хаоса, организации и дезорганизации сложных систем в гармонии их динамики. Симметрия связана с сохранением, стабильностью процессов, их устойчивостью, делая возможными те процессы, которые подчиняются законам сохра­нения. Она ограничивает число возможных вариантов структур или вариантов поведения системы. Большая энтропия соответст­вует более высокой симметрии, а высокой симметрии соответст­вует большая вероятность состояний (§ 8.7). Поэтому симметрич­ному состоянию соответствует и меньшая информация.

Симметрия (проявление здорового консерватизма) как бы ог­раничивает число возможных вариантов поведения системы, сводит их лишь к необходимому, организуя некий минимальный порядок; в известном смысле симметрия подчеркивает общее в объектах и явлениях, что можно рассматривать как проявление категорий целого и частей¹¹

.Асимметрия, как процесс развития частей, основанный на случайностях, флуктуациях, обеспечивает эволюцию живого ор­ганизма через дезорганизацию, хаотические состояния. Согласно И. Р. Пригожину процесс самоорганизации живого через возни­кающие диссипативные структуры связан с нарушением симмет­рии в точках бифуркации.

Реальный мир живого организма и его жизнедеятельность обеспечиваются и симметрией, и асимметрией, в сочетании с со­хранением целостности организма и его динамического раз­вития. Диалектическая борьба противоположностей симмет­рии—асимметрии проявляется и в том, что стремление организ­ма сохранить наследственные различия между левым и правым уравновешивается преимуществами, которые организм имеет благодаря симметричному расположению некоторых своих орга­нов (например, Наши конечности больше подчиняются симмет­рии, чем внутренние органы).

В заключение отметим, что в биологии понятие левого и пра­вого играет большую роль, чем в физике, поскольку физическая структура пространства не позволяет их отличить иначе, чем вы­бором отсчета, что произвольно. Как Вы думаете, почему мы здороваемся правой рукой?

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОС

Ы

1. Какие теории происхождения жизни на Земле Вы знаете? В чем их сущность?

2. Объясните основные положения гипотезы А.И. Опарина о происхожде­нии жизни.

3. Каковы отличия между авто- трофными и гетеротрофными орга­низмами?

4. Каков механизм воспроизведе­ния жизни на молекулярном уровне?

5. Может ли возникнуть жизнь в современных условиях в виде эукари- отных организмов?

6. Чем различаются анаэробные и аэробные формы жизни?

■ 7. Какова роль свободных радика­лов и автокаталитических процессах в химической эволюции?

8. В чем состоит сущность теории молекулярной самоорганизации?

9. Что представляют собой биохи­мические составляющие живого веще­ства?

10. Какова роль углерода в живой природе?

11. Из чего'состоят белки и нукле­иновые кислоты?

12. Какое значение имеет АТФ в энергетических процессах клетки?

13. Какими свойствами воды обус­ловлены ее функции в живом организме?

14. Что такое клетка и из чего она состоит?

15. Какие процессы могут проис­ходить в клетке?

16. Как проходит процесс фото­синтеза?

17. Какова роль томохиральности в образовании живого?

Приведите примеры симмет­рии и асимметрии в живой и неживой природе

.

ЛИТЕРАТУРА

4, 5, 8, 9, 12, 26, 48, 50, 57, 58, 62, 63, 65, 87, 89, 112, 114, 154, 155, 162, 168, 172, 175, 197, 201

.