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 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.

1 комментарий:

  1. В работе http://gladyshevevolution.wordpress.com/article/asymmetry-in-bioworld-169m15f5ytneq-5/ "Асимметрия в Биомире" представлено обоснование возможного влияния сил Кориолиса на появление хиральности на Земле. Силы Кориолиса могут создавать асимметрию биологических структур высших иерархий. Благодаря обратным связям считывания информации (действию принципа стабильности вещества) асимметрия передается на молекулярный уровень. Таким образом появляются левые аминокислоты и правые сахара…

    ОтветитьУдалить