|
gordon0030@yandex.ru |
||||||
Архив выпусков | Участники | |||||||
Принцип Левинталя |
↓№ 115↑ 28.05.2002 1:15:00 | ||||||
Что общего между игрой в шахматы, фолдингом белка, спиновыми стеклами и возникновением жизни? Как выглядит биологическая реальность и изучают ли себя биологические молекулы? Существуют ли общие законы возникновения и эволюции иерархических систем? Об этом сегодня после полуночи доктор Тезисы для дискуссии: • Жизнь во Вселенной: закономерная случайность? • Существует ли особая, «биологическая» реальность? • Как выглядит «биологическое» пространство и «биологическое» время? • Что общего между фолдингом белка, игрой в шахматы, спиновыми стеклами и возникновением жизни? • Изучают ли себя биологические молекулы? • Появление человека — случайность или предопределенность? • Пользуется ли Природа той же логикой, что и человек? • Существуют ли общие законы возникновения и эволюции иерархических систем? • Где мы находимся — в эволюционном прошлом, настоящем или будущем? • Предсказуемо ли наше развитие? Обзор темы Один из основоположников квантовой механики, Эрвин Шредингер, в своей книге «Что такое жизнь: физический аспект живой клетки», писал: «Из общей картины наследственного вещества, нарисованной Дельбрюком, следует, что деятельность живой материи, хотя и основана на законах физики, установленных к настоящему времени, но, по видимому, подчиняется до сих пор неизвестным другим законам физики, которые, однако, как только они будут открыты, должны будут составить такую же неотъемлемую часть этой науки, как и первые». Едва ли не самой яркой иллюстрацией такого положения в физике биологических систем является так называемый «парадокс Левинталя», имеющий отношение к фолдингу — процессу пространственной укладки белковой полимерной структуры. Этот парадокс впервые был сформулирован С. Левинталем в 1968 году и заключается в следующем: как, почему, каким путем за небольшое время белковая полимерная цепь находит нужный способ укладки среди гигантского числа всех мысленно возможных. Как это происходит — одна из наиболее интригующих проблем в физике. Эрвин Шредингер очень емко назвал белки «апериодическими кристаллами». Симметрия (периодичность) делает кристалл упорядоченным и простым. В биологических структурах нет той симметрии, какая есть в кристаллических, и именно отсутствие симметрии (апериодичность) делает биомолекулярные структуры «неупорядоченными» и сложными. Сколько, например, вариантов структуры кристаллического типа с заданным типом симметрии можно построить из 200 элементов? Один, или несколько — в зависимости от типа симметрии, но всегда очень немного. А сколько вариантов структуры «биомолекулярного» типа можно построить из 200 (условных) шариков или кубиков? Выясняется, что число таких вариантов невообразимо большое — это, примерно, 10100. Почему здесь говорят о «новой физике»? Ведь современная физика — это очень мощный инструмент исследования сложнейших процессов. Однако даже такой мощный теоретический аппарат оказывается явно недостаточным для преодоления тех трудностей, которые возникают при вторжении в мир биологических процессов. И дело не в громоздкости вычислений. Похоже на то, что существуют принципиальные ограничения на допустимую сложность задач, поддающихся решению в рамках сложившейся «физической логики», это так называемые задачи полиномиальной сложности. Но существует множество задач, имеющих, кстати сказать, важное прикладное значение, которые относятся к задачами принципиально другой, экспоненциальной сложности. Поразительно, что природа Еще одна загадка подобного сорта относится к эволюции. Как это ни парадоксально, достижения молекулярной биологии привели к тому, что представления о факторах, способствующих возникновению жизни, стали еще более расплывчатыми. Конечно, можно заявить, что жизнь зарождается в безжизненной органической среде, как только создаются необходимые условия. Но каковы эти условия? 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 так же, как «реликтовое излучение» в современной космологии? В основу разрабатываемого лабораторией Что это такое? Диссимметрия биоорганических соединений была открыта еще Луи Пастером. Молекулы, в которых имеется асимметрический центр, например, атом углерода, связанный с четырьмя разными соседями, могут существовать в виде двух 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. Пастер, исследуя различные продукты жизнедеятельности организмов, обнаружил, что их растворы оптически активны, т. е. содержат один из зеркальных изомеров в избытке. В результате он пришел к выводу, что молекулярная основа жизни асимметрична. И феномен состоит в том, что мы наблюдаем на Земле только одну форму жизни, зеркально антиподной формы этой жизни мы не наблюдаем. Нет никаких свидетельств, что существовала Хиральная специфичность живого имеет еще одно уникальное свойство. Известно, что ДНК, РНК и С точки зрения хиральности эти биополимеры обладают общим примечательным свойством — нуклеотидные звенья РНК и ДНК имеют только Таким образом, помимо, так сказать, «глобального» нарушения зеркальной симметрии, можно выделить еще два важнейших аспекта хиральной специфичности биоорганического мира. Но почему же Но это еще не все. В отсутствие энантиоспецифических ферментов, способных точно распознавать хиральную конфигурацию звеньев в процессе сборки цепей, самовоспроизведение гомохиральных полимеров может осуществляться только в хирально чистой среде. А в рацемической среде — как в игре в испорченный телефон — рано или поздно будет утеряна любая, даже самая простая информация, записанная природой на полинуклеотидной цепочке. Вот почему хиральная специфичность биоорганического мира — память о тех стадиях эволюции, которые, возможно, непосредственно предшествовали зарождению жизни. Еще совсем недавно считалось, что в добиологической химической среде невозможно возникновение гомохиральных структур, поскольку химическая система стремиться к максимальной энтропии, то есть к рацемической смеси, равенству правого и левого. В тоже время в физике хорошо известны процессы, когда упорядоченность возникает скачкообразно и самопроизвольно, спонтанно (например, такова кристаллизация). Возникновение порядка из хаоса характерно и для химии, биологии, экологии и даже социальной жизни. Это оказалось настолько важно, что возникла специальная область науки — синергетика, исследующая сложные взаимосвязи усиливающих друг друга процессов, приводящих к смене эволюционного развития системы скачкообразным изменением ее важнейших свойств и качеств. Илья Пригожин одним из первых предположил, что возникновение жизни шло по этому пути. Тогда же в середине Впервые реализовать эксперименты, целью которых была реакция, спонтанным образом превращающая систему в хирально чистую, удалось группе японских ученых профессора Кенсо Соаи, который осуществил процесс спонтанного нарушения зеркальной симметрии в ходе автокаталитической реакции с участием нескольких органических реагентов. Ему удалось показать, что начиная с очень небольшого энантиомерного избытка, несколько долей процента, можно получить смесь, в которой одного энантиомера на несколько десятков процентов больше другого. Таких результатов до этого не получал никто. Речь в данном случае идет о спонтанном нарушении симметрии непосредственно в ходе химической реакции. Работа имела широкий резонанс и инициировала множество подобных экспериментов. То, что зеркальная симметрия может нарушаться именно в реакциях автокаталитического типа, впервые было теоретически предсказано английским ученым Чарльзом Франком в 1953 году, и как раз в связи с проблемой возникновения феномена нарушения зеркальной симметрии биоорганического мира. Однако долгое время считалось, что автокаталитические стереохимические реакции вряд ли можно реализовать. Спустя почти 25 лет, в большой серии работ Л. Л. Морозова, В. В. Кузьмина, В. И. Гольданского и В. А. Аветисова была развита теория спонтанного нарушения зеркальной симметрии в химических системах. Эксперимент Соаи подтвердил разумность теоретических выводов наших ученых. В результате этих исследований был найден принципиально новый способ получения хирально чистых органических соединений. Так что, великая загадка Л. Пастера была решена? Выяснилось, что нет! В последующих работах В. А. Аветисова и В. И. Гольданского было показано, что нарушение зеркальной симметрии органической среды, если таковое и было на предбиологической стадии, не могло привести к возникновению гомохиральных макромолекулярных структур типа ДНК, РНК или белков. Нарушение зеркальной симметрии не могло открыть дверь в мир биологических структур и функций — именно Говоря о биологических структурах необходимо ясно осознавать, что даже в масштабах всей Вселенной и на всем времени ее существования, доля реализуемых вариантов таких структур исключительно мала в сравнение с числом мысленно возможных альтернатив. В физике же хорошо знают, как работать с принципиально другими системами и процессами, когда каждая из возможных альтернатив может реализоваться много раз. А в биологических системах все, как раз, наоборот. Практически любая нетривиальной биофизическая проблема, касается ли это, например, фолдинга белка или происхождения жизни, сводится к задаче «поиска иголки в стоге сена», к вопросу как «выйти» на уникальную, в некотором смысле, структуру (или функцию) среди невообразимо большого их числа. Природа Если рассматривать живую природу с самых общих позиций, то можно увидеть, что она устроена иерархическим образом. Биоорганический мир — это системы с существенно иерархической организацией на всех уровнях — молекулярном, субклеточном, клеточном и видовом. Но, кстати, как это ни удивительно, иерархии возникают и в физических системах, не имеющих прямого отношения к биологическим — в спиновых стеклах, кластерах, наночастицах, больших молекулах — это всё «неупорядоченные» сложные системы. Например, в спиновых стеклах, когда берется трехкомпонентный состав АBC, в котором пара АB представляет собой ферромагнетик, а пара BС, — антиферромагнетик. В ферромагнетике спины (элементарные магнитные моменты) стремятся «выстроиться» параллельно друг другу, а в антиферромагнетике — антипараллельно друг другу. Если взять такую трехкомпонентную смесь и из расплавленного состояния резко заморозить до очень низких температур, получается спиновое стекло. В его структуре складывается нечто вроде Оказывается, что в такой ситуации система начинает упорядочиваться нестандартным для физики способом — в системе появляются большие группы спинов, своеобразные спиновые кластеры, в которых устанавливается пусть несовершенный, но общий для всех «порядок», а в рамках этого общего порядка каждый спин «делает, что хочет». Затем, в каждом таком кластере появляются меньшие, но более упорядоченные спиновые кластеры. Теперь поведение спина подчинено требованиям двух «властных» уровней — он должен учитывать интересы большого кластера спинов и интересы меньшего кластера, которые, кстати, могут быть различными. Наконец, в малых кластерах образуются меньшие кластеры еще более упорядоченной фазы, и так далее. Возникает иерархия вложенных друг в друга кластеров упорядоченной фазы спинового стекла. По всей видимости, у сложных систем нет другого способа оптимизировать свое состояние и поведение, похоже, что иерархия — единственный способ «примирить» сложность и случайность. Однако понять этот феномен оказалось неожиданно трудно, потому что, как выяснилось, иерархию нельзя «вывести» из имеющихся фундаментальных физических теорий. Кстати говоря, именно то, что иерархия — естественный для биологического мира способ упорядочения, наводит на мысль, что в сложных «неупорядоченных» системах, не зависимо от того, физические они химические или биологические, возникновение иерархического порядка подчинено общим законам. Это очень важно, потому что «подсмотреть», как, например, протекала предбиологическая эволюция, нельзя, а понять общие закономерности формирования иерархических структур изучая физические системы — можно. Такое обобщение типично для теоретической физики. С точки зрения физика, расплывание капли чернил в стакане воды и процесс биологической эволюции «дарвиновского типа» за счет небольших мутаций и отбора — одно и тоже. В основе описания и того и другого лежит общеизвестная концепция случайного броуновского движения. Но что является пусковым механизмом такой иерархизации? Почему природа склоняется к такому поведению? И можно ли таким же способом решать задачи экспоненциальной сложности, ведь и фолдинг белка и проблема возникновения жизни как раз относится именно к таким задачам? Группе В. Аветисова удалось построить адекватный метод описания динамики иерархических систем. Оказалось, что динамика таких систем действительно подчиняется совершенно общим законам, не зависящим от природы самой системы. Это, конечно, достижение, потому что сконструировано уравнение, которого в физике не было, и в основе которого лежат представления, совершенно необычные для физики. В итоге был получен новый инструмент исследования — например, те результаты, которые раньше получали путем прямого моделирования случайного иерархического процесса на мощных суперкомпьютерах в Германии, «загружая» их на несколько суток, сейчас легко получить на обыкновенном компьютере используя аналитические решения этого уравнения. Оно имеет широкое поле самых разных приложений. В терминах иерархической динамики можно говорить о разных процессах — от старения полимеров и композитных материалов до эволюции видов, финансовой стратегии, устойчивости власти и общества. Это, конечно, новое и интересная область. Но кое что об общих особенностях динамики иерархических систем можно сказать уже сейчас. Например, сложные иерархические системы в принципе не могут развиваться без «потрясений». В иерархических системах нельзя пройти «большие расстояния» двигаясь «малыми шагами». Образно говоря, каков «шаг» — на столько и «уйдешь». Другое дело, что если говорить о социальных системах, то эти «потрясения» не обязательно должны быть связаны с мировыми войнами, или иными катаклизмами, уносящими огромное число людских жизней. Научно технические революции, например, в считанные годы преображают состояния огромных социумов, которые до этого существенно не менялись сотни лет. Еще одно свойство. Более развитые, многоуровневые иерархические структуры более устойчивы к резким изменениям. То есть, образно говоря, «укрепление вертикали власти» противоречит устойчивости системы, т. е. устойчивости самой власти, как это ни парадоксально звучит. Конечно, в неразвитых обществах «жесткая вертикаль власти» — порой единственный механизм государственного управления. Но эта же «вертикаль» разрушает иерархическую структуру общества. В результате, если «жесткой властью» пользоваться непозволительно долго, то произойдет социальная катастрофа — скачкообразный переход в сильно неупорядоченное состояние и затем, иерархическая структура будет создаваться заново. И это всего лишь следствия иерархической динамики. Если переложить этот подход, например, в область гипотез о возникновения жизни во вселенной, то это уравнение помогает судить о свойства того, что могло послужить началом биологической эволюции (астрофизики, кстати, не берутся судить о том, что было в точке сингулярности, в точке начала Большого Взрыва, считая, что там не работают наши сегодняшние теоретические представления). А именно в этом и заключается проблема возникновения феномена жизни. Если вопрос «что было до рождения Вселенной?» лишен физического смысла (хотя это и может показаться странным), то вопрос «что было во Вселенной до возникновения жизни», вовсе смысла не лишен. В рамках космологической теории Большого Взрыва можно описать, и это сделано, те этапы эволюции Вселенной, на которых жизнь, как молекулярный феномен, существовать не могла, скажем, в адронную эру. Но объяснить появление «биологической сингулярности» во Вселенной Но тут возникает интересный вопрос. Если считать открытое уравнение той новой физической динамикой, реально описывающей происходящие процессы, можно ли сконструировать искусственную матрицу жизни, или проблема биологической сингулярности остается пока нерешенной? Конечно, говорить, что мы до конца понимаем природу тех процессов, которые привели к «биологической сингулярности», нельзя. Процесс «выращивания» иерархической структуры в изначально беспорядочной, хаотической среде — это совершенно особая динамика. Если считать, что в фундаментальной науке большую часть жизни ученый тратит на постановку задачи (не на решение, а на постановку), то в решении проблемы о возникновении жизни, очевидно мы находимся пока в стадии «постановки задачи». Материалы к программе: Резюме статьи: C. Levinhal. Are there pathways for protein folding?//Journal of chemical physics. 1968. № 65. Денатурированные протеины, исходная трехмерная структура которых была практически полностью разрушена, могут восстанавливаться из этого разрушенного состояния и снова приобретать определенную структуру, в которой биологическая активность фактически полностью восстанавливается. Этот экспериментальный результат привел к предположению, что исходные протеины существуют в своего рода термодинамическом равновесии, с биологически активным состоянием, представляющем собой низкоэнергетическое состояние. Другим объяснением может быть то, что протеин характеризуется единственно возможным метастабильным состоянием, в котором энергия конфигурации является локально минимальной, но не обязательно абсолютно минимальной. Если верна вторая модель, то не следует полагать, что протеин находится в равновесном состоянии, и нужно предположить определенную последовательность событий, имеющих место в каждой молекуле, вследствие которых протеин достигает корректного метаболического состояния. Одним из возможных процессов, который приводит протеин к тому, чтобы прийти в определенное состояние, является увеличение пептидной цепи на рибосоме. Хотя можно предположить, что фолдинг протеина является его увеличением и, следовательно, достижением определенного метастабильного состояния, это очевидно не является необходимым условием корректного фолдинга, по крайней мере для тех протеинов, которые продемонстрировали обратимую денатурацию. Однако тот факт, что фолдинг на рибосоме не является необходимым для формирования структуры, не означает, что может быть отвергнута любая теория, предполагающая возможность фолдинга. Такая возможность предполагает В исследовании данной проблемы были использованы три подхода. Второй подход предполагал использование компьютерной молекулярной модели, построенной в попытке выведения гипотетического последовательности, каковой могут следовать протеины в процессе фолдинга. Начиная с аминокислотной последовательности, мы можем описать конфигурацию протеина — то есть позицию каждого из его атомов в пространстве — если знаем двугранный угол основной цепи, и, кроме того, угол поворота относительно соответствующего фрагмента аминокислотного остатка. Используя компьютерное моделирование, сгенерированная таким образом молекула может быть обозреваема так, что наблюдатель видит трехмерные связи в структуре. Компьютерная программа написана так, что любая конфигурация может быть изменена для минимизации энергии Ван дер Ваальса и для достоверной компактности структуры. Кроме того, исследователь может изменять компьютерную модель так, как если бы он имел физическую модель, в которой изменение положения одной части меняет расположение другой. Следовательно, компьютерная модель не была предназначена для нахождения структур с минимальной энергией, а, скорее, для помощи в переборе различных последовательностей процесса фолдинга. Эта система была использована в попытке описать процесс фолдинга для протеина цитохром С. Таким способом были получены гипотетические структуры, согласующиеся со всеми известными химическими взаимодействиями в молекуле. Однако, здесь не определялась степень вероятности предполагаемого процесса фолдинга. Наконец, эта компьютерная модель использовалась для попытки построения гипотетического процесса фолдинга для миоглобина лизоцима. Библиография Аветисов В. А., Гольданский В. И. Физические аспекты нарушения зеркальной симметрии биоорганического мира//Успехи физ. наук. 1996. Т.166. Владимиров В. С., Волович И. В., Зеленов Е. И. Чернавский Д. С. Проблема происхождения жизни и мышления с точки зрения современной физики//Успехи. физ. наук. 2000. № 170. Шредингер Э. Что такое жизнь?: Физический аспект живой клетки. Ижевск, 1999. Avetisov V. A., Goldanskii V. I., Kuzmin V. V. Handedness, Origin of Life and Evolution//Physics Today. 1991. V.44. Avetisov V. A., Bikulov A. Kh., Kozyrev S. V., Osipov V. A. Levinthal C. Are there pathways for protein folding?//J. Chem. Phys. 1968. V.65. Тема № 115 Эфир 28.05.2002 Хронометраж 1:15:00 |
|||||||