Бэкмология – это практика всесторонней комплексной поддержки рационального поведения. В ее состав входят модели, свод знаний, сбалансированный инструментарий поддержки принятия и реализации решений и объединяющая их методология.

Бэкмология включает пособие «Создание решений для деловых проблем», которое описывает строгий, детализированный и очень человечный процесс решения неструктурированных деловых проблем, и пособие «Защита собственной психики» – полное руководство по приемам психологического воздействия (атака, давление, манипуляция, обман, блеф, зомбирование и др.) и техникам эффективной защиты от него. Также Бэкмология представлена методиками рациоконтроллинга и психоконтроллинга.


Те, у кого есть свой бизнес, могут начать знакомство с Бэкмологией с сессии «Улучшение продаж». Это честная профессиональная работа, ориентированная на результат.


пятница, 22 апреля 2011 г.

Живые системы. Часть 2


Проявления диссимметрии в живых системах


Основными элементами, из которых строятся живые вещества (представляющими примерно 96–99% их состава), являются С, Н, О, N. Менее распространены Са, Р, S, К, еще менее – 3–4 других элемента, на долю всех остальных приходится менее 0,01%. Некоторые из последних – например, Ag, Mo, Cr, Fe, встречающиеся в концентрациях порядка 10-6 или менее, – играют определенную роль как «микроэлементы» в жизненных процессах; однако эта роль далеко не первостепенна. Удается выделить довольно четко сравнительно немногие классы веществ, составляющих основную, конституциональную часть живых организмов, в первую очередь протоплазмы (ядра, цитоплазмы) живой клетки, и состоящих в основном из первых четырех элементов, названных выше, в разнообразных сочетаниях. Таковыми являются прежде всего белки и полипептиды, нуклеиновые кислоты, липиды, углеводы – в основном полисахариды. Общее количество сравнительно простых молекул, служащих первичными структурными элементами этих веществ, сравнительно невелико – порядка 30–40; то колоссальное многообразие веществ в клетке, которое известно, появляется на более высоких ступенях строения  – при образовании биополимеров и олигомеров.

Основными структурными элементами белков и полипептидов являются а-аминокислоты, точнее, их кислотные остатки, соединенные пептидными связями. Существует большое количество аминокислот, из которых в состав белков, при всем разнообразии последних, входят в разных комбинациях всего 20. К их числу относятся, например,
аланин (I) и серии (II) *):



Обозначения D и L указывают знак конфигурации молекул – соответственно правый и левый («правый и левый изомер»), выбор обозначения определяется в стереохимии особым соглашением. Знаки (+) и (—) указывают направление вращения плоскости поляризации; оно менее важно и менее информативно. Правый и левый изомеры именуют обычно «антиподами» (или «энантиомерами»).

Все эти аминокислоты хиральны и присутствуют во всех белках только в L-конфигурации.

Нуклеозиды (всего 8 видов) – основные структурные элементы нуклеиновых кислот РНК и ДНК – содержат только D-конфигурацию хирального сахара рибозы (III)



или 2-дезокси-О-рибозы. Другие важнейшие сахара, входящие в состав полисахаридов, – глюкоза, манноза и фруктоза – встречаются также только в D-конфигурации, а сахар рамноза – только в L. Этот список можно было бы значительно увеличить.

Таким образом, существует некоторый набор первичных веществ, играющих основную роль в организмах, являющихся основными строительными материалами и имеющих определенную конфигурацию, одинаковую для всех живых систем. То же можно сказать и о ряде более сложных веществ, например о представителях липидов – лецитинах и стероиде холестерине,— о важном пигменте хлорофилле, геме и т.д.

Диссимметрия основных веществ влечет за собой, вообще говоря, определенную диссимметрию в основных продуктах питания, предопределяя их конфигурацию. Так, дрожжи потребляют только естественные D-caxapa, оставляя «неестественные» (лучше сказать, небиологические или неприродные); в среде из одних последних они не растут. Существенно различаются и «транспортные свойства» антиподов – биологические мембраны пропускают один из них и задерживают другой.

Вещества, играющие в организме вторичную роль – несущие функции обменных, метаболиты, пищевые запасы, экскреты – уже менее строго подчинены правилу соблюдения знака и могут, в зависимости от условий, существовать в обеих конфигурациях или в виде их смеси — «рацемата». Таковы, например, терпены – липидные компоненты растительных клеток. В различных растениях встречаются в одних видах только D-лимонен, в других – только L-лимонен и, наконец, в третьих – смесь. Таковы же некоторые из сахаров – например, арабиноза; при этом у животных L-форма встречается реже, в растениях же – чаще, чем D-форма, однако для каждого вида характерен определенный знак. Многие из бактерий, потребляя только один из антиподов глюкозы (D(+)), выделяют как отход одни виды – левую молочную кислоту, другие – правую и третьи — смесь. При этом, находясь в организме, такие отходы остаются оптически чистыми, отделяясь же от него, быстро рацемизуются. Такого рода примеров можно привести весьма много.

Можно сказать, что утеря оптической чистоты при выходе из сферы основных жизненных процессов вообще характерна для второстепенных веществ; как будет видно далее, можно предполагать, что их оптическая чистота возникает или поддерживается под влиянием основных веществ или структур.

Здесь необходимы оговорки. В некоторых работах проводилось строгое деление на «первичные» вещества, обладающие «обязательной» асимметрией определенного знака, и «вторичные», для которых определенный знак (а изредка и диссимметрия вообще) необязателен. Однако в настоящее время неясно, в какой мере столь категоричное разделение обосновывается какими-либо независимыми соображениями.

Четкое деление затруднительно, с другой стороны, еще и потому, что в работах последних десятилетий обнаружено, что в ряде организмов – например, в некоторых бактериях, грибах – все же встречаются некоторые вещества обратного знака (например, D-аминокислоты и L-caxapa). Эти сведения пока отрывочны, спектр встречаемости неясен, однако в этих случаях всегда оказывалось, что биохимическая роль L-аминокислот и D-caхаров иная, чем «основных»; они являются второстепенными для построения и функционирования организма, часто представляют отходы, «вытеснены» в стенки клеток и т.п., тогда как протеины и нуклеиновые кислоты протоплазмы этих организмов состоят из L-аминокислот и D-сахаров.

Отмечалось, что вещества «небиологического» знака часто встречаются в антибиотиках, в частности D-аминокислоты и сахара «неприродных» знаков разрушающе действуют на бактерии; они получаются иными путями синтеза, чем природные.

Не вдаваясь в детали биохимической стороны вопроса, можно высказать следующие, не вызывающие сомнений, основные выводы, касающиеся исходных молекул:

а) в живых системах в качестве исходных первичных предпочитаются хиральные молекулы;
б) жизненно важные вещества, особенно относящиеся к основной конституциональной части, существуют |в организмах в виде оптически чистых изомерных форм, т.е. в виде одного из антиподов;
в) у наиболее важных веществ предпочитается один, определенный для каждого вещества, знак конфигурации во всей биосфере.

Диссимметрия обнаруживается и в конформациях биополимеров – «конструкций», составленных из простейших хиральных молекул, т.е. в следующих звеньях иерархии биологических структур:
аминокислоты —> полипептиды —> белки,
простые сахара —> полисахариды,
мононуклеозиды —> нуклеотиды —> нуклеиновые кислоты.

Термин «конформация» здесь обозначает для цепочки полимерной молекулы данного химического состава и структуры ее форму – вытянутая нить, прямая и изогнутая спираль, клубок и т. п.


ДНК представляет собой двойную цепочку, скрученную в спираль. Каждая нить состоит из «кирпичиков» – из последовательно соединенных нуклеотидов. Каждый нуклеотид ДНК содержит одно из четырех азотистых оснований - гуанин (G), аденин (A) (пурины), тимин (T) и цитозин (C) (пиримидины), связанное с дезоксирибозой, к последней, в свою очередь, присоединена фосфатная группа. Между собой соседние нуклеотиды соединены в цепи фосфодиэфирной связью, образованной 3'-гидроксильной (3'-ОН) и 5'-фосфатной группами (5'-РО3). Это свойство обуславливает наличие полярности в ДНК, т.е. противоположной направленности, а именно 5'- и 3'-концов: 5'-концу одной нити соответствует 3'-конец второй нити. Последовательность нуклеотидов позволяет «кодировать» информацию о различных типах РНК, наиболее важными из которых являются информационные, или матричные (мРНК), рибосомальные (рРНК) и транспортные (тРНК). Все эти типы РНК синтезируются на матрице ДНК за счет копирования последовательности ДНК в последовательность РНК, синтезируемой в процессе транскрипции и принимают участие в важнейшем процессе жизни – передачи и копирования информации (трансляции).

 Вторичная структура ДНК

Известно, что преобладающим типом конформации белков являются правые a-спирали (например, миозин, актин, кератин); реже встречающиеся (b-формы – складчатые слои – также хиральны с определенным знаком. Различные виды полисахарида – целлюлозы – в деревьях представляют левые спиралевидные формации так же, как амидоза и агароза. Цепи нуклеиновых кислот представляют правые спирали из L-нуклеотидов; мотив спирали, как известно, отражен во вторичной структуре РНК и ДНК. Левые спирали полипептидов (состоящих из L-аминокислот), если и образуются, оказываются значительно менее прочными, чем правые. Можно, видимо, утверждать, что хиральные конформации вообще характерны для биополимеров живых организмов, причем с определенным знаком у каждого.

Описанная диссимметрия просматривается и в следующих высших ступенях иерархии биологических структур, хотя и несколько менее однозначно – происходит некоторое «рассеяние». Хорошо известно, что в природе весьма распространена диссимметрия морфологическая, начиная со спиралеобразной структуры колоний бактерий, винтовых сосудов растений, спирально закрученных раковин и т.п. Так, одноклеточные инфузории Spirochona patella всегда морфологически левые, близкий вид S. pusilla – правые, вид S. simplex и правые, и левые. Диатомовые водоросли также имеют виды строго одного знака и виды правые и левые.

Перечень подобных фактов весьма обширен и простирается вплоть до диссимметрии человеческого тела.

Однако из анализа экспериментальных данных следует, что связь со знаками основных веществ здесь далеко не прямая и, видимо, неоднозначная.

Сказанное можно проиллюстрировать рядом примеров. В биологических объектах представлен весь спектр встречаемости морфологических антиподов – от 1 : 1 до почти исключительного перевеса одного знака; число «морфологически рацемичных» видов, однако, намного меньше числа видов определенного знака диссимметрии. Так, у большинства видов растения люцерны бобы закручены только по левой спирали, у двух видов – только по правой, и лишь у двух видов имеются и левые, и правые бобы. В ряде случаев сам признак диссимметричности усложнен: так, на одном дереве сосны встречаются и правые, и левые шишки, хотя примерно 70% левых. У вьюнков стебли закручиваются только вправо, тогда как листья на стебле располагаются как по правым, так и по левым спиралям.

Спектр наследования также весьма широк – от полного отсутствия наследственности в знаке морфологической структуры до строгого наследования как родового признака. Водяное растение ряска имеет всегда один знак формы корня – правый, листья же у разных особей бывают и правые, и левые. Растение размножается как половым путем (семенами), так и вегетативным (отростками). При этом первый способ не влечет за собой наследования знака, второй же – обязательно влечет. Таким образом, здесь диссимметрия возникает и закрепляется где-то в промежуточной стадии развития, а не заложена в клетках семени. У ряда моллюсков правая и левая закрутка раковин наследственна.

При строгом наследовании редкие особи инверсной структуры являются мутантами, обладают отличающимися биологическими свойствами и, что важно, – часто меньшей жизнеспособностью. Так, типичная (96%) – правая – форма улитки Fruticicola lantzi более жизнеспособна, чем инверсная левая 4%); правые корненожки Globorotalia truncatulinoides устойчивы к холоду, левые – теплолюбивы; L-свекла сахаристее, чем D-экземпляры; L-картофель лучше прорастает. Известны и факты инверсной регенерации организмов.

Однако показано, что структура конституционально важных веществ, рассмотренных выше, и система основного обмена у всех особей имеют одинаковый знак: индивидуумы правой и левой морфологической структуры потребляют пищу одного знака и т.д. Таким образом, инверсия знака морфологической диссимметрии обусловлена не инверсией основы, а различиями в каких-то вторичных или третичных факторах, сказывающихся на промежуточных ступенях иерархии структур, т.е. в каких-то промежуточных звеньях долгого и во многом еще недостаточно ясного пути передачи информации о структуре первичных веществ в систему, непосредственно управляющую морфологией. Поэтому естественно, что на указанном пути могут происходить как закономерные изменения знаков (как при переходе от L-аминокислот к правым a-спиралям белков), так и известный статистический разброс их. В настоящее время в некоторых случаях удалось доказать наличие связи генетического кода с морфологической хиральностью (при сохранении знака первичных простейших молекул). Однако есть случаи, когда доказано, что генетические характеристики морфологически правых и левых организмов одинаковы.

Кажется возможным предположить, что в последнем случае связь генетического кода и «право-левой» морфологии столь слаба, что воздействие случайных флуктуации и (или) внешних факторов может эту связь нарушить. В общем, анализируя сумму фактов, известных для живых организмов от простейших до высших, следует сказать, что точных статистических данных на достаточно представительном массиве объектов имеется недостаточно, однако неравенство количества или неэквивалентность, или неодинаковость, свойств правых и левых форм, несомненно, существует. Несомненно и наличие морфологической хиральности.

Диссимметрия прослеживается во всех живых системах от бактерий до высших организмов и человека и в самых разнообразных жизненных функциях и отправлениях, вплоть до сферы психики. Высказывались предварительные догадки, что «ненужные» изомеры стимулируют злокачественные опухоли. Отметим, что высшие организмы более чувствительны к изменению знака, чем бактерии.

В литературе появлялись сообщения, что появление в протеинах хрусталика глаза «неверного» знака ((вследствие рацемизации) – источник катаракты.  В медицине известны также эффекты «правых и левых»  близнецов.

Диссимметрия организмов прослеживается не только в морфологических формах, но и в асимметрии движений, начиная с колоний ряда бактерий, движущихся по правым или левым кругам в зависимости от вида. Известны и различия в функционировании конечностей, различия в функциях правого и левого полушарий человеческого мозга. Так, показано, что правая рука управляется левой половиной мозга, что эта же половина ответственна за лингвистические способности, правая же «ведает», например, музыкальными эмоциями. Известно также, что топография мозга у левшей несколько иная, и они имеют некоторые психологические отличия от правшей.

Эффекты диссимметрии распространяются вплоть до сферы психологии; укажем, например, что зрительное восприятие Мадонны Рафаэля существенно меняется при отражении ее в зеркале. Специфические свойства симметрии влияют, например, на зрительное восприятие храма Покрова на Нерли.

Не вникая глубже в детали биологической стороны вопроса, можно констатировать даже на основании приведенного беглого перечня отдельных примеров, что диссимметрия правого-левого характерна для всей биосферы, от первичных молекул до высших организмов. Эта диссимметрия является, несомненно, отражением каких-то весьма важных внутренних закономерностей.


Преимущества, даваемые живым системам хиральностью молекул


Основным «строительным материалом» живых систем являются только 4 элемента; всего же в состав этих систем входит не более 22 элементов. Известно также, что простейших молекул, «строительных кирпичей», из которых строятся все более сложные образования, насчитывается не более 30–40, причем они не выделяются какой-либо особой «химической индивидуальностью», по крайней мере на современном уровне знаний. Наиболее характерные химические реакции, протекающие в различных биологических системах и процессах, также не являются особенно необычными с точки зрения химика. Уже давно отмечалось, что с чисто химической точки зрения своеобразие живой материи заключается не в ее составе или особенности реакций, но в упорядоченности структур и упорядочении реакций.

Существенной отличительной чертой живых систем является строгий отбор совершенно определенных простейших молекул , строгие правила построения из них более сложных, строгая направленность процессов конструирования основных жизненно важных биополимеров. То же можно повторить и о наиболее важных для жизни химических реакциях. Общий план химического строения разных живых организмов обладает большим единством, так же, как и механизмы химических реакций в разных организмах. Однотипные структуры встречаются в разных компонентах живых организмов: таковы, например, сходные по химическому типу АТФ – «источник энергии», НАД – «переносчик водорода», нуклеотиды, звенья носителей информации РНК и ДНК- Даже количество типов связей между атомами весьма ограничено. Огромное разнообразие веществ живых организмов — например, десятки и сотни тысяч белковых полимеров, более 800 ферментов – возникает уже на довольно высоких ступенях иерархии структур как результат сочетания одних и тех же структурных элементов в различных комбинациях. Ничтожное изменение в первичных структурах влечет за собой значительные отличия в высших ступенях. Хорошо известно, далее, что самые малые изменения генетического кода, заложенного в мономер но-позиционной структуре ДНК и РНК, влекут за собой значительные изменения в биологии живого существа.

В этой ситуации исключительную роль в построении и воспроизведении живых систем играют процессы хранения, передачи и приема информации, минимальность этой информации, легкость узнавания и распознавания образов, упрощение кодирования – «простота сигнатуры», – облегчающие инструктирующее действие информационных молекул и обеспечивающие односторонность протекания химических реакций и однозначность их конечных результатов. Этим требованиям в наилучшей степени удовлетворяют хиральные молекулы как в качестве источника и хранителя информации и объекта узнавания, так и в качестве «строительного материала».

Иллюстрируем это примитивным примером. При образовании из симметричной молекулы фумаровой кислоты биологически важной аспарагиновой (амино)кислоты возможно и равновероятно образование двух антиподов.



Реагент здесь может подойти и произвести замену как с левой, так и с правой стороны молекулы субстрата, так что всего возможны четыре равновероятных варианта. В то же время в полностью асимметричной молекуле вида



очевидно, в общем случае будет только одно предпочительное направление подхода для реагента, одна наилучшая стерическая комбинация и одна возможность замещения. Простые соображения такого типа объясняют преимущества молекул низкой симметрии, не имеющих вырождения, однако еще не доказывают преимуществ именно хиральных молекул. Дело в том, что среди молекул низкой симметрии имеется много ахиральных (неэнантиоморфных) и, с другой стороны, существуют хиральные молекулы сравнительно высокой симметрии.

В пользу выбора именно хиральных молекул говорят следующие соображения. Поскольку между хиральными молекулами действуют дискриминационные силы, они более однозначно, чем другие, ведут себя при подходе и сближении, при возникновении стерических и обменных взаимодействий, короткодействующих сил и химических связей. Можно сказать, что создается определенный «хиральный (следовательно, двоичный) код», количество информации в котором, как легко подсчитать, сравнимо с «обычным» генетическим кодом мономерных последовательностей. Поскольку D — L-барьер часто высок, надежность хранения информации велика (с другой стороны, есть рычаги перестройки «хирального кода» химическими и физическими средствами.

Таким образом, существование дискриминационных взаимодействий, различающих правое и левое, создает своего рода информационный язык, общий для всех без исключения хиральных молекул (любой, даже высокой симметрии) и образуемых ими структур, могущий служить для передачи информации между самыми простыми и самыми сложными молекулами.

Сказанное применимо к механизму узнавания (в биофизическом смысле слова) – нехимическим межмолекулярным взаимодействиям, ибо все дальнодействующие силы имеют некоторые дискриминационные компоненты, а также к процессу подхода, предшествующему химическим реакциям. Определяется и направление транспорта — диффузия и конвекция D- и L-изомеров в анизотропных и хиральных средах происходят с разной скоростью.

В еще большей мере это применимо к механизмам химических реакций, ибо на очень близких расстояниях дискриминационные компоненты значительно больше, в особенности при ассоциации.

В объектах неживой природы, как правило, устанавливается термодинамически равновесное состояние с минимумом потенциальной энергии; например, при образовании молекулярных кристаллов существует тенденция к плотным и плотнейшим – наиболее энергетически выгодным – упаковкам. Для систем биологических, термодинамически открытых тенденции носят, видимо, иной характер – так, характернейшим элементом биологических (биополимерных) структур являются спиралеобразные образования, не являющиеся плотнейшей из возможных упаковок (в литературе успешно выяснены существенные преимущества такого рода структур). Оказывается, что в данной конформации возможно наибольшее количество водородных связей между звеньями и внутримолекулярных контактов, т.е. обусловливается наибольшая прочность: вероятна и устойчивость «пружинящих» спиралей при внешних воздействиях – изгибах и т.п. После образования спиралеобразных элементов полимеризация ускоряется, что является, конечно, жизненным преимуществом.

Хиральные – в частности, спиралеподобные – мотивы характерны, хотя и с рядом оговорок, не только для вторичных структур, но и, в некоторой мере, для структур третичных (имеющих решающее значение) для биологических функций). Можно с уверенностью сказать, что спиральные структуры – самый распространенный «архитектурный элемент», характерный для биологических молекул и живых структур.

Весьма важен вопрос о коллективных явлениях в хиральных молекулах и веществах. В общем виде связь хиральности с развитием коллективных эффектов не просматривается; однако наиболее важные биологически ральные, особенно спиралеобразные, структуры благоприятствуют, например, образованию экситонов – бестоковых коллективных возбуждений; известно, что они много сильнее в спиральной a-конформации, чем в b-конформации. Миграция энергии в хиральных молекулах исследована еще недостаточно, однако немногочисленные работы по изучению циркулярно поляризованной люминесценции, по-видимому, говорят, что миграция резко стереоспецифична. То же относится в ряде случаев к процессам переноса электрона. Развитие такого рода коллективных эффектов играет большую роль в кооперативном поведении биологических полимеров, ферментов и, вероятно, биологических макросистем; такое поведение важно для ряда процессов.

Спиралеобразная структура должна стимулировать возникновение коллективных возбуждений – солитонов, которые, как предполагают, имеют существенное значение для передачи биологических импульсов (нервных импульсов, сокращения мышц и т.п.). Наличие такого рода эффектов делало бы роль спиралеообразности структуры еще более важной.

Анализ свойств симметрии показывает, что из хиральных молекул, вообще говоря, строятся только хиральные кристаллы (или микрокристаллы); это в некоторой мере применимо, по-видимому, не только к кристаллическим образованиям, но и к полимерным. Хиральные (не обязательно именно спиралеобразные) конструкции оказываются стерически выгодными в этом случае. Таким образом, использование в качестве исходных хиральных молекул в общем гарантирует хиральность создающихся из них сложных цепочечных конструкций (и, в частности, создает склонность к частому образованию спиралеобразных структур). Таково, например, положение и в жидких кристаллах, где появление у молекул хиральности создает вместо линейных (нематических) спиралеобразные, в частности, холестерические структуры.

В то же время молекулы низкосимметричные, но имеющие плоскости симметрии, проявляют тенденцию к расположению парами или параллельными слоями. Именно поэтому в биосфере не проявляется, например, пространственная группа симметрии С52h, занимающая абсолютно доминирующее место 30–50%) в небиологических молекулярных кристаллах.

Можно лишь высказать малообоснованные предположения о том, какой из двух факторов является первичным: возникают ли спиральные структуры вследствие предпочтительного выбора именно хиральных молекул или же требование спиралеобразности структур заставляет отбирать хиральные строительные элементы. Однако сам факт явного предпочтения хиральных молекул и спиралеобразных структур сомнений не вызывает.

Можно высказать и еще одну догадку. Давно и хорошо известно, что в, биосфере широко распространен элемент симметрии — поворотная ось пятого порядка (лепестки цветов, морские звезды и многие другие объекты). Известно также, что этот элемент симметрии не может служить основой для построения кристаллов, и в связи с этим известный кристаллограф Н. Н. Белов высказывал предположение, что наличие оси пятого порядка играет роль некоторой «защиты» от кристаллизации. Возможно, что то же можно сказать и о спиралеобразных структурах. Естественно, что такого рода предположения пока серьезных доказательств не имеют.

Вопрос о физическом смысле и необходимости оптической чистоты в биосфере. Для наглядности воспользуемся примитивным примером, демонстрирующим роль оптической чистоты (хиральной чистоты). Если имеется двучленное звено образующегося из хиральных молекул полимера типа DD, то его взаимодействия с другими возможными звеньями – DD, DL, LL – будут различны; в то же время звено DL, очевидно, не будет различать звенья DD и LL, т.е. способность его к распознаванию меньше, так же как и способность к передаче информации.

Помимо этого, хиральная чистота представляет и другие преимущества, а именно:

1. Большая прочность конструкции полимеров – как уже говорилось выше, факт большей прочности цепочек одного знака установлен экспериментально; внедрение D-аминокислотных звеньев понижает прочность цепи. В некоторых бактериях найдены полимеры с правильным чередованием знаков – DL DL... – но в более сложных организмах их уже нет. Если построение a-спиралей белков DL..., хотя и менее прочных, все же возможно, то b-конформации практически могут быть только хирально чистыми.

2. Хиральная чистота дает большую быстроту реакций – действительно, если рацемическое вещество D1 + L1 реагирует с рацемическим же веществом D2+L2, то будут протекать две реакции — скажем, D1+D2 и L1+L2, вследствие чего по закону действующих масс скорости упадут в 4 раза по сравнению с реакцией двух чистых антиподов. В хирально чистых ферментативных реакциях скорость может возрастать в 20 раз и более по сравнению с рацемическими.

Эти соображения относятся и к скорости роста полимерных цепей (кстати, a-спиральные структуры образуются много быстрее, чем b-структуры, и к скорости репродукции белками себе подобных, и к скорости потребления пищи, что представляет жизненное преимущество.

3. Оптическая чистота для случая полимерных образований типа, например, РНК (т.е. факт построения ее из звеньев одинакового знака) должна способствовать устойчивости их относительно таких «разрушающих» реакций, как, например, гидролиз, часто встречающийся в природных условиях.

Все эти факторы, как можно полагать, обеспечивают и большую фиксированность всех процессов внутренней среды, ее постоянство – гомеостаз (т. е. устойчивость к внешним воздействиям), – и интенсификацию их (в частности, более быстрый ответ на внешнее воздействие), и более интенсивный обмен с окружающей средой.

Эти свойства, видимо, придают хиральным молекулам и оптически чистым веществам определенную «селективную ценность») и делают их наиболее способствующими зарождению элементов самоорганизации, т.е. организмы, состоящие из таких веществ, обладают преимуществом в естественном отборе. Здесь уместно привести, применительно к данному специальному вопросу, одно из общих положений Эйгена: «Из вырожденных (в нашем случае рацемических.) носителей информации не может произойти никакого отбора информации».

Как уже говорилось, термодинамически равновесным является только рацемическое состояние, обладающее наименьшей упорядоченностью и наибольшей энтропией). Из общих соображений ясно, что систему с большим упорядочением и кооперативным характером процессов должны удерживать вдали от равновесия какие-то факторы; это относится и к поддержанию оптической чистоты.


Пути установления и поддержания хиральности в живых системах


Выяснив роль хиральности для живых организмов, необходимо рассмотреть пути ее возникновения, установления и поддержания в жизненных процессах. Как известно, живые системы с точки зрения термодинамики являются «термодинамически открытыми» – через них проходит поток обмена, поддерживающий их стационарность и состоящий из потока энергии (в основном в виде тепла) и потока веществ, приходящих извне или возникающих в организме в результате химических реакций обмена (метаболизма) и других, выносимых из организма теми или иными способами. Таким образом, необходимо прежде всего проследить возможные пути синтеза хиральных молекул как in vitro, так и in vivo. Первый путь проходит обычно, вообще говоря, в квазиравновесных условиях. Известно, что хиральные соединения могут быть получены из более простых симметричных исходных молекул (напомним, что молекулы с числом атомов, меньшим четырех, заведомо ахиральны) в огромном количестве разнообразных химических реакций. Образование в таких реакциях D- и L-хиральных молекул из симметричных равновероятно и результатом реакций в обычных ситуациях будет рацемат.

Вследствие этого для синтеза активных, т.е. нерацемических веществ из неактивного продукта с симметричными молекулами необходимо действие какого-либо диссимметричного агента). Процесс может быть двояким: 1) синтез в присутствии диссимметричного агента – асимметрический синтез; подобным агентом может быть вспомогательный хиральный реактив, хиральный катализатор, хиральный растворитель или адсорбент, эпитаксия на оптически активном кристалле, циркулярно поляризованный свет, соединение включения в оптически активном веществе и любой иной фактор, дающий предпочтение одному из антиподов в силу дискриминационных взаимодействий; 2) полученный в реакции рацемат в дальнейшем расщепляется каким-либо диссимметричным воздействием – «асимметрическая деструкция».

Анализ химической кинетики подобных процессов показывает, что прямой асимметрический синтез всегда дает большую быстроту получения и большую оптическую чистоту нужного антипода, чем синтез рацемата с последующим расщеплением последнего.

В живых системах речь идет не только (а может быть, и не столько) о простом предпочтении хиральной чистоты, но о наличии в живых организмах целой системы веществ и процессов как обеспечивающих получение извне отобранных хирально чистых веществ или создание их в организме путем непрерывного обмена (метаболизма), перемещения, специальных реакций и т.п., так и поддерживающих хиральную чистоту в процессе жизни.

Самый факт выработки такой системы указывает на важность для живых организмов оптической чистоты и является, очевидно, результатом длительных процессов, направленных к ее созданию.

При «конструировании» биологических макромолекул, как известно, задается определенная последовательность звеньев мономеров – т.е. определенный код состава и расположения. Из сказанного о хиральности следует, что наряду с указанным кодом в биологических полимерах в живых системах создается дополнительный код антиподных право-левых форм. Как показывает элементарный подсчет, масштаб информационной емкости этого хирального кода имеет тот же порядок величины, что и код состава и расположения. Действительно, если считать, что в организме человека имеется примерно 3х1025 аминокислотных остатков, то для выбора заданной последовательности мономеров (состава и расположения) необходима информация порядка 1,3х1026 бит. Для того же количества аминокислот, имеющих по 1 хромофору (1 асимметричный атом углерода), хиральныи код этой совокупности содержит (на 1 молекулу 2 возможности – правая или левая) 3х1025 бит.

Надежность «распознавания образов» здесь не ниже, но, скорее, выше надежности структурно-позиционного кода; информационная емкость и надежность возрастают по мере роста хиральной чистоты.

Можно утверждать, что система «хирального кода» не является просто дублирующей или «подстраховывающей», но играет более существенную роль. Создание этого хирального кода является, видимо, равноправной составляющей всего процесса предбиологической эволюции и возникновения жизни в целом.

Может встать вопрос, возникли ли эти два кода параллельно в одном общем процессе или нет; в настоящее время на него трудно ответить. В плане чисто химическом хиральное узнавание существует уже у сравнительно простых мономеров. Однако пока трудно сказать, когда хиральныи отбор и хиральная чистота стали биологическим преимуществом. Можно лишь высказать недостаточно обоснованную догадку, что особо важной их роль стала после появления самоорганизующихся и самореплицирующихся систем.


Возможные причины возникновения диссимметрии живых систем. Статистические гипотезы


Подведем некоторые итоги. C чисто физической точки зрения имеются преимущества, даваемые живым системам наличием хиральности в соединении с оптической чистотой. Хиральность первичных молекул (аминокислот, сахаров, нуклеозидов) с определенным знаком, влечет за собой хиральность биополимеров с тем или иным, но опреопределенным знаком. Диссимметрия биополимеров, видимо, влечет за собой и диссиметрию живых систем; механизм связей на современном уровне не прослеживается, но возможность их существования, хотя бы в принципе, поддается пониманию. Однако пока остаются без ответа два важнейших вопроса, относящиеся к «первичным» структурам.

В настоящее время достаточно убедительно показано, что такие основные вещества, как, например, аминокислоты, могли синтезироваться в природных условиях из простейших молекул – НСНО, HCN, NH4, CHO2 и т.п. Видимо, из тех же молекул, а также из NH4CN, NH3, H2O и др., могут синтезироваться и основания РНК и ДНК, например аденин и гуанин. Однако все названные простейшие молекулы ахиральны, и поэтому в обычных – равновесных – условиях равновероятно образование обоих антиподов; весьма вероятна и рацемизация оптически чистого вещества, даже если оно и оказалось, в избытке. (Переход от чистого изомера («оптически чистого» или «хирально чистого» вещества) к смеси именуется «рацемизацией», смесь антиподов в равных количествах – (D+L)-рацемической смесью, в случае образования пар – ассоциатов – (DL)-рацемическим соединением.) Поэтому получение (и поддержание) оптической чистоты требует какого-то диссимметричного агента. Отсюда следует первый вопрос: каков был диссимметризующий агент при образовании первых биологически важных хиральных молекул, т.е. какой агент создал достаточно большой исходный перевес таких молекул одного знака?

Далее, все изложенные соображения, основанные на квантовой механике, термодинамике и теории электромагнитных взаимодействий, по существу своему предполагают равноправие знаков. Чем вызвано предпочтение одного из них, определенного, во всей биосфере? Этот второй вопрос можно поставить и так: на какой стадии развития наличие определенного знака стало жизненным преимуществом?

Очевидно, эти два вопроса – важнейшие аспекты проблемы физического механизма происхождения жизни.

Первая группа предположений связывает появление диссимметрии со случайными процессами — случайным выбором знака при возникновении живых систем.

Схему эволюции обычно представляют в следующем виде:

1. Эволюция молекулярная: образование простых молекул (NH3, Н2О, СН4, СН2О, СО2 и т.д.) – примерно 4,5–5 х 109 лет назад.

2. Эволюция химическая: образование сложных молекул (аминокислоты, углеводы, простые полимеры).

3. Эволюция протобиологическая: образование и усложнение протобиологических молекул (протеноиды, протеины, ферменты и т. д.).

4. Начало жизни: возникновение веществ со слабыми признаками жизни (пробионты), первых простейших живых систем (археобионты), сине-зеленые водоросли) – примерно 4–3,1 х109 лет назад.

5. Эволюция биологическая: дифференциация живых систем вплоть до человека.

Существующие в биологии многочисленные предположения можно сгруппировать следующим образом.

1. Нерацемичность возникла в процессе предбиологической эволюции на третьем этапе; в результате крупных флуктуации в молекулярной сфере, возникающих в процессе образования протобиологических молекул, произошло нарушение равновесия, повлекшее за собой преимущественное образование одного из хирально чистых полимеров. Возникавшие зародыши жизни – пробионты – были с самого начала хиральными и хирально чистыми одного знака.

2. Возникавшие простейшие организмы были хирально чистыми разных знаков. В результате флуктуации – уже в биосфере – организмы одного знака выиграли борьбу за существование.

3. Живые системы были первоначально рацемичными: вследствие внутрисистемных флуктуации и мутаций появились антиподные формы. Рацемическая жизнь оказалась, в силу сказанного выше, неконкурентоспособной, а вследствие последующих флуктуации одна из антиподных хирально чистых форм победила в процессе биологической эволюции и естественного отбора. Нерацемичность утвердилась, следовательно, где-то в начале пятого этапа.

4. Нерацемичность возникла еще во время образования более или менее сложных – хиральных – молекул, на втором этапе эволюции под влиянием постоянно действующего внешнего фактора; уже первичный генетический материал предбиологического и протобиологического этапов имел один определенный знак или преимущественно один знак.

Возможны, конечно, в принципе и промежуточные варианты: можно предположить, что постоянно действующий фактор давал некоторое преимущество одному направлению флуктуации или популяциям одного знака. Таким образом, лри поисках физического механизма явлений следует искать или механизмы статистические, или механизмы,
предполагающие действие некоторого постоянно действующего внешнего диссимметричного фактора.

Рассмотрим первую возможность. Существуют возможности возникновения хиральности при синтезе сравнительно простых молекул и возможности возникновения необратимого перевеса одного из антиподов. Основным условием этого оказывалась термодинамическая неравновесность систем и, в первую очередь, наличие интенсивного обмена с окружающей средой. Только после достижения потоком обмена определенного критического значения может возникать необратимый переход в неравновесное, но стационарное состояние с перевесом одного из антиподов. Однако это условие не является единственным: необходима достаточно большая концентрация в системе рассматриваемых хиральных молекул Ск и некоторая критическая температура Тк, выше которой более стабильным оказывается рацемат). Кроме того, достигаемая степень упорядоченности (в рассматриваемом случае хиральная чистота) растет при повышении степени кооперативности системы. Последнее косвенно означает, что подобное разделение более вероятно в сложных системах.

Таким образом, рассматриваемые механизмы в равной и даже в большей степени могут быть применены к системам, простых олигомеров и полимеров и к протобиологическим, молекулам; возникший перевес одного из антиподов, вообще говоря, должен усугубляться при возникновении более сложных образований. Это согласуется с тем фактом, что хиральная чистота полимеров и биополимеров оказывается выше, чем исходного мономерного материала.

Уже на стадии полимеризации четырех важнейших классов веществ возникает примитивное представление о саморепродуцировании, под которым можно в обобщенном толковании условно понимать различные события – от индуцирования хиральности до репликации биополимеров.

Для пояснения молекулярного механизма рассмотрим пример, демонстрирующий на примитивной модели идею статистических процессов при образовании биополимеров. Пусть в некоторой среде должного молекулярного состава возникает «обрывок» молекулы РНК из 20 оснований; подобные размеры полимерных образований реальны – они встречаются и в неживой природе, оправдываются энергетическими оценками и были
получены экспериментально. Современные расчеты показывают возможность больших локальных упорядоченностей – до 1000 молекул во взвешенных каплях.
Если перебирать возможные, чисто случайные, варианты встраивания в нуклеозиды D- и L-молекул рибозы, то в одном из 106 таких обрывков можно ожидать наличия всех молекул рибозы одного, скажем, D-знака. Эго образование будет наиболее прочным (как структура из элементов одного знака); в нем будут поэтому же наиболее сильно развиты кооперативные эффекты; все это сделает его наиболее устойчивым относительно внешних условий ((например, разрушения при гидролизе), т.е. наиболее «выживающим» в условном применении этого термина. «Выжив», это образование может стать «кодовой матрицей» (так же условно) для последующих, более сложных образований (механизм этого, в конечном счете, сводится к дискриминационным взаимодействиям). Иначе говоря, «D-звено» обладало бы «селективной ценностью» в смысле Эйгена. Следует учесть, что, например, при .FDD> >FDL (что можно ожидать для рибозы) вероятность образования группировок DD, DDD можно ожидать большей, чем группировок LD, DLD, а вероятность присоединения к первоначальному звену, скажем, DLD, следующей молекулы D или L будет различной, т.е. возникающий зародыш полимера будет стимулировать определенный знак «продолжения». Поэтому ожидание «D-обрывка» или «L-обрывка» будет больше приведенного ранее.

Действием подобных механизмов создаются, следовательно, более стойкие и более селективно ценные хирально чистые полимерные образования; далее развиваются статистические процессы, анализ которых был проведен выше. Однако переход к современным биологическим системам требует дополнительно качественно новых факторов. Количество информации, заложенной в рассмотренном звене, – 20 бит, тогда как образование молекулы РНК требует 158–200 бит, гена или протеина – 2500 бит, вируса – 105 бит, малой бактерии – 9х106 бит.

Поэтому между рассматриваемой примитивной химической эволюцией и протобиологической эволюцией должно быть промежуточное звено – «предбиологическое» или «протодарвинское». Здесь высказывались различные предположения, например, о том, что первоначальный генетический код был более примитивным. Оставляя в стороне подробности, подчеркнем, что выбор знака в данных версиях должен быть произведен в самом начале химической эволюции. Мы приводим здесь схему развития, как ее дают сторонники флуктуационных версий на основе идей А. И. Опарина.

Таблица. Схема эволюции хиральиости согласно статистическим гипотезам
Малые молекулы
Элементы слабого нарушения симметрии в отдельных реакционных объемах
Макромолекулы
Селекция антиподных мономеров при построении полимерных структур
Зародыши жизни. Коацервация и развитие фазово-обособленных систем
Морфогенез диссимметрии
Эволюция к самовоспроизводящимся метаболическим системам и установление биохимического единства жизни
Окончательное нарушение симметрии в объеме биосферы
Дальнейшая эволюция живой материи
Совершенствование хиральной чистоты биомолекулярных систем

Считается, что асимметрия возникла не в процессе химической эволюции, но на предбиологичекой или даже на ранней биологической стадиях.

По-видимому, наиболее вероятно предположение, что. стереоселекция возникла при появлении «самореплицирующихся» молекул и особенно сильно проявлялась именно в процессе репликации.

Все статистические гипотезы, при всей их логической стройности, математической обоснованности и физико-химической убедительности обладают принципиальным и трудноустранимым недостатком. Они требуют предположения о зарождении жизни в одном определенном ареале – пусть большом, но имеющем достаточные внутренние коммуникации – и в- определенный отрезок времени. Существующие представления о возможных путях естественного синтеза делают это предположение маловероятным; высказывались определенные мнения о множественности актов зарождения жизни. Зарождение же жизни во множественных актах, в разных ареалах и в разные периоды, влечет за собой, в рамках этих гипотез, равновероятное выживание в несоприкасающих ареалах хирально чистых популяций того или другого знака. Борьба между этими популяциями может наступить после соприкосновения их (расширяющихся) ареалов, но для разных пар ареалов эта борьба может иметь опять-таки разный исход.

Имеются примеры спонтанной кристаллизации, дающей для ряда веществ идеальное разделение антиподов — выпадение отдельных хирально чистых кристаллов. Однако, даже в самых благоприятных ситуациях, при получении кристаллов большого объема, для нарушения равновесия антиподов в географически значительных ареалах необходим все же дополнительный агент, рассортировывающий правые и левые кристаллы пространственно, наподобие пинцета Пастера (впервые использовавшего этот метод разделения) или демона Максвелла.

Требуются дополнительные предположения о большой роли воздушных и водных течений, ураганов, пыли и дождей и т.п. в быстром разносе зародышей или о необычайной быстроте размножения первой зародившейся популяции при чрезвычайной медленности зарождения последующих. Математические оценки говорят, что наличие течений или турбулентностей меняет ход процессов, рассмотренных здесь, но не конечный их результат.

Крайней точкой зрения является предположение – впервые высказанное, видимо, Иорданом – о –возникновении диссимметричной жизни в каком-то особом, глобального или даже космического масштаба, событии. Дальнейшего развития это предложение не получило. Сконструировать какую-либо физически детализированную модель такого события нелегко; подобные попытки и не предпринимались.

И в этой области выдвигались версии инопланетных пришельцев; однако это лишь перенос проблемы на другие планеты. На образцах лунного грунта, доставленных «Аполлонами», органических веществ обнаружено не было; на некоторых метеоритах были обнаружены следы аминокислот – в общем похожих на те, которые были
установлены в пробионтах и археобионтах. Это, вероятно, указывает на сходство событий их создания и, косвенно, на множественность таких событий. Хотя результаты несколько противоречивы, ни в одном случае не было найдено заметной нерацемичности. Таков же вывод при анализе данных о Марсе и о кометах. В древних породах Земли следы нерацемичности остатков живых организмов найдены.


Гипотезы постоянно действующего внешнего фактора


В биофизической литературе имеется огромное разнообразие предположений о возможных постоянно действующих на живые организмы внешних факторах. Их можно сгруппировать следующим образом.

1. Каталитическое влияние гиротропных – оптически активных – минералов. Речь идет о совокупном влиянии двух факторов: стереоселективной адсорбции и каталитического влияния. Здесь имеется в виду в первую очередь кварц – довольно распространенный в природе и образующий кристаллы антиподов размером до десятков килограмм. В экспериментальной стереохимии давно и хорошо известно, что кварц в лабораторных условиях действительно служит стереоселективным катализатором, и в контакте с его кристаллами определенного знака получался преимущественный выход одного из антиподов. Назывался и ряд других минералов и горных пород. Однако для обсуждения этого фактора необходимы сведения – хотя бы статистические – о некотором избытке минералов с одним знаком кристаллов. Этот вопрос в некоторой мере исследовался лишь для кварца, для других минералов сведений нет. После ряда противоречивых работ сообщалось о получении на довольно большом 16 600 кристаллов из 9 месторождений Земли) материале незначительного перевеса левых кристаллов над правыми – 50,5% против 49,5%. Если даже – несколько преждевременно – считать, что эти сведения для кварца отражают действительно существующие закономерности – это, с одной стороны, включило бы в рассмотрение вопроса и неорганическую сферу, но не решило бы проблемы в целом. С другой стороны, это отодвинуло бы возникновение диссимметрии на первый из названных этапов эволюции. Очевидно, что наличие диссимметрии для кварца следовало бы рассматривать не как причину, но как следствие того же фактора, который имеется для биосферы, и как косвенный аргумент в пользу гипотез постоянно действующего фактора. Однако ввиду принципиальной важности проблемы необходима тщательная проверка имеющихся сведений, до перехода к каким-либо заключениям.

Выдвигалось и предположение о возможности влияния контактов с естественными магнитными породами – например, с магнетитом (ферримагнетиком), который мог, например, при застывании лавовых потоков определенным, образом намагничиваться в земном магнитном поле. Эта возможность в должной мере не проанализирована (в частности, влияния одного магнитного поля недостаточно); не выяснена и возможность преимущества одного знака. Экспериментальных данных здесь нет.

2. Циркулярная поляризация света, достигающего поверхности Земли. Поскольку хиральные молекулы обладают циркулярным дихроизмом, такой свет, будучи поглощен этими молекулами, может вызывать фотохимический асимметричный синтез или асимметрическую деструкцию рацемата. Известно большое количество реакций такого рода в лабораторных условиях с искусственным получением циркулярной поляризации применяемого света, максимальный достигнутый выход – порядка 20%.

В литературе неоднократно высказывались утверждения об избытке в дневном свете правоциркулярно поляризованной компоненты. Однако современные немногочисленные экспериментальные данные это не подтверждают; доля эллиптической поляризации в дневном свэте оказалась весьма малой, причем избыток определенного знака не установлен. Современные сведения о рассеянии в атмосфере также не говорят о сколько-нибудь значительной циркулярной поляризации.

Круговая поляризация может возникать при отражении света от поглощающих поверхностей (рудное тело, ионосфера), в особенности при наклонном падении, при полном внутреннем отражении в морской воде в бухтах и т.п. Однако экспериментальных наблюдений такого рода мало, и наличие одного определенного знака поляризации в различных условиях весьма сомнительно – он должен зависеть от положения солнца.

В свете, рассеянном под поверхностью моря, наблюдалась значительная доля циркулярной поляризации ((параметр Стокса S4 до 20–25% с устойчивым отрицательным знаком) – однако ее следует приписать взвесям, содержащим хиральные частицы – т.е. эта поляризация является ¦следствием, а не причиной хиральности веществ и микроорганизмов.

Значительная эллиптическая поляризация отмечена при рассеянии света на аэрозолях с отступлением от симметрии знаков в реальных условиях рассеяния. В связи с этим следует отметить, что предполагаемые первичные зародыши жизни («коацерваты» по Опарину) и «микросферы» Фокса имели форму сферических капель, взвешенных в море. Высказано предположение о значительной роли фотосинтеза на поверхности сферических капель тумана в первичной атмосфере. Рассеяние света такими каплями может дать заметную циркулярную поляризацию. Эти возможности заслуживают дальнейшего анализа, в особенности для гидросферы.

В связи с обнаружением в космосе и космических облаках довольно сложных молекул, (например, HC=С–С=С–С=C–CN), которые длительное время подвергаются интенсивному коротковолновому облучению, возникал вопрос о возможности стереоселективных процессов. Однако и здесь нет сведений о наличии циркулярной поляризации; для облаков Crab Nebula получено не более 0,3% круговой поляризации, на некоторых звездах ~0,01%.

Были сообщения о незначительности доли такой поляризации в излучении планет, однако они неполны и ненадежны.

Круговая поляризация может, в принципе, возникать вследствие эффектов Фарадея и Зеемана, созданных магнитным полем Земли. Знак эффекта не меняется при прохождении «туда – обратно», т.е. возможно накопление. Однако магнитное поле Земли слабо, а в газах эффект мал; может быть, возможен несколько больший эффект в морской воде. Мы здесь совершенно не рассматривали роль биомагнитных полей – они, вероятно, слишком слабы. В общем виде рассматривались возможности, связанные с фотохимическими реакциями в асимметричных постоянных полях в космосе; здесь необходим точный анализ.

На основании всего изложенного можно сказать, что предположения о роли круговой поляризации непротиворечивы, но нуждаются в расширении и ревизии геофизических и космофизических сведений о наличии заметной кулярно поляризованной компоненты в дневном свете или в космическом излучении фотохимического диапазона, которых пока совершенно недостаточно.

Поскольку общая мощность фотосинтеза на Земле, по грубым оценкам, порядка 1014 Вт, данный фактор мог бы быть весомым; однако следует учесть и возможность рацемизации заведомо большой неполяризованной компонентой.

3. Воздействие постоянных внешних полей на ход химических реакций (и, в некоторой мере, на строение молекул). Уже указывалось, что для создания хиральности необходим некоторый физический агент, описываемый псевдотензорной – в простейшем случае псевдоскалярной – величиной: в частности, необходимо не менее двух несимметрично расположенных полей. Однако если речь идет о воздействии полей на химические реакции, проходящие в условиях, близких к равновесным, и о разделении антиподов, ситуация оказывается более сложной.

Анализ топологии полей и соображений симметрии (относительно инверсии и обращения времени) показывают, что два поля в равновесных условиях создать разделение антиподов не могут. В неравновесных системах асимметричный ход реакции, в принципе, оказывается возможным, иначе говоря, видимо, можно указать некоторую топологию полей и (неравновесные) состояния систем, когда влияние полей может создать асимметрию реакций. В этом круге вопросов остаются некоторые теоретические неясности и продолжаются дискуссии до настоящего времени.

Рассматривались и исследовались следующие комбинации полей.

а) Электрические и магнитные стационарные лабораторные поля (геомагнитные и геоэлектрические поля, по-видимому, слишком слабы, чтобы играть заметную роль, хотя возможности этого все же обсуждались). Экспериментальные данные здесь весьма немногочисленны и противоречивы, не исключена и возможность артефактов.

Имеются расчеты сдвига уровней хиральных молекул в постоянном магнитном поле (не связанном – аддитивном – с эффектом Фарадея). Сдвиг для данной молекулы одинаков для поглощения право- и левополяризованных фотонов, но имеет разный знак у энантиомеров, и между ними создается некоторое различие. Сдвиг меньше, чем в эффекте Фарадея, но, по предварительным оценкам, наблюдаем. В земных условиях он будет мал, но в космических мощных полях будет ощутимым. Такого рода фактор мог бы привести к обсуждаемому неравноправию знаков; эта возможность заслуживает дальнейшего анализа.

б) В последнее время интенсивно дискутируются варианты совокупного действия механических полей – гравитационного поля, центробежной силы и силы Кориолиса, морских и воздушных течений, вихрей и циклонов, прибоев, ударных волн от метеоритов и грозовых разрядов и т.д. – и возможное сопряжение их с магнитными или электрическими полями.

Так, например, указывается, что комбинация гравитационного поля и центробежной силы вращения ((произведение полярного вектора тяготения и аксиального вектора угловой скорости) дает псевдоскаляр. Можно указать и более сложные комбинации (например, комбинация трех полярных векторов А х[ВС] – также псевдоскаляр).

В связи с этими соображениями следует указать и на так называемые солитоны Россби во вращающейся мелкой жидкой среде. Оказалось, что существует значительная асимметрия циклонов и антициклонов; в последних амплитуды и размеры значительно больше (влияние сил Кориолиса). При этом показано, что антициклоны (которые и являются солитонами) устойчивы, циклонные же вихри неустойчивы.

Сведения о «твист-эффекте» говорят о принципиальной возможности получения некоторой ральной матрицы, например в смерче или циклоне. Отметим также, что в потоке жидкости всегда наблюдается ориентация молекул, особенно крупных, и полимеров, а в ориентированных системах индуцирование проявляется сильнее.

В хиральном механическом поле существенную роль может играть «эффект пропеллера». Он состоит в том, что при вращении в вязкой среде тела хиральной формы возникает действующая на тело поступательная сила (и наоборот, при движении тело приходит во вращение). Даже при беспорядочной ориентации усредненная по ориентациям скорость поступательного движения не равна нулю. Можно ожидать, что эффект имеет место и для молекул, в особенности многоатомных, и полимеров; при достаточной их массе и размерах он, вероятно, может возникать и при вращении среды как целого в связи с действием гравитационного поля и сил Кориолиса и пространственно разделять антиподы. Необходим общий теоретический анализ роли диффузии и конвекции в системах хиральных частиц.

Появлялись сообщения о попытках получения стереоселективных реакций, разделении ассоциатов и стереоселективной полимеризации при центрифугировании в поле земного тяготения, так как ход химической реакции должен зависеть от скорости компонент. Эффекты, если они и есть, крайне слабы, и экспериментальные результаты пока не могут считаться достаточно надежными. Весьма вероятно, что положительные результаты могут быть приписаны именно «эффекту пропеллера». Следует особо подчеркнуть, что ко всем механическим воздействиям в равной мере относится все сказанное выше: асимметричные реакции могут происходить только в неравновесных условиях, и экспериментальные ситуации должны быть подвергнуты анализу в этом отношении.

4. Поля грозовых разрядов. Эти разряды создают огромные напряжения, токи в десятки тысяч ампер и мощные магнитные поля; в древние геологические эпохи они были еще сильнее. При этом известно, что существует преимущественное направление токов – на Землю чаще попадает отрицательный заряд. Доля этих разрядов в общем энергетическом балансе Земли сравнительно невелика, но локальное выделение энергии огромно. Даже в электрических разрядах в лабораторных условиях неоднократно синтезировались аминокислоты, новые и пиримидиновые основания. Высказывались мнения, что роль этих разрядов больше, чем роль фотохимического действия ультрафиолетового излучения Солнца. Следует учесть, что и сами грозовые разряды сопровождаются мощным излучением в фотохимически активной области спектра. Поля гроз быстропеременны, конфигурации их могут быть весьма сложными, и вполне возможны локальные ситуации, удовлетворяющие требованиям симметрии (в частности, возникновение циркулярной поляризации). Возможно и влияние токов в гидросфере.

5. Прочие факторы. Приводились общие соображения о- принципиальных возможностях стереоспецифических синтезов в космических облаках вследствие взаимодействия молекул с реликтовым излучением и магнитными полями; но роль столкновений мала. Показывалась и анализировалась роль столкновений: здесь есть свои дискриминационные компоненты. Появлялись сообщения, что при наличии у молекул магнитных переходов (что характерно для оптически активных молекул) чисто вращательные неупругие соударения имеют несколько разные сечения у правых и левых молекул. Далее, вращения хиральных молекул друг относительно друга, в принципе, должны быть в какой-то мере коррелированы, а взаимодействия колебаний и вращений в антиподах и рацемате различны ((полярный и аксиальные векторы). Здесь, видимо, необходим серьезный общий анализ.

В порядке поиска потенциальных возможностей высказывались даже мнения о влиянии спиралеобразного движения Земли относительно Галактики.


О роли слабых взаимодействий


Ряд исследователей высказывал предположения, связывающие предпочтение одного знака в биосфере с нарушением четности – симметрии правого и левого – в слабых взаимодействиях. Первоначально эти соображения возникли как умозрительная аналогия после открытия этого нарушения. Предположение о связи асимметрии в биосфере с несохранением четности в дальнейшем получило некоторые теоретические обоснования: выдвигалось три идеи.

1. Прямое возникновение диссимметрии вследствие взаимодействий электронов с нуклонами через нейтральные слабые токи и вследствие особенностей векторного потенциала ядер, связанных со слабыми взаимодействиями. Идея о том, что несохранение четности может быть связано с нейтральными слабыми токами, была высказана впервые Я. Б. Зельдовичем. Им же было показано, что указанные взаимодействия создают возмущения практически всех электромагнитных эффектов и взаимодействий; следствием этого должно быть появление некоторой неравноправности правого и левого в атомно-молекулярных системах и процессах.

Помимо нейтральных токов, вклад в рассматриваемые взаимодействия должны давать Р-нечетные силы взаимодействия между нуклонами в ядрах.

В частности, для атомных систем указанные взаимодействия смешивают состояния различной четности, благодаря чему появляются элементы хиральности, взаимодействия с право- и левополяризованными фотонами становятся несколько различными – возникает оптическая активность (например, в атомарных парах). Вращение здесь весьма невелико – порядка 10–7 радиана, т.е. находится на верхней границе чувствительности современных поляриметрических установок. Соответственно невелик и ожидаемый круговой дихроизм (2х10–3). То же должно иметь место и в молекулах с разными ядрами (нецентросимметричных), причем здесь эффекты могут быть больше благодаря близости уровней разной четности. В хиральных молекулах это должно привести к некоторой разнице в положении уровней правых и левых антиподов, что, в свою очередь, приведет к появлению некоторого физико-химического различия между ними. Таким образом, здесь внешний диссимметричный агент не нужен – он заложен внутри самой молекулы.

Для атомных систем, в соответствии со свойствами симметрии волновых функций, различие в энергиях – сдвиг «правых» и «левых» уровней имеет второй порядок по константе слабой связи Ферми G. Для энантиоморфных молекул эффект должен появляться в первом порядке по G. Различия в энергиях, по весьма грубой оценке, должны иметь порядок 10–15 эВ. Это различие должно проявляться также в различии межмолекулярных взаимодействий DD и LL.

Экспериментальная проверка рассмотренных предположений до сего времени проводилась только на атомарных парах некоторых тяжелых металлов (Bi, Pb, Tl, Cs), ибо эффект зависит от Z5; результаты первоначально были противоречивы. Однако в последнее время, по-видимому, эффект установлен и, в пределах точности эксперимента, согласуется с теорией.

Рассматривались возможности появления дискриминационной компоненты сил Ван дер Ваальса, обусловленной указанными влияниями слабых взаимодействий. Приведена оценка этой компоненты: оказалось, что даже при наличии в молекуле тяжелых атомов, для которых эффекты более заметны, она составляет примерно 10–11 часть от общей силы, что соответствует примерно максимум 5х10–14 эВ. Отметим еще, что, помимо создания дискриминационной компоненты, слабые взаимодействия могут препятствовать туннелированию (т.е. препятствовать рацемизации или вызвать появление небольшого перевеса одного из антиподов в рацемической смеси, состоящей из молекул с низким барьером между антиподами).

Каких-либо экспериментальных данных о наблюдении дискриминационных взаимодействий, связанных с рассмотренными факторами, пока нет. Теория Вайнберга – Салама в настоящее время, по-видимому, получила достаточное подтверждение, хотя численные значения приведенных выше оценок еще довольно приблизительны. Таким образом, речь идет, очевидно, о выяснении тех механизмов, которые могли бы внести влияние указанных атомарных явлений в биосферу. Напомним, что для молекулярных систем пока никаких экспериментов по обнаружению нарушений четности не было.

2. Возникновение диссимметрии вследствие воздействия на молекулярную структуру бомбардировки продольно поляризованным «левыми» b-частицами, испускаемыми радиоактивными элементами земной коры. Речь может идти а) о диссимметричном разложении или синтезе молекул при радиолизе и б) о диссимметричных полимеризации или кристаллизации под влиянием бомбардировки. В качестве предполагаемого источника указывался 40К, дающий электроны большой энергии 1300 кэВ).

Количество его в земной коре невелико (~2,5%), но вклад его в энергетический баланс Земли заметен, а в древние эпохи он был еще больше 4х,109 лет тому назад – в 9 раз). Возможно предположить и влияние распада 14С; энергии электронов здесь меньше (155кэВ), но этот атом зато является одним из основных компонентов живой материи, что весьма существенно (количество же 40К в биосфере ничтожно). Вклад b-распада прочих радиоактивных веществ, включая U и Th, относительно мал, так же, как и вклад космических лучей.

3. Воздействие, в основном фотохимическое, циркулярно поляризованного тормозного излучения, создаваемого теми же электронами в веществе. Отделить этот эффект от эффектов п. 2 не так легко.

Кроме того, если подсчитать долю частиц, потерявших энергию путем торможения – весьма малую, – затем учесть долю тормозного излучения, попадающую в фотохимически активный интервал частот, и, наконец, учесть обычно малую величину выхода большинства асимметричных фотореакций – этот путь оказывается маловероятным.

Из всех перечисленных возможностей кажется наиболее реальной возможность возникновения диссимметрии при бомбардировке «левыми» частицами, тем более, что теоретическая оценка более оптимистична, чем для других эффектов. Неудачи (точнее, отрицательный результат) многих опытов могли бы быть объяснены тем, что воздействие на разные молекулы и разные процессы должно быть по самому существу весьма различным и индивидуальным. Отметим, что в настоящее время эффекты с нарушением четности установлены в ряде процессов, в частности, в оптике медленных нейтронов; в принципе можно допустить и влияние подобных процессов.

Подводя итоги обсуждения возможной роли слабых взаимодействий, можно сказать следующее. Факт неравноправия правого и левого в слабых взаимодействиях в настоящее время сомнений не вызывает и имеет много экспериментальных подтверждений в ядерной физике (деление ядер), физике частиц высоких энергий и т.д. По-видимому, в настоящее время можно полагать, что эффекты неравноправия правого и левого имеют место и в атомарных системах. Если это так, то аналогичные эффекты должны иметь место и в системах молекулярных, по крайней мере в том же порядке величины.

В рассматриваемом аспекте основной вопрос заключается в том, что ввиду крайней малости эффектов необходимы какие-то весьма интенсивные и длительные процессы типа автокаталитических, кумулятивных, обогащения и накопления, возможный механизм которых пока неясен. В случае весьма медленно нарастающих и релаксирующих флуктуации слабое влияние постоянного фактора может сказаться при (медленном) прохождении системы через точку равновесия антиподов, давая направление дальнейшим процессам. По мере удаления от этой точки эффект внешнего фактора будет становиться все менее заметным и маловероятным и уже не сможет влиять на ход развития. В одной из работ школы Пригожина вопрос о бифуркации движения системы в точке равновесия рассмотрен применительно к анализу возможности влияния слабых взаимодействий при синтезе хиральных молекул, исходя из приведенных ранее оценок. Получен вывод, что в этой области вклад слабых взаимодействий может оказать направляющее действие, и, во всяком случае, сравним с вкладом других рассмотренных факторов.


Все сказанное о возможных причинах диссимметрии живых систем и входящих в них веществ можно подытожить следующими общими замечаниями.

Статистические гипотезы, при всей их стройности, имеют общее слабое место – необходимость предположения о возникновении жизни в одном ареале и в качестве единовременного события. Однако это предположение вызывает определенные сомнения, и обойти эту трудность можно лишь довольно искусственными добавочными предположениями.

Поэтому, придавая огромное значение термодинамике биологических систем и статистическим процессам в биосфере, видимо, все же уместно искать в какой-то стадии развития некоторый постоянно действующий фактор, дающий направление («толчок») дальнейшей эволюции системы в целом, и проводить далее с привлечением статистических соображений и учетом флуктуации системно-теоретический анализ этой эволюции, несомненно показавший себя плодотворным.

Гипотезы постоянно действующего фактора, естественно, снимают указанную трудность (хотя однозначное указание пути выбора этого фактора пока затруднительно). Однако здесь необходимо отметить следующее. Постоянно действующий фактор – различное воздействие некоторого физического агента на правые и левые хиральные объекты – должен, вообще говоря, оказывать влияние на все такие объекты – от простейших хиральных молекул до хиральных полимеров и кристаллов как в неорганическом мире, так и в области органических веществ, для биологии не существенных, и на живые системы.

Между тем проявления право-левой асимметрии наблюдаются – в том плане, как это рассматривалось, – лишь в биосфере (что, как известно, давало даже повод для некоторых виталистических высказываний и предположений о «биологических полях и силах», пока представляющихся мало правдоподобными).

В неорганической сфере диссимметрия не наблюдалась (за единственным исключением указания на статистику месторождений кварца, нуждающегося в серьезной проверке в природных и лабораторных условиях) в сколько-нибудь заметной мере.

Представляется, что, принимая гипотезу постоянно действующего фактора, необходимо в дополнение к ней уяснить до конца тот специфический механизм, который заставляет именно вещества и объекты биосферы быть особо чувствительными к действию этого фактора. Иначе говоря, в биосфере должны быть заложены специфические именно для нее механизмы усиления этого влияния.

Подобную специфику, как следует из всего изложенного выше, могут создавать три отличительные обстоятельства: 1) неравновесность биосистем («термодинамическая открытость»), позволяющая появление возможных неравновесных, но стационарных состояний, асимметричных по антиподному составу, 2) выбор одного из них благодаря слабому воздействию, к которому в некоторые моменты развития – вероятнее всего, в области бифуркаций – особенно чувствительна именно неравновесная система и 3) автокаталитические процессы, основанные на дискриминационных силах и индуцировании, проходящие в биосфере и специфические для нее (а может быть, и определяющие само понятие биосферы) – процессы самоорганизации, саморепродуцирования и редупликации.

Эти соображения, конечно, несколько умозрительны, в некоторой мере они являются лишь постановкой вопроса, однако без разработки их в будущем обойтись вряд ли возможно.

Мы видим, что вопрос о происхождении диссимметрии живой материи и живых систем далеко не решен и открывает широкое поле для исследований в самых разнообразных и, казалось бы, отдаленных друг от друга областях науки. Когда-то школа пифагорейцев учила, что «вселенная имеет правую и левую стороны». Мы видим, что этот вопрос, на иной идеологической и научной основе, продолжает занимать человеческий ум и в настоящее время.

Живые системы. Часть 1


Как это ни парадоксально, впечатляющие достижения молекулярной биологии привели к тому, что представления о факторах, способствующих возникновению жизни, стали еще более расплывчатыми. Конечно, сегодня можно утверждать, что жизнь зарождается в безжизненной органической среде, как только создаются необходимые условия. Это утверждение содержит в себе все, и в то же время ничего, поскольку неизвестно, какие именно условия являются необходимыми.

Какие же известные факты физики и химии могут помочь в поиске таких условий? Есть ли у живой материи некое особое свойство, которое осталось в наследство от самых ранних этапов эволюции, и которое могло бы послужить «точкой опоры» в построении научной картины зарождения жизни также, как «реликтовое излучение» служит в космологии критерием отбора стандартных моделей возникновения и эволюции Вселенной? К счастью, такое особое свойство есть — хиральная специфичность биологических структур и функций. Именно это свойство, называемое попросту хиральной чистотой или гомохиральностью, может быть положено в основу физического анализа проблемы возникновения жизни.


Хиральные соединения


В исследованиях хиральных соединений, которые характеризуются несовместимостью со своим зеркальным отражением (это и есть зеркальные изомеры) выяснилось постепенно, что живая природа построена именно на основе этого строительного материала. То есть только одна зеркальная форма используется ею как строительный материал.


Факт нарушения зеркальной симметрии, пожалуй, интересовал человека всегда гораздо больше, чем факт нарушения какой-либо другой симметрии. Обратимся к тому, в чем состоит феномен нарушенной зеркальной симметрии биоорганического мира. Мы знаем, что очень многие органические соединения, из которых построено живое, на самом деле являются соединениями хиральными, то есть соединениями, которые могут существовать в виде двух зеркально антиподных форм. Слово «хиральность» от греческого слова «хеир» – «рука», «ручность», как две руки, левая и правая. Но ведь отразить в зеркале можно все, что угодно. Особенность тут состоит в том, что отраженный предмет невозможно совместить с исходным. Если нельзя отраженный в зеркале предмет совместить с исходным, вот такой объект называется хиральным. Что значит «совместить» в данном случае? Это означает, как сказал лорд Кельвин, определяя хиральность, совместить путем непрерывного перемещения в пространстве до полного слияния.


Молекула называется хиральной, если ее пространственная конфигурация не инвариантна относительно зеркального отражения. Подавляющее большинство биоорганических соединений, в частности, аминокислоты, сахара и нуклеотиды — хиральны. Хиральная молекула имеет две зеркально антиподные пространственные конфигурации — левый (L) и правый (D) энантиомеры. С химической точки зрения L и D энантиомеры эквивалентны. Это обстоятельство имеет фундаментальную причину и обусловлено сохранением четности в электромагнитных взаимодействиях. Поэтому в химических процессах, протекающих в симметричных условиях, образуется равное количество L и D энантиомеров. В отличие от этого, в клетке синтезируется только одна энантиомерная форма органических соединений — либо L, либо D — в зависимости от соединения. Это характерное свойство биосинтеза обеспечивается высокой стереоселективностью ферментативного катализа. Например, при биосинтезе белков энантиомерная конфигурация аминокислот контролируется ферментами с точностью не ниже 10 в степени -4, а при репликации ДНК — не ниже 10 в степени -8.

Другое, тоже важное понятие — гомохиральность. В этом случае речь идет о последовательности L и D энантиомеров в полимерной цепи, собранной из хиральных звеньев. Если имеется цепь длиной в N звеньев, то существует 2 в степени N различных L и D последовательностей. Среди множества всех этих последовательностей имеется две последовательности, у которых все звенья имеют одну и ту же энантиомерную конфигурацию — это последовательность только из L звеньев и последовательность только из D звеньев. Такие последовательности называются гомохиральными. Главные биополимеры — ДНК, РНК и белки — являются гомохиральными полимерами. Белки состоят только из L-аминокислот, а РНК и ДНК только из D-нуклеотидов.


ДНК, РНК и белки-ферменты играют главную роль в самой впечатляющей и фундаментальной биологической функции — репликации клетки. Полимерные цепи, образующие двунитевую структуру ДНК, могут содержать миллионы нуклеотидных звеньев, похожие на них цепи РНК состоят из сотен и тысяч нуклеотидных звеньев и, наконец, цепи белков-ферментов состоят обычно из нескольких сотен аминокислотных звеньев. ДНК содержит всю информацию о том, из чего состоит клетка и что нужно делать, чтобы воспроизвести ее составляющие элементы, включая и саму ДНК, а все необходимые операции осуществляются ферментами. Роли ДНК и ферментов различны: ДНК — это информационные носители, а ферменты — это функциональные носители. Несколько особое место занимают РНК, которые осуществляют необходимые «посреднические» функции между ДНК и ферментами, а в некоторых случаях могут даже взять на себя выполнение обязанностей какой либо из этих двух сторон. Поэтому РНК могут проявлять себя как универсальные, в информационном и функциональном смысле, носители.

Однако с точки зрения хиральности, эти биополимеры обладают общим примечательным свойством — нуклеотидные звенья РНК и ДНК имеют только D-конфигурацию — включают исключительно D-рибозу и D-дезоксирибозу, а макромолекулы ферментов состоят только из L-энантиомеров аминокислот. Другими словами, ДНК, РНК и ферменты — гомохиральные полимеры. Это свойство главных биологических макромолекул не имеет исключений.

В отличие от сахаров в РНК и ДНК и аминокислот в белках-ферментах, другие хиральные компоненты клетки могут встречаться как в одной, так и в другой энантиомерной форме. В частности, в некоторых бактериях обнаружены даже L-сахара и D-аминокислоты — не в ДНК, РНК и ферментах конечно, а среди продуктов многочисленных биохимических превращений, происходящих в клетке. Поэтому биоорганический мир, если рассматривать его как целое, не вдаваясь в детали отдельных образующих его структур, не обнаруживает хиральной чистоты. Скорее напротив, каждый биологический вид имеет определенный «энантиомерный портрет», и в процессе репликации воспроизводятся не только конкретные органические соединения, но и их хиральные конфигурации. Это последнее свойство обусловлено тем, что ферменты, там где это необходимо, выполняют энантиоселективные функции — распознают энантиомеры хирального субстрата, как, например, в экспериментах Пастера по выращиванию бактерий на рацемических питательных средах, или осуществляют энантиомерный контроль хиральных органических соединений непосредственно в ходе их биосинтеза. Интересно отметить, что энантиомерный контроль осуществляется и на системном уровне: определенные группы ферментов выполняют «полицейские» функции, уничтожая «неприродные» энантиомеры, возникающие спонтанно, в процессе старения, либо под действием вредных экологических факторов, например, ионизирующего излучения.

В ходе биосинтеза таких ключевых макромолекул, как РНК, ДНК и белки-ферменты, энантиомерная конфигурация звеньев, включаемых в соответствующие полимерные цепи, контролируется очень точно (менее одной ошибки на миллиард звеньев). Однако, хотя биохимия клетки в целом подчинена тому, чтобы поставлять именно L-аминокислоты и D-нуклеотиды для строительства ключевых макромолекул, по мере удаления от «центра» метаболизма — механизма репликации информационных и функциональных носителей, к его «периферии» — своеобразной кухне по переработке поступающего извне разнообразного сырья, энантиомерная избирательность биохимических превращений падает. В результате биологическая активность органических соединений может зависеть не только от химической формулы соединения, но и от его изомерного состава. Фармакологи, например, прекрасно знают, что разные энантиомерные формы одного и того же лекарственного препарата могут привести к прямо противоположному результату при лечении.

Таким образом, можно выделить два важнейших аспекта хиральной специфичности биоорганического мира. Во-первых, структурный — это гомохиральность макромолекул, играющих ключевую роль в механизме биологической репликации. Звенья информационных и функциональных носителей имеют унифицированный для всего живого тип хиральности, а именно, РНК и ДНК содержат только D-нуклеотиды, а энзимы содержат только L-аминокислоты. Во-вторых, функциональный — это энантиоселективность функций, обеспечивающих репликацию гомохиральных цепей биологических макромолекул.

Итак, повторим, хиральная специфичность — неотъемлемое свойство живой природы, а воспроизведение и поддержание такой специфичности — одна из характернейших функций жизнедеятельности.

Но почему же все-таки мы считаем, что хиральная специфичность — древнейшее свойство и природа не могла обойтись без него уже на ранних этапах «конструирования» живого? Основа такой уверенности — эксперименты группы американских и голландских химиков по моделированию процессов образования «предков» ДНК и наш анализ процесса эволюции таких макромолекул, которые показали, что прежде, чем возникла основа жизни — самовоспроизводящиеся системы, должны были образоваться полимерные цепи, содержащие только один тип хиральных звеньев! Дело в том, что фрагмент полинуклеотидной цепи с «хиральным дефектом» — звеном с хиральной конфигурацией, отличающейся от конфигурации остальных звеньев в цепи, вообще не может воспроизводиться по правилу комплементарного соответствия звеньев исходной цепи и ее копии. Именно в этом принципиальное отличие хирального дефекта от генетической мутации, которая тоже нарушает комплементарное соответствие звеньев родительской ДНК и ее копии, однако при этом мутантная копия остается пригодной для построения точно таких же копий.

Но это еще не все. В отсутствие энантиоспецифических ферментов, способных точно распознавать хиральную конфигурацию звеньев в процессе сборки цепей, репликация (самовоспроизведение) гомохиральных полимеров может осуществляться только в хирально чистой среде. Как в детской игре в испорченный телефон, в рацемической среде рано или поздно будет утрачена любая, даже самая простая информация, записанная природой на полинуклеотидной цепочке.

Таким образом, для возникновения гомохиральных полимерных цепочек, способных самовоспроизводиться благодаря матричному копированию, требуются либо хиральная чистота того органического материала, из которого строятся такие цепи-матрицы, либо энантиоспецифические ферментативные функции, способные очень точно контролировать хиральную конфигурацию молекулярных фрагментов с тем, чтобы обеспечить сборку гомохиральных цепий независимо от энантиомерного состава окружающей среды. Вот почему хиральная специфичность биоорганического мира действительно древнейшее свойство — память о тех стадиях эволюции, которые, возможно, непосредственно предшествовали зарождению жизни.


Итак, мы знаем, что многие биоорганические соединения хиральны. Это первое. Второе. Мы видим и знаем, что из двух возможных зеркальных антиподов этих хиральных соединений в живой природе, в структуре клеток используется только один. Мы знаем, что на самом деле у нас нет единообразия в зеркальных изомерах каких-то веществ – в целом. Например, если мы возьмем какое-либо соединение в клетке одного организма, то в клетке другого организма, микроба, например, это соединение может быть в другой форме. Но оно обязательно будет в определенной форме.

Все аминокислоты, которые входят в состав функциональных белков, – это только левые аминокислоты. Таким образом, белок – это есть полимерная такая цепочка, сделанная только и только из левых аминокислот. По крайней мере, мы не обнаружили ни одного функционального белка, в котором была бы хотя бы одна правая аминокислота.

Полипептиды с правыми аминокислотами есть, например, нейропептиды и так далее, но это не функциональные белки. То есть организмы используют противоположную аминокислоту для строения, для разных функций. Но белки собраны только из левых аминокислот. Поразительным является еще тот факт, что РНК и ДНК собраны только из правых сахаров. При этом надо заметить, что левые аминокислоты и правые сахара – это не есть зеркальные антиподы.

Таким образом, получается, что, во-первых, у нас цепочки самых важных молекул в жизни – белков и аминокислот – собраны только из кирпичиков одного типа хиральности. Это называется свойством гомохиральности, гомохиральные полимеры. И, во-вторых, мы нигде не встречали каких-либо признаков жизни с противоположным строением. То есть, мы нигде не встречали белки, пусть гомохиральные, но собранные из правых аминокислот. Или РНК, или ДНК, тоже пусть гомохиральные, но собранные из левых сахаров.

Почему это должно поражать наше воображение? Потому что есть какие-то фундаментальные законы и фундаментальные представления, которыми мы пользуемся в обычной жизни. И эти представления говорят буквально о следующем. Что ответственным за все химические превращения является электромагнитное взаимодействие. А электромагнитное взаимодействие сохраняет зеркальную симметрию. При ограниченном, отдельном рассмотрении электромагнитного поля мы видим, что электрическое и магнитное поля симметричны: они являются причиной и следствием друг друга, взаимно переходят друг в друга и взаимно компенсируют друг друга. Именно поэтому зеркальные антиподы – левая и правая молекула – в химических реакциях проявляет себя одинаково. Спрашивается, каким же образом в мире, который управляется симметричными силами или симметричными взаимодействиями, могло возникнуть полное нарушение симметрии? Вот это и есть та загадка, над которой бьется уже, по крайней мере, 150 лет множество ученых.

Конечно, для того чтобы поговорить об этом, о том, каковы взгляды на эту проблему, мы должны перейти (если мы говорим об эволюционном аспекте этой проблемы) к некоему эволюционному сценарию. На самом деле, сейчас не так важно, каков конкретный сценарий. Мы понимаем, что как бы ни рассматривать эволюцию Вселенной или эволюцию на Земле, у нас, безусловно, возникает некий химический мир. А раз возникает химический мир, то он должен быть симметричным. Предположим, что у нас есть некий этап, на котором возник симметричный химический мир. Пусть далее в результате каких-то причин этот симметричный мир оказался асимметричным, то есть произошло нарушение симметрии. И возник какой-то асимметричный, но тоже химический мир. И пусть далее в этом уже асимметричном химическом мире каким-то образом (каким, пока мы не знаем) возникли сложные структуры, похожие на белки РНК и ДНК, и зародилась жизнь. Тогда, если мы представляем себе такую логику развития событий, мы должны задать, по крайней мере, два вопроса. Вопрос первый: а возможно ли нарушение зеркальной симметрии в ходе естественных природных процессов? И вопрос второй: а возможна ли сборка сложных структур, пусть даже в асимметричном хиральном мире? Вот эти два вопроса – с точки зрения хиральной упорядоченности и хиральной специфики живого материала – мы и рассмотрим.

Первый вопрос, понятно, – это вопрос о химии. Что такое хиральная чистота? Величайший из «охотников за микробами» Луи Пастер (L.Pasteur) в возрасте двадцати пяти лет открыл явление, значимость которого может оказаться выше всех его замечательных работ по микробиологии, — диссимметрию биоорганических соединений. Пастер интенсивно изучал форму оптически активных кристаллов, энантиамерно чистых веществ и рацематов, то есть эквивалентной смеси энантиамеров или антиподов, изучал свойства этих кристаллов. Одним из объектов была винная кислота – продукт, образующийся при сбраживании виноградного сока. Соль именно этой кислоты выпадает в чанах и бочках в процессе виноделия и носит название «тартар». «Тартарик айсид», то есть «винная кислота» происходит именно от этого слова. Решалась совершенно банальная проблема виноделия – как сделать бочки чистыми.

Великий шведский химик Шееле установил строение данного соединения – это хиральное соединение. Тогда имели лишь одну оптически активную форму. И случай способствовал тому, что на одной из маленьких винодельческих фабрик рабочий перегрел этот осадок и получил совершенно новое вещество, по составу тождественное той самой тартарной кислоте, но не обладающее характерной для нее оптической активностью. То есть это был уже рацемат («рацемус» – «виноград», отсюда «виноградная кислота»), эта рацемическая винная кислота состоит из равного количества левых и правых молекул.

И уже прямо перед Пастером немецкий кристаллограф Митчерлих сообщил о сенсационном открытии, о том, что он обнаружил абсолютное сходство кристаллов рацемической винной кислоты и оптически активной, природной. И их одинаковую плотность. Это сразу было обсуждено на заседании французской Академии наук, и Пастер буквально зажегся целью выяснить, в чем тут дело. Он исследовал снова эти кристаллы. И ему удалось обнаружить скошенную грань на кристаллах рацемической соли, натрий-аммониевой соли. И это зеркально противоположная скошенная грань наблюдалась и на других кристаллах.

И вот тут его осенила догадка – это смесь оптически активных кристаллов той самой природной винной кислоты и ее антипода, и их надо было просто разделить. И вот он разделил кристаллы с левым и правым скосом и получил, что знак оптической активности одних кристаллов – левый, других – правый. Вот так состоялось это открытие. Что оно означает? Оно означает принципиальную возможность спонтанного нарушения симметрии. То есть на уровне монокристаллов это возможно. Вот что доказал Пастер.

Молекулы, в которых имеется асимметрический центр, например, атом углерода, связанный с четырьмя разными соседями, могут существовать в виде двух зеркально-антиподных, «диссимметричных», как их назвал Пастер, конфигурациях, схожих и вместе с тем отличных друг от друга, как левая и правая перчатки, левая и правая ладони. Это «левые» (L — от латинского laeva) и «правые» (D — от латинского dextra) энантиомеры, характерное свойство которых — оптическая активность, способность вращать (соответственно влево или вправо) плоскости поляризации падающего на них света. Свойство зеркальной асимметрии, т.е. несовместимость в пространстве предмета и его зеркального отображения, получило название хиральности от греческого слова — hiros — рука.

Удивительно, что в том же самом 1848 году, в той же самой Франции, в Париже, математик Браве, который ничего не знал об экспериментах Пастера, путем чистого математического расчета обнаружил строгое количество возможных кристаллических решеток. Решетки Браве существуют до сих пор в кристаллографии.

И завершил теорию кристаллографии русский ученый Федоров. В 1890-м году он открыл, что существует 230 и только 230 способов идеального заполнения пространства. Здесь имеется в виду плотная упаковка – «идеальное заполнение пространства». Он вывел это чисто теоретически. И среди этих 230 групп – 65 хиральных. То есть этот кристалл строится только из молекул одной хиральности. Сам кристалл обладает свойством зеркальной диссимметрии, существует две формы кристалла, несовместимые одна с другой, левая форма и правая. По-видимому, это то, что наблюдал Пастер в своем эксперименте, когда он разделил на левое и правое. То есть независимо, чисто теоретически, математика пришла к неизбежности такого фундаментального явления. Таким образом, завершилось абсолютное доказательство возможности спонтанного нарушения симметрии – предопределенное, просто предопределенное. Таким образом, возникновение жизни уже предопределено.

При искусственном синтезе органических соединений в обычных лабораторных условиях получаются равные количества левых и правых молекул — так называемые рацемические смеси. Но в биоорганическом мире все гораздо сложнее. Еще Пастер, исследуя различные продукты жизнедеятельности организмов, обнаружил, что их растворы оптически активны, т.е. содержат один из зеркальных изомеров в избытке. Более того, используя рацемический раствор питательного субстрата Пастер показал, что бактерии выбирают только один энантиомер субстрата, оставляя другой в растворе. В результате он пришел к исключительно важному выводу о том, что молекулярная основа жизни не только хиральна, но и асимметрична.


Но все-таки хотелось бы понять, каковы должны быть условия для этого спонтанного разделения. Вещество должно кристаллизоваться в одной из этих 65-ти хиральных пространственных групп. Поначалу считалось, что случай, который наблюдал Пастер – это исключительный случай, редкий случай. Но к 1994 году список таких соединений насчитывал уже 250. Открываются все новые и новые новое соединения, которые могут подвергаться спонтанному разделению. То есть образовывать так называемый конгломерат, смесь гомохиральных кристаллов, состоящих либо из правых, либо из левых звеньев.

Вот что самое главное. Симметрия не нарушается спонтанно. То есть на самом деле происходит, конечно, распад симметричной смеси в результате кристаллизации на кристаллы левые и правые. Но это по-прежнему симметричная смесь кристаллов, то есть они присутствуют в равном количестве. Поэтому кристаллизация сама по себе (то есть спонтанное нарушение симметрии в целом, в больших объемах) не приводит к нарушению симметрии. Да, происходит разделение фаз, но к нарушению симметрии это не приводит.

Локально, если возьмем маленький объем кристалла, конечно, в нем происходит некое, как можно сказать, нарушение симметрии. Но реально по множеству кристаллов симметрия сохраняется. Так что здесь электромагнитное взаимодействие продолжает оставаться симметричным. И нет никакого нарушения.

Вообще получается так, что если, скажем, выпадение левых и правых кристаллов – это локальное нарушение симметрии, но симметрия при этом в целом остается, потому что у нас равное количество левых и правых изомеров, то, ничего не делая специально и не выходя за пределы химии, можно сделать так, что в колбе или в каком-то объеме вырастет полностью только один кристалл. Повторяя эксперимент, с такой же вероятностью получим противоположный результат. Если теперь будем повторять эксперимент, то с точно такой же вероятностью будет вырастать либо большой правый кристалл, либо левый кристалл. И так далее. Так что симметрия по-прежнему сохраняется. И эти эксперименты неоднократно проводились. И получалось примерно равновероятно. То есть, возможны в определенном объеме спонтанные образования гомохиральных соединений.

Представить себе, что кристаллизация явилась, в действительности, тем самым процессом, который решил проблему нарушения симметрии на ранних стадиях предбиологической эволюции – это представляется несколько легкомысленным. Процесс на самом деле связан с нелинейными химическими процессами. То есть теперь уже речь может идти об огромных ареалах (геохимических, например) разного масштаба, в которых естественным образом может возникать и эволюционировать глобальная химическая среда. И различные процессы, протекающие в таких масштабах, процессы превращения, образования хиральных органических соединений могут подчиняться таким уравнениям, которые приводят к неустойчивости рацемического или симметричного состояния. И тогда симметрия нарушается уже во всем этом ареале глобально.

Можем ли мы теперь от асимметричной среды перейти к достаточно сложным структурам? Для того чтобы попробовать ответить на второй вопрос, а именно: можем ли мы создать гомохиральные последовательности, гомохиральные полимерные цепи, уже имея среду с нарушенной симметрией? Для этого, конечно, нужно каким-то образом предложить простые критерии перехода. Мы же что-то должны сохранить в этом переходе. Мы должны в этом переходе следовать какому-то признаку. Ну, например, признаку репликации. Давайте попробуем понять, можем ли мы каким-то образом эволюционировать от асимметричной среды к сложным структурам, во-первых, создав такие системы, которые могли бы реплицироваться. А во-вторых, создав условия для эволюции таких систем.

Такие системы были созданы  в работах Джулиуса Ребека (Кембридж). Ребек построил систему, которая действует как «инь» и «янь». Она вообще выглядит как «инь» и «янь», как этот знаменитый знак – две запятые, вложенные одна в другую. И он сделал две такие молекулы, причем «янь» собиралась на «инь», а уже потом они распадались, и на каждой из этих двух половинок собиралась соответствующая комплементарная половинка. Здесь он использовал один принцип, который взял из биологии – принцип комплементарного соответствия, как это происходит, например, в двойной спирали ДНК. Но что он показал? Он показал, что молекулярные структуры могут быть достаточно простыми, и, тем не менее, они могут обладать свойством репликации. Миф о том, что репликация есть свойство исключительно биологии, был немедленно разрушен.

Следует сказать, что у Ребека процесс репликации шел только тогда, когда все нужные компоненты способны собираться таким инь-яновским способом – все компоненты были хирально чистые, в среде не было никакой грязи. А среда была оптически активной.

Следующий шаг (на самом деле, все это примерно совпадало по времени) был сделан Оргелом и Джейсом – американскими учеными, которые, вообще говоря, сделали довольно хитрую и тонкую вещь. Они в точности использовали принцип копирования двойных спиралей РНК, комплементарного спаривания, но показали, что этот процесс сборки репличной нити на подложке типа РНК или ДНК может идти без ферментов (то есть белков), что было чрезвычайно важно. Потому что, конечно, когда у вас есть и ферменты, когда есть у вас РНК и ДНК, и все это еще собрано в клетки, и все это функционирует, тогда, конечно, это будет реплицироваться, мы и так это знаем. А все дело вот в чем: а как же сделать такие системы, где нет ферментов, где нет белков, но, тем не менее, могут возникнуть сложные структуры? Вот в чем проблема. И Оргел и Джейс показали, что за счет комплементарного спаривания образуется вторая нитка. Но опять у них выходило одно жесткое условие: то, из чего они должны были собирать, то есть среда, в которой плавали все нужные компоненты для сборки этой второй нити, она должна была быть оптически чистой, она должна быть абсолютно хирально чистой. Любое появление грязи, то есть энантиамерного антипода противоположного знака немедленно блокировало самосборку такой цепи. Казалось бы, тупик. Но спустя некоторое время, буквально спустя годы, Эшенмоузер – швейцарский химик – сделал еще одну очень интересную работу, в которой показал, что, используя комплементарность, то есть путем такого спаривания – «это сюда, а это сюда, а это сюда», и так далее, – можно собирать достаточно длинные цепочки. И это уже было сенсацией. Мало того, он показал, что сборка идет столь селективно, что, вообще говоря, и не требуется условие сильного нарушения асимметрии. Достаточно, чтобы были нужные элементы.

Теперь мы выстраиваем таким образом достаточно длинные цепочки, они складываются в специальные структуры, РНК или ДНК. Дальше мы попадаем в область эволюции совершенно других структур и других правил. Мы проскочили барьер от неживой химии к живой. И тут возникает проблема. Эшенмоузер собрал примерно 18 звеньев и сказал, что «я могу собирать так сколь угодно много». На самом деле нет. Оказалось, по теоретическим оценкам, что критической является длина порядка 30 единиц, что недостаточно.

Почему критическим оказывается длина порядка 30 единиц? По одной простой причине, которая называется «катастрофой ошибок». И вот эта катастрофа ошибок связана со сложностью структур. А все дело тут вот в чем. Ведь что такое построить гомохиральную цепочку? Это построить определенную последовательность, например, только из левых молекул. Из очень большого числа всевозможных последовательностей левых и правых молекул, которые можно представить. Оказывается, когда это число становится слишком большим, у вас есть два варианта. Вы должны либо очень точно собирать, либо отказаться от сборки. Чтобы точно собирать, нужно иметь очень специальные процессы, которые могут обеспечить только такие специфические структуры, как белки, то есть такие процессы, какие мы наблюдаем в биологии. Но если у вас их нет, то тогда у вас только один способ: вы должны держать настолько чистой среду, чтобы в этой среде у вас были только, скажем, левые изомеры, из которых вы строите. А правых было бы исчезающе мало, настолько мало, чтобы вероятность появления неправильного звена была бы очень маленькой. То есть вы специфичность функций заменяете специфичным состоянием среды.

Посмотрим на все процессы спонтанного нарушения симметрии на уровне химии, то есть зададимся таким вопросом: а можем ли мы такую среду создать на уровне химической эволюции или на каких-то чуть более поздних стадиях эволюции? И выясняется, что нет. Даже механизм спонтанного нарушения симметрии (который приводит к асимметрическому состоянию) требует столь специфичного распознавания левых и правых молекул для создания очень сильной асимметрии, которое возможно только на биологическом уровне. И вот тут появляется замкнутый круг. С одной стороны, получается, что требование, чтобы у нас возникло нарушение зеркальной симметрии на стадии предбиологии, не помогает нам перейти к строительству сложных структур – мы не можем построить гомохиральные структуры, потому что мы не можем создать такую чистую среду, в которой такие сложные структуры могли бы строиться. С другой стороны, если, тем не менее, мы найдем какой-то способ, как пройти катастрофу ошибок, как перейти этот барьер, то тогда, как показывают теоретические оценки, нам не важно, в какой среде мы стартуем: в симметричной или в асимметричной. В этом смысле сценарий асимметричной среды для возникновения гомохиральных полимеров вовсе и не нужен.

Основная проблема в вопросе возникновения гомохиральных последовательностей – это проблема катастрофы ошибок. И она вообще является проблемой, общей для всей эволюционной концепции, – как пройти катастрофу ошибок. Но тут, конечно, еще есть вопрос о том, каков выбор знака. Мы же знаем все-таки, что мы состоим из левых аминокислот и правых сахаров. Но мы не знаем, как это получилось. Потому что, чтобы ответить на этот вопрос, нам надо построить теорию предбиологической эволюции. Мы не можем построить эту теорию, потому что мы пока не знаем, как решить проблему катастрофы ошибок.


Мы прекрасно понимаем, насколько сильно живое отличается от неживого. А в чем, собственно, различие? Репликация? Пожалуйста, повторили на маленьких молекулах. Органические соединения? Пожалуйста, сделали их естественным путем. В чем, тем не менее, это ощущение совершенно непреодолимого конфликта, непреодолимой пропасти? В сложности? Определите, что такое сложность! В уникальности? «Это не может появиться, потому что это не может появиться никогда». Да, мы уже близки к этому. К тому, что перед нами нечто, что само по себе повторить невозможно. Вот это и есть катастрофа ошибок. Это и есть парадокс Левинталя. Это центральная проблема, которая, если будет атакована правильным образом и если будет найден способ решения, тогда только мы сможем сделать хоть какой-то шаг в направлении создания осмысленной теории эволюции.


Сценарий асимметричного зарождения жизни


Еще совсем недавно казалось, что нарушение зеркальной симметрии в ходе естественной эволюции добиологической органической среды невозможно. Это противоречило обычным представлениям о поведении химических систем, следуя которым система должна стремиться к состоянию с максимальной энтропией, максимальной хаотичности, и значит – к рацемической смеси.

В то же время в физике уже были хорошо известны разнообразные процессы, в которых упорядоченные состояния возникают скачкообразно и самопроизвольно, спонтанно. Мы часто сталкиваемся с ними в повседневной жизни, например, при кристаллизации, когда хаотическое распределение молекул в жидкости переходит в строго упорядоченную структуру кристалла. Важная особенность этих процессов заключается в том, что для перехода из разупорядоченного состояния в упорядоченное совсем не обязательно иметь какое то внешнее упорядочивающее воздействие. Как только в системе достигаются некоторые (критические) условия, беспорядочное состояние становится неустойчивым, и система самопроизвольно (спонтанно) переходит в упорядоченное состояние.

Похожие критические явления существуют в химии, биологии, экологии и даже социальной жизни. Более того, выяснилось, что они представляют собой один из естественных, и достаточно универсальных механизмов возникновения порядка из хаоса. Это оказалось настолько важно, что возникла специальная область науки — синергетика, которая изучает сложные взаимосвязи усиливающих друг друга процессов, приводящих к смене эволюционного развития системы скачкообразным изменением ее важнейших свойств и качеств. Новейшая история нашего государства тому ярчайший пример!

Универсальность синергетики вселяла надежду на то, что ее применение к проблеме возникновения жизни может, наконец, привести к существенному прогрессу. По мнению лауреата Нобелевской премии бельгийского ученого И.Пригожина, одного из создателей науки о скачкообразном самоупорядочении сложных химических систем, возникновение протобиологических структур в безжизненной среде могло быть именно таким процессом. Примерно в это же время, в начале восьмидесятых годов, российский ученый Л. Л. Морозов высказал еще более смелую мысль: главным следствием такого процесса должно было быть нарушение зеркальной симметрии органической среды, и, следовательно, зарождение жизни можно представить физической картиной фазового перехода с потерей зеркальной симметрии!

Опираясь на представления о самоорганизации химических систем на различных уровнях, от простых молекул до сложных полимерных цепей, попытаемся представить себе основные черты сценария асимметричного зарождения жизни. Схематичный набросок картины, в создании которой значительную роль сыграл и другой российский ученый — В. В. Кузьмин, получился таким.

Первый этап (опускаем этапы формирования самого космического объекта, на котором возникает жизнь) – образование и накопление аминокислот, сахаров, нуклеотидов и других органических молекул – строительных блоков важнейших биомолекул. На этом этапе органическое вещество возникало в виде рацемических смесей.

Следующий этап – спонтанное нарушение зеркальной симметрии и формирование хирально чистой среды. Образно говоря, в результате скачкообразного перехода остаются только левые аминокислоты и правые сахара, которые и ныне используются в составе биомолекул. Этот этап – отправная точка для последующей эволюции преджизненного состояния.

Полимерный захват хирально чистой органической среды, образование цепочек олигонуклеотидов – блоков будущих ДНК и РНК, и цепочек олигопептидов – заготовок для будущих белков, следующие кадры этого сценария. И вот здесь выясняется ключевая роль хиральной чистоты среды: уже на молекулярном уровне появляются такие структуры, которые способны к репликации и отбору.

На следующем этапе, в ходе эволюции таких гомохиральных структур, происходит еще одно важное событие: некоторые цепочки аминокислот (предки ферментов) начинают выполнять специальную функцию – блокируют возможность появления хиральных дефектов при репликации гомохиральных цепочек – олигополинуклеотидов (предков ДНК). В результате появления такой энантиоспецифической функции гомохиральные цепочки приобретают способность эволюционировать за счет репликации и отбора д. Так достигается первая ступень той лестницы саморазвития, которая ведет к сложным биологическим системам – возникает самоподдерживающийся и саморазвивающийся макромолекулярный мир, обладающий хиральной специфичностью.

Следующая ступень – еще один качественный скачок: уже могут образовываться связанные комплексы прото-ферментов и прото-ДНК, и в результате возникают простейшие модели сложнейшей машины самовоспроизведения биополимеров.

Это последние кадры той части сценария, которая относится к эволюции преджизненного состояния, эволюции предбиосферы. Следующая часть – собственно биологическая эволюция, от простейших протоклеток к человеку.

Так что же, загадка возникновения жизни решена?

Увы нет. Совсем недавно было показано, что при спонтанном нарушении симметрии степень хиральной чистоты среды зависит от точности, с которой взаимодействующие молекулы способны распознавать хиральную конфигурацию друг друга. Для достижения высокой степени чистоты требуется очень точное распознавание, а в добиологических, химических условиях, на уровне простейших органических молекул, она слишком мала. Поэтому на третьем шаге описанного выше сценария, в ходе полимерного захвата среды, будут возникать только очень короткие фрагменты гомохиральных цепей, не способные в дальшейшем стать протоферментами. Саморазвивающийся макромолекулярный мир, обладающий хиральной специфичностью, возникнуть в таких условиях не может.

Проблема возникновения биологической гомохиральности, по-существу, сводится к одному, и в самом деле очень непростому, вопросу – как возникли гомохиральные последовательности, сложность которых сопоставима со сложностью биополимеров.

Сложность. Чтобы ввести представление о том, что понимается под «сложностью биополимеров», сравним долю гомохиральных последовательностей длиной N (среди всех возможных L, D-последовательностей) c флуктуацией числа частиц в системах различного масштабами.
Пусть имеется система «лабораторного» масштаба состоящая из 10 в 24-й степени частиц (последовательностей). Тогда относительная доля гомохиральных цепей среди всех прочих (примерно 2 в степени N) будет порядка масштаба флуктуаций числа частиц в такой системе при N=40. Это означает, что если длина цепи не превышает нескольких десятков звеньев, то все возможные L,D-последовательности могут быть реализованы. Вопрос о возникновении гомохиральных последовательностей такой длины не содержит в себе физической проблемы, поскольку даже при равновероятном выборе энантиомерной конфигурации звена на каждом шаге сборки цепи, относительная доля гомохиральных цепей среди всех прочих будет не исчезающе мала.

Последовательности такой длины можно назвать структурами «химического уровня сложности». Среди таких структур, «запоминание случайного выбора» может осуществляться путем перебора всех возможных вариантов. Конечно, если речь идет о возникновении коротких, но специальных нуклеотидных последовательностей, например, способных к матричной репликации, то ряд «химических вопросов» остается, но не более того.

Возьмем теперь систему «космологического» масштаба с числом частиц порядка числа атомов углерода в Солнечной системе (примерно 10 в 50-й степени). Тогда относительная доля гомохиральных цепей среди всех прочих становится сопоставима с масштабом флуктуаций числа частиц при длине последовательностей N=80. Это означает, что вероятность возникновения гомохиральной цепи в 100 и более звеньев в результате неселективной сборки исчезающе мала. Кроме того, понятно, что подавляющая часть последовательностей длиной в пару сотен звеньев и более не может быть реализована в природе – просто потому, что даже вся Вселенная исчезающе мала для этого.

Этот уровень сложности можно назвать «биологическим». Не только потому, что белки, РНК и ДНК – это гомохиральные цепи длиной от нескольких сотен звеньев до миллионов звеньев. Но главным образом потому, что для сборки определенных последовательностей такой длины необходимы жестко заданные «алгоритмы» – специфические функции, способные осуществлять сборку с высокой точностью. По образному выражению Виталия Иосифовича Гольданского, химия живого – это «алгоритмическая химия», в отличие от обычной, «стохастической химии».


 

Физические особенности хиральных молекул и веществ


Энантиоморфы – это пара зеркально асимметричных объектов (фигур), являющихся зеркальным изображением один другого. Иными словами, энантиоморфы – это объект и его зазеркальный двойник при условии, что сам объект зеркально асимметричен. Энантиоморфами могут быть отдельные объекты, но могут быть и половинки соответствующим образом разрезанного объекта. Чтобы различить энантиоморфы в данной паре, вводят обозначения «левый» и «правый». Один из энантиоморфов левый, а другой правый. Не имеет принципиального значения, какой именно назван левым (правым); это вопрос договоренности, традиции, привычки.



Энантиоморфными, или хиральными, именуются объекты, не имеющие центра и плоскостей симметрии (и, как следствие, зеркально-поворотной оси S4), т.е. имеющие лишь поворотные оси симметрии. Если такой объект отразить в зеркале, получается объект, не совмещающийся с исходным (простейший пример – правая и левая перчатки).

Молекула называется хиральной, если ее пространственная конфигурация не инвариантна относительно зеркального отражения. Подавляющее большинство биоорганических соединений, в частности, аминокислоты, сахара и нуклеотиды – хиральны. Хиральная молекула имеет две зеркально антиподные пространственные конфигурации – левый (L) и правый (D) энантиомеры. С химической точки зрения L и D энантиомеры эквивалентны. Это обстоятельство имеет фундаментальную причину и обусловлено сохранением четности в электромагнитных взаимодействиях. Поэтому в химических процессах, протекающих в симметричных условиях, образуется равное количество L и D энантиомеров. В отличие от этого, в клетке синтезируется только одна энантиомерная форма органических соединений – либо L, либо D – в зависимости от соединения. Это характерное свойство биосинтеза обеспечивается высокой стереоселективностью ферментативного катализа. Например, при биосинтезе белков энантиомерная конфигурация аминокислот контролируется ферментами с точностью не ниже 10-4, а при репликации ДНК — не ниже 10-8.

Другое, тоже важное понятие – гомохиральность. В этом случае речь идет о последовательности L и D энантиомеров в полимерной цепи, собранной из хиральных звеньев. Если имеется цепь длиной в N звеньев, то существует 2 в степени N различных L и D последовательностей. Среди множества всех этих последовательностей имеется две последовательности, у которых все звенья имеют одну и ту же энантиомерную конфигурацию – это последовательность только из L звеньев и последовательность только из D звеньев. Такие последовательности называются гомохиральными. Главные биополимеры – ДНК, РНК и белки – являются гомохиральными полимерами. Белки состоят только из L-аминокислот, а РНК и ДНК только из D-нуклеотидов.

Проблема возникновения биологической гомохиральности, по-существу, сводится к одному, и в самом деле очень непростому, вопросу — как возникли гомохиральные последовательности, сложность которых сопоставима со сложностью биополимеров.

Следует рассмотреть подробнее физические свойства хиральных молекул.

Как известно, правая (D) и левая (L) изомерные формы хиральных (энантиоморфных) молекул могут переходить друг в друга, будучи разделены потенциальным барьером. Если считать все взаимодействия внутри свободной молекулы чисто электромагнитными, то из самых общих теоретических соображений сохранения четности (Р-инвариантности электромагнитных сил) волновые функции, энергетические уровни и вероятности переходов в антиподах должны быть строго одинаковы, а все их физико-химические свойства совершенно идентичны. Соответственно указанный потенциальный барьер должен быть симметричным; высота и форма его определяются в основном, как и вообще для внутренних вращений, близкодействующими силами отталкивания, создающими стерические препятствия.

Переход от чистого изомера («оптически чистого» или «хирально чистого» вещества) к смеси именуется «рацемизацией», смесь антиподов в равных количествах – (D+L)-рацемической смесью, в случае образования пар – ассоциатов – (DL)-рацемическим соединением. В обоих случаях, если подробности не существенны, вещества именуются рацематом. Физико-химические свойства рацемата, конечно, отличаются от свойств антиподов: они отличаются по плотности, термодинамическим параметрам, растворимости, поверхностной активности и способности к адсорбции, скорости диффузии, окислительно-восстановительным способностям.

Склонность к рацемизации зависит, естественно, от деталей химической структуры: так, если миндальная кислота рацемизуется легко и быстро, метилминдальная  – чрезвычайно медленно.

Биологически важные аминокислоты рацемизуются весьма слабо: полупериоды рацемизации их порядка 103–104 лет, несколько легче рацемизуются сахара (в жидкой фазе). Рацемизация, естественно, существенно зависит от агрегатного состояния и внешних условий. Загрязнение чистого антипода незначительной примесью другого также может повлиять в силу процесса индуцирования.

Ряд веществ рацемизуется спонтанно без внешних воздействий (авторацемизация): так, чистая D- или L-винная кислота при растворении быстро превращается в рацемическое соединение с выделением тепла.

Необходимо подчеркнуть, что если с практической точки зрения ряд веществ почти не рацемизуется, то с точки зрения строгой термодинамики замкнутых систем равновесным состоянием с наибольшей энтропией является лишь рацемат – состояние с «наибольшим беспорядком». При этом, как ясно из сказанного, отношение антиподов 1 : 1 будет соблюдаться только статистически (а флуктуации, как увидим, могут быть большими).

Молекулярный механизм рацемизации может быть различным. При высоких температурах основным фактором могут быть соударения при тепловом движении, при низких – преодоление барьера может происходить лишь путем туннелирования.
Важно отметить, что при низких температурах соударения — хотя это и кажется неожиданным – препятствуют туннелированию, «сбивая фазу» данной системы. При низких температурах время рацемизации пропорционально квадрату времени туннелирования, т.е. быстро растет.

В литературе встречаются утверждения, что диссимметрия возникает на определенной ступени усложнения молекулы; это неверно. Оптически активными могут быть молекулы, состоящие не менее чем из четырех атомов, ибо только при числе атомов большем трех, молекула может быть неплоской (и, следовательно, не иметь плоскости симметрии). Однако у простейших хиральных молекул (например, Н2О2) рацемизация происходит столь легко и быстро, что активность этих веществ наблюдать невозможно. Практически все более или менее устойчивые относительно рацемизации молекулы имеют 10–12 атомов (в частности, природные аминокислоты глицин, серии и аланин соответственно 10-, 13- и 14-атомны, т.е. являются одними из наиболее простых, относительно устойчивых). Существует огромное количество природных веществ, например пигментов и красителей, довольно сложных, но неактивных. Поэтому считать, что хиральность возникает в связи со сложностью молекул, нельзя.

Хиральные молекулы несколько специфическим образом взаимодействуют с электромагнитными волнами. При рассеянии на хиральных молекулах линейно поляризованных фотонов возникают фотоны, поляризованные циркулярно. Вследствие этого вещество, состоящее из хиральных молекул одного знака, вращает плоскость поляризации проходящего через него света. Соответственно говорят об оптической активности молекулы или вещества. Указанные свойства хиральных молекул обусловливаются наличием в них не менее двух асимметрично расположенных осцилляторов. Более строго это следует сформулировать так: внутреннее поле молекулы таково, что происходящие в молекуле переходы между различными возможными состояниями моделируются не менее чем двумя асимметрично расположенными осцилляторами. Взаимодействие этих осцилляторов друг с другом и с электромагнитной волной и приводит к эффекту вращения. Таким образом, оптическая активность есть проявление хиральности.

Оптическая активность может быть присуща всей молекуле в целом, будучи обусловленной процессами в полностью делокализованном диссимметричном облаке электронов.

Оптическая активность вещества определяется как сложением вкладов составляющих его молекул, так и возможным возникновением коллективных эффектов.