Ну чем не начало кодирования? Конечно, на самом примитивном уровне.
В лаборатории Фокса изучалось и взаимодействие термически синтезированных протеиноидов, образующих морфологические структуры с различными полинуклеотидами. В результате этих исследований было установлено, что протеиноид определенного типа имеет различное химическое сродство к разным полинуклеотидам.
Они объединились, и вновь образованные структуры можно было бы рассматривать как предшественники рибосом, прарибосомы.
Данные некоторых опытов, проведенных в лаборатории Фокса, свидетельствуют о возможном дорибосомальном механизме трансляции.
Конечно, эти эксперименты нужно расценивать как первые шаги в новой области добиологического синтеза - моделировании динамических процессов. Основная трудность здесь в том, что в лабораторных экспериментах концентрации реагентов могут очень сильно отличаться от реальных природных концентраций, соответствующих геологическим и геохимическим условиям, которые существовали на примитивной Земле около 4 миллиардов лет назад. Пока именно это обстоятельство кажется наиболее уязвимым местом в изложенных выше результатах.
Тем не менее мне думается, что именно теоретическое и экспериментальное моделирование динамических клеточных процессов - самое важное направление в работах по проблеме происхождения жизни.
Вряд ли кто-нибудь, даже самый большой оптимист, считает, что в ближайшее время удастся синтезировать живой организм, однако мне кажется, что именно усилия в изучении эволюции механизгов репликации и синтеза уже в ближайшее время, несомненно, принесут большие открытия.
Попробуем немного пофантазировать и представить себе гипотетическую последовательность событий, которые могли иметь место на примитивной Земле после того, как сформировалось достаточное количество предшественников белков.
Исходная посылка состоит в том, что до возникновения нуклеотидов и полинуклеотидов шла продолжительная эволюция пептидов и полипептидов Бесспорно, что параллельно происходило образование других классов биологически важных соединений, в том числе предшественников нуклеиновых кислот. Однако в любой момент времени концентрация полипептидов была заметно больше концентрации полинуклеотидов.
Здесь мне хотелось бы обратить внимание на хорошо известный биологам механизм, не требующий в принципе участия нуклеиновых кислот, - механизм самосборки. Вполне можно предположить, что на ранних этапах эволюции самосборка происходила автономно Характерным примером является самосборка низкомолекулярного белка грамицидина, не требующая генетического контроля.
Сейчас есть все основания считать, что процесс самосборки был определяющим при образовании примитивных клеточных мембран, которые могли состоять из полипептидов и предшественников липидов. На этой ступени эволюции появились первые морфологические единицы, которые еще нельзя назвать клетками, - это были просто микросферы. Но с возникновением таких микросфер стала возможна дальнейшая эволюция биополимеров Обладая большой концентрационной способностью, микросферы резко ускорили ход химических реакций Нельзя исключить, что на примитивных мембранах начались процессы синтеза полинуклеотидов, которые катализировались полипептидами, входящими как составные части в примитивную мембрану.
Таким образом, на этом этапе мог бы осуществляться процесс протобелок протонуклеиновая кислота.
С появлением первых матриц мог начаться в том или ином виде прямой матричный синтез полипептидов. Достаточно было появления полипептида, который умел хотя бы немного "помогать" процессу репликации, и тогда сразу же мог возникнуть другой процесс процесс снятия копий - начало протожизни.
Эти предклетки должны были обладать достаточной устойчивостью к воздействию внешних условий Они должны были иметь свое и весьма продолжительное "время жизни".
Процесс репликации мог происходить и без участия ферментов, просто за счет изменения параметров среды, например, изменения температуры или кислотности раствора.
Схемы эволюции можно представить следующим образом: сначала был первичный океан. Затем под воздействием источников энергии на атмосферу и переноса продуктов реакций образовался разбавленный раствор мономеров. Потом в результате медленной эволюции возникла жизнь. Это классическая схема зарождения жизни в океане.
Возможен и другой вариант, связанный, например, с районами активной вулканической деятельности. В этом случае последовательность событий можно представить так. В некоторых локальных областях образуется концентрированный раствор мономеров (аминокислот и так далее). Мы уже видели, что вполне возможны реакции полимеризации этих мономеров. Следующим этапом является концентрирование полимеров на минералах. Это дает возможность для образования протоклеток и "включения" механизмов самосборки. Затем происходит дополнительное концентрирование органического материала в протоклетках.
Именно на этой стадии возникает примитивный прямой матричный механизм. Природа слепа, она работает методом проб и ошибок. С того момента, как она "нашла" прямое матричное копирование, могли пройти еще многие миллионы лет, прежде чем возник современный вариант трансляционного механизма.
В рамках этой схемы тоже очень трудно представить себе, как могли возникнуть трансляция и код и почему код оставался неизменным в течение 3,5 миллиарда лет.
"Глядя" на генетический код, невольно думаешь о том, что в какой-то момент времени природа получила удовлетворение от своей работы и сочла этот этап своей деятельности завершенным.
Стратегическое направление исследований - изучение возникновения динамической организации - сейчас на начальной стадии. Слишком много сегодня нерешенных вопросов в этой области. Полезно их перечислить.
Как возникло кодовое соответствие между полинуклеотидами и полипептидами?
Как возникла транскрипция и трансляционный аппарат?
Как возник информационный поток между полимерами?
Как возникло сопряжение механизмов транскрипции и трансляции?
В биологии XX века произошла революция: родилась новая наука молекулярная биология.
Бесспорно, начало этой революции следует приурочить к определению структуры ДНК. Крик назвал это событие "концом начала". Когда устанавливали структуру генетического кода, Крик сказал, что это - "начало конца". Он имел здесь в виду, что главное в молекулярной биологии уже сделано. С этим вряд ли можно согласиться.
Величайшая загадка молекулярной эволюции еще ждет своего решения. Сегодняшний день в проблеме происхождения жизни - начало начал.
Глава IX
ПРАВОЕ И ЛЕВОЕ
В нашем рассказе о живых клетках до сих пор не говорилось ни слова еще об одном удивительном свойстве биоорганических молекул - об их оптической активности.
Пропустим луч солнечного света через кристалл исландского шпата разновидность широко распространенного минерала кальцита. Луч расщепится на две части, два луча. В чем здесь дело?
Обычный белый свет - это набор электромагнитных волн, имеющих разную длину и колеблющихся в различных плоскостях. Даже если с помощью фильтров или специальных источников получить свет определенной длины волны монохроматический свет, то и он будет состоять из волн, колебания которых происходят в различных плоскостях.
Кристалл исландского шпата имеет такое строение, что при прохождении через него световой волны образуются два световых луча - "обыкновенный" и "необыкновенный"; колеблющееся электрическое поле одного луча находится в плоскости, перпендикулярной плоскости другого луча.
Физики говорят, что эти лучи поляризованы в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.
Если определенным образом разрезать, а потом склеить два кристалла исландского шпата, мы получим поляризатор света, который называется призмой Николя.
Она пропускает только "необыкновенный" луч плоскополяризованного света.
Действие призмы Николя можно понять из следующей аналогии. Если попытаться вложить столовый нож в закрытую книгу, это удастся сделать лишь при условии, что нож повернут в определенной плоскости. Книга - призма, нож - "необыкновенный" луч.
