Актуально
60189 переглядів
 |
Як і яким чином, в результаті яких випадкових збігів у просторі та часі, переборі незліченної безлічі варіантів взаємного розташування атомів, молекул і пов’язаних з ними полів — ядерних, слабких і електромагнітних взаємодій, утворилися два типи біологічних полімерів — білки і нуклеїнові кислоти, що дали початок справжньому диву — генетичному коду в сучасному вигляді?
Існує безліч гіпотез і теорій, що намагаються пояснити виникнення цієї високорганизованої системи, як правило за точку відліку береться моделювання певних умов на поверхні ранньої Землі.
Проте, усі ці спроби розбиваються вщент об наступні факти: яким чином утворилася первинна структура, що вже спочатку складається з трьох основних складених систем: реплікатора, мембрани і впорядкованої системи білків? Вона була вже дуже складним утворенням. Як же воно могло виникнути без жодного природного відбору?
Звертає на себе увагу різний хімічний склад цих трьох частин — хоча молекули ДНК і білків і утворюються однаково, шляхом послідовного з’єднання один з одним мономірних одиниць в довгі ланцюжки, перша з них проте складається з нуклеотидів, а друга з амінокислот. Слід також сказати, що практичне моделювання умов природного середовища, що існували на ранній Землі, ще жодного разу не показало шляхів утворення цих мономерів.
Так, в дослідах 1953 року американські фізико-хіміки Гарольд Юрі і Стенлі Міллер продемонстрували, як могли сформуватися такі нуклеотиди. Пропускаючи електричні розряди через суміші газів, ймовірно присутніх в первинній атмосфері Землі, вони помітили, що разом з іншими з’єднаннями з них утворюються амінокислоти — такі ж були виявлені в ході вивчення Мерчісонського метеорита, що впав на територію Австралії в 1969 р. Подібні результати дозволили деяким дослідникам припустити, що усю «будівельну цеглу життя» можна без зусиль отримати в ході експериментів або витягнути з метеоритів. Проте усе набагато складніше. Амінокислоти, у тому числі і синтезовані Міллером і Юрі, — значно менш складні молекули, ніж нуклеотиди. Усі вони містять по одній аміно- (NH2) і карбоксі (СООН) -группі, які пов’язані з одним і тим же атомом вуглецю. Найпростіша з тих 20 амінокислот, що входять до складу природних білків, має всього два вуглецеві атоми, а 17 амінокислот з того ж набору — шість і більше. Амінокислоти та інші молекули, синтезовані Міллером і Юрі, містили не більше трьох атомів вуглецю. А нуклеотиди в процесі подібних експериментів взагалі ніколи не утворювалися. Не виявлені вони і у складі досліджених метеоритів. Мабуть, для неживої природи характерна тенденція до створення молекул з можливо меншим числом вуглецевих атомів, і ніяких свідчень утворення нуклеотидів, необхідних для появи нинішніх форм життя, не знайдено.
Крім того, у своєму досвіді Міллер використовував газову суміш, що складається з аміаку, метану, водню і водяної пари (за припущенням Міллера, саме ця суміш переважала в первинній атмосфері Землі). Оскільки ці гази не могли вступити в реакцію в природних умовах, він піддавав їх дії електричної енергії, імітуючи грозові розряди, від яких, як передбачалося, була отримана енергія в ранній атмосфері. При температурі 100oС суміш кип’ятилася протягом тижня і систематично піддавалася дії електричних розрядів. Проведений у кінці тижня аналіз хемосинтезу показав, що з двадцяти амінокислот, що становлять основу будь-якого білку, утворилися тільки три.
Таким чином, отримані при досліді Міллера молекули були «неживими».
Упродовж наступних 20 років відомі дослідники Фокс, Поннамперума продовжували експеримент Міллера. Але результати роботи по відтворенню первісної атмосфери Землі в експерименті Міллера були сумними. Було встановлено, що «атмосфера» в досліді Міллера була фіктивною. Учені зійшлися в думці, що рання атмосфера Землі складалася не з метану і аміаку, а з азоту, двоокису вуглецю і водних випарів, а експеримент Міллера був нічим іншим, як фальшивкою.
Крім того, в цих дослідах, для отримання амінокислот, брали готовий аміак, а утворюється він тільки за умов високого тиску і температури із суміші водню і азоту, у присутності каталізатора — губчастого заліза, при обов’язковій відсутності пари води і сірки, а вода на Землі, була завжди. А водню (у вільному виді) завжди було мало — він випаровується в космос.
Наявний розрив між простими хімічними речовинами і попередниками біогенних молекул. Далі, абсолютно не враховувалося, що амінокислоти, що утворилися, відразу ж були ізольовані за допомогою механізму «холодного капкана». Інакше умови середовища, де утворилися амінокислоти, відразу ж зруйнували б ці молекули. Міллер використовував в експерименті механізм «холодного капкана», тобто амінокислоти, що утворилися, відразу ж були ізольовані від зовнішнього середовища. Якби не було цього механізму, атмосферні умови негайно ж зруйнували б ці молекули. Звичайно ж, в первинному середовищі Землі не було подібного свідомого механізму, здатного захистити амінокислоти від руйнування.
Усі зусилля показали, що навіть в ідеальних умовах лабораторії неможливо синтезувати амінокислоти без механізму «холодного капкана», щоб запобігти розщепленню амінокислот вже під впливом власного середовища, так що не може бути і мови про випадкове їх виникнення в природі.
Як зазначає професор хімії Річард Блісс: «Якби не було «холодного капкана», амінокислоти були б зруйновані. Крім того, амінокислоти мають хиральну симетрію — тобто можуть існувати в двох дзеркально симетричних формах. Такі молекули схожі одна на одну, як ліва і права рука, тому їх називають D- і L-молекулами. Інша назва молекул-енантіомерів — «правообертальні» і «лівообертальні» — походить від їх здатності обертати площину поляризації світла в різних напрямах. Якщо лінійно поляризоване світло пропустити через розчин таких молекул, відбувається поворот площини його поляризації: за годинниковою стрілкою, якщо молекули в розчині праві, і проти — якщо ліві. Це оптична властивість хиральных молекул уперше була виявлена Луї Пастером в 1848 році. Цікаво, що майже усі природні білки складаються тільки з лівих амінокислот. Цей факт тим більше дивує, що при синтезі амінокислот в лабораторних умовах утворюється приблизно однакове число правих і лівих молекул. Виявляється, цю особливість мають не лише амінокислоти, але і багато інших важливих для живих систем речовин, причому кожне має строго певний знак дзеркальної симетрії в усій біосфері. Згідно з сучасними уявленнями про походження життя на Землі, вибір органічними молекулами певного типу дзеркальної симетрії послужив головною передумовою їх виживання і наступного самовідтворення. Проте питання, як і чому стався еволюційний відбір того або іншого дзеркального антипода, — досі залишається однією з найбільших загадок науки.
Ще в 1920-1930-х роках учені виявили, що освітлення розчину амінокислоти циркулярно поляризованим світлом призводить до повного або часткового руйнування одного з двох дзеркальних антиподів. Виявилось, що світло, поляризоване за годинниковою стрілкою (якщо дивитися назустріч променю), згубно впливає на D-молекули, а поляризоване проти годинникової стрілки, навпаки, руйнує тільки L-амінокислоти. Так був знайдений простий спосіб відбору молекул з певним типом дзеркальної симетрії. Одночасно цей експеримент змусив деяких дослідників замислитися: а чи не могло щось подібне статися в масштабах усієї планети на етапі виникнення життя? Опромінення Землі світлом, що має суворо визначену — праву або ліву — кругову поляризацію, повинно було б привести до виживання молекул одного типу дзеркальної симетрії і вимирання іншого. Але звідки на Землі могло взятися таке джерело світла?
Для порятунку теорії первинності РНК її прибічники створили цілий новий напрям в тій галузі науки, яка займається походженням життя. Вони намагалися довести, що РНК і її компоненти можна отримати в лабораторії з небіологічних молекул в ході послідовних ретельно контрольованих реакцій в умовах, схожих з тими, що існували на первісній Землі. Для того, щоб зрозуміти, наскільки успішними можуть бути подібні спроби, уявіть наступну ситуацію. Людина грає в гольф на полі з 18 лунками і раптом приходить до думки, що м’яч здатний переміщатися і без його участі, причому результат гри не зміниться. Таке можливе тільки у тому випадку, якщо та або інша комбінація природних катаклізмів рано чи пізно приведе до бажаного результату. Те ж саме стосується виникнення РНК: вірогідність подібної події майже нульова. Деякі горе- хіміки припустили, що спочатку з’явився простіший реплікатор, який і став «правителем», причому він повинен був мати ферментативні властивості, як і РНК. Проте його слідів не виявлено.
Але навіть якщо б природа «приготувала» примітивний «бульйон» з відповідних інгредієнтів, то їх спонтанне злиття в реплікатор було б неможливим без ще неймовірніших збігів обставин. Припустимо все-таки, що «бульйон» був так чи інакше «зварений», причому в таких умовах, які сприяли з’єднанню його компонент в ланцюжки. У нім були присутні міріади «непідходящих» блоків, включення яких в зростаючий ланцюжок відразу позбавило б її здатності функціонувати.
Теоретично природа могла б сполучати блоки випадковим чином, складаючи різноманітні короткі ланцюжки замість набагато протяжнішої мережі із стабільною основою, необхідною для виконання функцій реплікатора і каталізатора. Вірогідність успішної реалізації другого сценарію украй мала; якби він і здійснився одного дня в якомусь куточку Всесвіту, то лише завдяки щасливому випадку. Існує, також, проблема незменшуваної складності. Реальна біологічна система не може бути зменшена до молекулярного рівня, до розміру окремих молекул — двох, трьох, п’яти, десяти, навіть якщо це дуже великі молекули. Не може з тієї простої причини, що функції, які властиві цим молекулам, вкрай різноманітні. Є абсолютно ясне розуміння того, що первинні органічні молекули могли виникнути мимоволі. Але це досить прості молекули. З іншого боку, абсолютно зрозуміло, що проста біологічна система повинна собою представляти полімерну молекулу або полімерні молекули, що мають дві властивості. Це має бути матриця — носій інформації, це має бути інструмент або каталізатор, який здатний, по-перше, цю інформацію трансформувати, перетворити на щось матеріальне, і за допомогою цього матеріалу цю матрицю розмножити. Якщо ми точно не можемо собі уявити, як міг виникнути реальний білок, то можемо собі уявити, як могла виникнути первинна молекула РНК. Найпростіша модель полягає в тому, що є РНК, яка являється, з одного боку, матрицею, з іншого боку, каталізатором.
Незважаючи на дослідження, що інтенсивно ведуться дотепер, випадково отримати молекулу РНК, так і не вдається. Є великий набір органічних молекул, які виникають мимоволі в природі, але як і раніше існує розрив, що не дозволяє зрозуміти, яким чином ці молекули з’єдналися. Це — загадка.
За матеріалами scorcher.ru
Публiкацiї за темою «Наука й освіта»:
