Асимметрия и возникновение жизни

gordon0030@yandex.ru

Архив выпусков | Участники

↓№ 255↑

20.05.2003 Хронометраж

52:30

Стенограмма эфира

Есть ли у живой материи особое реликтовое свойство, оставшееся в наследство от предбиологической эволюции? Свойство, которое могло бы играть такую же роль в построении картины возникновения жизни, какую играет «реликтовое излучение» при отборе моделей эволюции Вселенной? Ученые полагают, что таким свойством может быть хиральная чистота биоорганического материала. О феномене нарушенной зеркальной симметрии биоорганического мира — в цикле «Возникновение жизни» доктор физико-математических наук Владик Аветисов и доктор химических наук Рэм Костяновский.

Участники:

Аветисов Владик Аванесович — доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией Института химической физики им Н. Н. Семенова Российской Академии наук (область научных интересов: химическая физика, биофизика, эволюция).

Костяновский Рэм Григорьевич — доктор химических наук, заведующий лабораторией Института химической физики им Н. Н. Семенова Российской Академии наук (область научных интересов: стереохимия).

Материалы к программе:

Из статьи В. А. Аветисова и В. И. Гольданского «Нарушение зеркальной симметрии и возникновение жизни»

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.

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.

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 (рис. 1). 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.

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.

Что же известно об этом сейчас, когда по крайней мере о достаточно простых организмах, например, бактериальных клетках, кажется, известно все, кроме, пожалуй, того, как они могли возникнуть?

Читатель, конечно, знаком с тем, что 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.

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, мы попытались 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 (мы 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 нами 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.

Сейчас уже ясно, что в развитии науки о происхождении жизни наступает новый и очень интересный этап. Не только в этой области, но и в естественных науках в целом, ощущается то известное «критическое» состояние, за которым должно последовать развитие принципиально новых, универсальных представлений о возникновении порядка из хаоса. Возможно, именно они позволят, наконец, прийти к непротиворечивым представленим об эволюционной цепи, приведшей к возникновению жизни.

Из статьи В. А. Аветисова «Физические аспекты предбиологической эволюции: сложность, иерархичность, динамика».

«Не спрашивайте меня, что физика может дать биологии, спросите, что биология может дать физике».

Стэн Улам.

Интерес Виталия Иосифовича Гольданского к проблеме возникновения жизни был особый. Обсуждению физических и химических аспектов этой проблемы посвящены более полутора сотен работ, опубликованных им в течение почти сорока лет. Среди этого богатого научного наследия две темы были самыми, пожалуй, любимыми. Это концепция «холодной предыстории жизни», в развитие которой вклад Виталия Иосифовича трудно переоценить, и возникновение биологической гомохиральности — проблема, которая увлекла его еще в начале 60-х и не оставляла до последних дней его жизни.

Я остановлюсь здесь на этой, второй теме. Не потому, что она важнее или интереснее первой, а лишь по той простой причине, что с Виталием Иосифовичем мне посчастливилось работать более всего именно над ней, и еще потому, что эта работа привела нас к нетривиальным физическим задачам, как оказалось, совершенно общим в химической физике сложных систем. Историю этих исследований со всеми идеями, надеждами и разочарованиями можно проследить по серии обзоров, опубликованных В. И. Гольданским за последние 15 лет. В данной статье обсуждается лишь результат этой истории — задачи, к которым мы пришли размышляя о возникновении биологической гомохиральности, то, почему они нетривиальны, и где мы пытаемся искать пути их решения.

Биологическая гомохиральность. Вначале несколько слов о хиральности. 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 для темы данной статьи, 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^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.

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 10²⁴ частиц (последовательностей). Тогда относительная доля гомохиральных цепей среди всех прочих (примерно 2^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 10⁵⁰). 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».

Конечно, то, что мы можем подразумевать под биологической эволюцией, должно принципиально отличаться от того, что мы понимаем под химической эволюцией.

Что такое «алгоритмическая химия»? При всей кажущейся неопределенности этого вопроса, вполне ясный ответ на можно найти в нескольких работах. Я остановлюсь здесь на одной из них — модели эволюции квазивидов по двум причинам. Это, пожалуй, самый яркий и поучительный пример эволюционной модели вполне общего положения, отражающий «дарвиновскую» парадигму отбора и «принципы самоорганизации» нелинейных диссипативных систем. И, кроме того, данная эволюционная модель вполне отвечает популярной сейчас концепции «эволюции РНК-мира».

Имеется три типа процессов. Первый — это копирование последовательностей Ii. Количество точных копий последовательности Ii, производимых в единицу времени, пропорционально вероятности точного копирования Wii = p^N, где p — относительная вероятность точного копирования отдельного звена последовательности Ii. Здесь можно говорить о малых и больших «мутационных прыжках». Второй процесс — это деструкция последовательностей Ii. Bi — параметр скорости деструкции. Отметим, что величина, характреризующая «способность к выживанию» последовательности Ii и может быть названа «фитнесом квазивида Ii». Наконец, третий процесс представляет собой просто поток, вымывающий полимерные цепи из реакционного объема.

Теперь поясним, как в такой системе происходит отбор. Пусть имеется некоторый набор последовательностей с различным значением фитнесов. Пусть среди них имеется так называемая главная последовательность I «нулевое» с максимальным значением фитнеса. Предположим, что последовательности копируются абсолютно точно. Тогда сначала начнут расти концентрации тех последовательностей, фитнес которых выше среднего (по начальному распределению) значения фитнеса. Концентрации последовательностей с меньшим фитнесом будут уменьшаться. Это, в свою очередь, приведет к росту среднего значения фитнеса. В результате начнут вымываться последовательности с большим значением фитнеса и среднее значение фитнеса снова возрастет. Процесс последовательного вымывания последовательностей с все большими и большими значениями фитнеса будет продолжаться до тех пор, пока не останется главная последовательность I «нулевое» с максимальным значением фитнеса.

Рассмотрим теперь случай, когда копирование сопровождается ошибками. Тогда, помимо главной последовательности I «нулевое» будут «выживать» и другие последовательности. По мере уменьшения точности копирования, сначала будут «выживать» последовательности, отличающиеся от главной одной мутацией, затем двумя мутациями и т. д. Если точность копирования достаточно высока, то большинство последовательностей будут по-прежнему «вымываться» из объема и конечное распределение будет оставаться достаточно узким. Такой режим сохраняется до тех пор, пока вероятность мутационных прыжков на большие расстояния остается исчезающе малой.

Конечно с уменьшением точности копирования вероятность реализации «большого мутационного прыжка» в единичной копии растет. Главное, однако не в этом. Главное в том, что число способов реализации таких больших «прыжков» растет комбинаторно (экспоненциально) с ростом длины прыжка. Поэтому, если последовательности достаточно длинные, то даже небольшое уменьшение точности копирования одного звена может привести к катастрофическим последствиям. Начиная с некоторого уровня точности копирования, каждая последовательность будет продуцировать совершенно произвольные копии и любое начальное их распределение быстро превратится в биномиальное. В этом режиме система полностью теряет способность к отбору.

Переход в режим эволюции без отбора происходит настолько резко, что это явление было названо катастрофой ошибок. Отбор имеет место лишь до некоторого критического значения точности копирования pc, которое называется барьером ошибок. Заметим, что поскольку статистика ошибок при копировании подчинена биномиальному распределению, то (1 − p)N есть среднее число ошибок в единичной копии длины N. Поэтому условие отбора имеет очень простой смысл — среднее число ошибок в единичной копии не должно превышать единицы.

Хотелось бы еще раз подчеркнуть, что это условие возникает не из-за значительного уменьшения точности копирования одного звена, а главным образом из-за экспоненциально большого числа путей реализации больших мутационных прыжков при копировании достаточно длинных цепей.

Данное условие может рассматриваться как своего рода критерий, отделяющий «алгоритмическую химию» от «стохастической химии».

Теперь я хотел бы изложить наше понимание того, в чем состоит проблема перехода от «стохастической химии» к «алгоритмической химии».

Контуры проблемы. Наше видение проблемы основано на предположении, что катастрофа ошибок является естественным атрибутом не только биологической эволюции, но, что принципиально, и предбиологической эволюции. Как показывают оценки, ярко выраженная катастрофа ошибок имеет место уже для последовательностей длиной примерно 50 звеньев. Помимо всех прочих «химических» проблем, природе приходилось решать еще один важный вопрос — как быть с катастрофой ошибок при копировании последовательностей от десятков звеньев до нескольких сотен звеньев.

В рамках концепции отбора имеется только один рецепт решения этой проблемы: уже на предбиологической стадии, эволюция информационных структур (последовательностей) в направлении возрастания их сложности должна поддерживаться специфическими функциями. Разумеется, мы не считаем бессмысленным продолжать поиск «простейших» структур, способных выполнять такие функции. Это направление «эволюционной мысли» продолжает оставаться традиционным, а с традициями нужно обращаться бережно. Однако нам представляется, если угодно, более интересным исследовать совершенно другое направление. Мы подозреваем, что решение проблемы предбиологической эволюции скрыто в самой природе динамики сложных системы, в большей степени, чем в специфичности тех или иных химических превращений.

Почему динамика сложных системы столь привлекательна? Прежде всего потому, что именно здесь возникает иерархичность — тот тип организации, который является совершенно общим для биологических систем.

В самом общем виде, задача может быть сформулирована в виде простого вопроса. Как описать иерархическую динамику сложной системы, когда возможны как малые, так и большие «мутационные прыжки». Можно ли при этом, сохранять и передавать информацию, или она быстро теряется? Интерес к такой задаче в последнее время проявляется совершенно явный. Однако все, что пока сказано по этому поводу, состоит из качественных рассуждений. Развитие аналитических моделей, пригодных для описания иерархической динамики сложных систем, является сейчас главной целью наших исследований.

Контуры задач. Чтобы описать эволюцию сложной системы в пространстве последовательностей, необходимо, как и в модели эволюции квазивидов, каждой последовательности приписать некоторое значение фитнеса. Эта характеристика играет в эволюционных моделях роль, аналогичную энергии в физических системах. Различие лишь в том, что физическая система стремится к состояниям с минимумом энергии, а эволюционная система стремится к состояниям с максимумом фитнеса.

Задав значения фитнесов для каждой последовательности мы можем построить некоторую поверхность фитнесов в многомерном пространстве последовательностей. Такую многомерную поверхность называют ландшафтом фитнесов. В этих терминах, предбиологическую эволюцию можно описать некоторым случайным процессом, характер которого определяется структурой многомерного ландшафта фитнесов.

Какие ландшафты фитнесов следует выбрать? Кажется естественным исходить из предположения, что на предбиологическом этапе эволюции значения фитнесов определялись большим числом случайных факторов. В этом случае ландшафт фитнесов можно генерировать случайным алгоритмом. При этом оказывается, что число максимумов на таких случайных многомерных ландшафтах исключительно велико. Для пространств последовательностей размерности N >> 1, включающих 2^N состояний, число максимумов оказывается порядка 2^aN, где a — немногим меньше единицы. Таким образом, возникает задача о случайном блуждании на экстремально пересеченных ландшафтах, с огромным числом «пиков» и «впадин».

Примечательно, что с подобными ландшафтами (только энергетическими) сталкиваются в стеклах, кластерах, макромолекулах и биополимерах. Исследование свойств сильно пересеченных многомерных ландшафтов, исследование динамики систем, характеризующихся такими ландшафтами является сейчас едва ли не самым актуальным направлением в физике сложных систем. И именно в этих исследованиях был найден тот «ключ», который открывает «нужную дверь» на пути построения теории динамики сложных систем. Оказалось, что локальные энергетические минимумы на сильно пересеченных многомерных ландшафтах обладают примечательным свойством. Они группируются в своего рода «кластеры» различных масштабов, вложенные друг в друга иерархическим образом. Иерархический порядок оказывается единственно возможным в условиях «конфликта интересов», присущего сложным системам.

Несколько заключительных замечаний. Важным элементом теории предбиологической эволюции, как нам представляется, могут оказаться модели возникновения и развития иерархического типа организации. Построение таких моделей трудная, и пока не решенная задача. Не вполне ясны даже те принципы, которые можно было бы положить в основу соответствующих теоретических конструкций. В действительности, эта задача является центральной во многих областях, где исследуется динамика сложных систем, в частности, в проблеме фолдинга белка. В этом смысле, возможно, процесс фолдинга белка можно рассматривать как прототип процесса предбиологической эволюции.

Можно ли моделировать биологическую эволюцию в терминах «блуждания на многомерных иерархических ландшафтах фитнесов»? Окончательного ответа пока тоже нет. Добиться прогресса в развитии теоретических методов исследования подобных моделей удалось только в самое последнее время. Окажется ли это достаточным, чтобы получить ответы на подобные вопросы, покажет ближайшее будущее.

Библиография

Аветисов В. А., Гольданский В. И. Физические аспекты нарушения зеркальной симметрии биоорганического мира//Успехи физических наук. 1996. № 166.

Аветисов В. А., Гольданский В. И. Нарушение зеркальной симметрии и возникновение жизни/Наука и человечество. М., 1997.

Гольданский В. И., Кузьмин В. В. Спонтанное нарушение зеркальной симметрии в Природе и происхождение жизни//Успехи физических наук. 1989. № 157 (1).

Гутина В. Н., Кузьмин В. В. Теория молекулярной диссимметрии Л. Пастера/История и современность. М., 1990.

Морозов Л. Л. Несохраняющаяся четность в молекулярном мире организмов//Природа. 1977. № 1.

Avetisov V. A., Goldanskii V. I., Kuzmin V. V. Handedness, Origin of Life and Evolution//Physics Today. 1991. № 44.

Avetisov V. A. Biomolecular homochirality emergence: complexity, hierarchicity and Dynamics/Fundamental of Life/Eds. L. Gaglioti, G. Palyi, C. Zucchi. Amsterdam; Elsevier, 2001.

Bonner W. A. Chirality and Life//Origins of Life and Evolution of the Biosphere. 1993. № 25.

Keszthelyi L. Origin of the homochirality of biomolecules//Quarterly Reviews of Biophysics. 1995. № 28 (4).

Kostyanovsky et al. Resolution of racemates with achiral reagents//Mendeleev Communications. 2000. № 3.

Kostyanovsky et al. Chiral drugs via the spontaneous resolution//Mendeleev Communications. 2002. № 1.

Morozov L. L. Mirror symmetry breaking in biochemical evolution//Origins of Life. 1979. № 9.

Тема № 255

Эфир 20.05.2003

Хронометраж 52:30

www.ntv.ru

Сайт управляется системой uCoz