акад.В.Н.Пармон —
Глубокоуважаемые коллеги. Я, конечно, чувствую себя несколько не в свое тарелке, потому что мне не часто приходится выступать с сообщениями, которые не совсем соответствуют тому, чем я занимаюсь. Для начала скажу, как возник этот доклад и почему для нас, для химиков, это довольно интересно. Прежде всего, мне приходится довольно много преподавать студентам, в том числе на некоторых курсах приходится упоминать слово «биокатализ», то есть действие катализаторов в природной среде. Мне было очень приятно видеть вчера на одном из слайдов перечисленные потенциальные биокатализаторы, которые работают в природе, хотя на самом деле наиболее активные катализаторы работают на поверхности… под действием света они перемалывают всю органику до нуля. …сказал, что не было никаких следов органики. А их и не могло быть, потому что… органика всегда окислится до СО2 и воды. Ну, а второй момент: в одном из курсов, который я читаю, мне всегда приходится делать аналогии между тем, что чем отличается химическая форма движения от биологической формы движения. На самом деле вопрос не очень простой, я хотел бы обратить внимание, что до сих пор, несмотря на то, что существует больше сотни определений жизни, не было ни одного определения, которое бы давало понятие «жизнь» в тех терминах, которые нужны для химиков. Почему? Потому, что явление жизни построено на химических и на физических процессах. Нет ни одного процесса, который ушел бы в сторону, но тем не менее, водораздел есть. Мы говорим иногда — живой объект, иногда — неживой объект, ну, конечно, если человек помрет, он станет неживым объектом. Тот доклад, который я сделаю, это размышление на эту тему, ну и, в частности, покажу те эксперименты, которые мы начали поэтому поводу делать.
Прежде всего, размышления начинаются с того, а что же определяют в качестве жизни. Полтора века назад было сказано что-то о существовании белковых тел, характеризующемся обменом веществ с окружающей средой. Для химиков это очень важно. В 50-ые годы было довольно важное уточнение /буквально недавно ушел из жизни Илья Пригожин/, он добавил к этому, что жизнь — это … структуры, существующие в сильно неравновесных условиях. Диссипативные (?) структуры — это структуры, которые сами организуются. В начале 80-х добавлена следующая формулировка, что на самом деле жизнь — это гиперциклы, так называемые накручивающиеся каталитические циклы, характеризующиеся тем, что там есть автокатализ, и есть некий механизм запоминания и передачи биологической информации. Вот если так раскладывать для физхимика по полочкам — что же есть существенного в жизни — то:
- Жизнь — некий процесс, характеризующийся через живые существа, это есть функционирование за счет обмена энергией с окружающей средой.
- Способность живых существ к саморепликации (?).
- Способность к прогрессивной эволюции, наличие биологической памяти, которая позволяет делать естественный отбор.
Для нас прогрессивная эволюция — это возможность при следующем движении опираться на предыдущие достижения. Это не обязательно усложнение, но это обязательно состояние, которое можно достичь, только пройдя предыдущее.
Дальше мы можем проанализировать с точки зрения физхимиков. Что такое репликация? Просто репликация химических соединений не является жизнью. Это заведомо так. Примеры — рост кристаллов, это идет репликация. Физхимики знают, что поверхностно-активные вещества обязательно будут делиться на … — это тоже репликация. Простой обмен между веществом и средой тоже не является жизнью. То, чем занимается наш институт, это каталитические процессы, это все процессы, это обмен веществом на поверхности катализатора — это тоже не является жизнью. Существенное дополнительное отличие жизни в том, что есть именно биологическая память. Но, к сожалению, если посмотреть на те определения, которые действуют сейчас, всегда все упирается либо на РНК, либо на ДНК. То есть все современные определения жизни упираются на них. И как раз эта биологическая память позволяет уже делать… Вопрос: а возможны ли более простые предшественники РНК и ДНК? Почему? Потому, что я сейчас, Николай Леонтьевич, и до Вас дойду. Если мы упираемся в слово РНК или ДНК как необходимый атрибут жизни, то тогда мы начинаем упираться в несколько логических нестыковок. Возьмите теории зарождения жизни. Первая — самоорганизация вещества. Миллер, 40-50-ые годы: образование молекул за счет жестких физических воздействий — молнии, и т.д. Далее несколько других теорий: фазовые переходы для увеличения сложности молекул и так далее. Ни одна из этих теорий не говорит, откуда взялись первые ДНК. Дело в том, что если они образовались случайным образом, то вероятность образования такой молекулы настолько ничтожна, что этого не может быть никогда. Поэтому в ряде случаев начинают говорить о том, что жизнь, она занесенная, занесение семян жизни произошло из космоса. Даже Николай Леонтьевич говорит о том, что он все более и более склоняется к этому. Поэтому возникает вопрос — а как так?
Дальше для физхимиков аппарат рассуждений таков. Если посмотреть на химическое явление, которое больше всего соответствует явлению жизни, мы упираемся в автокаталитические реакции. Это по определению реакции, которые ускоряются продуктами реакции. Простейшая реакция: Молекула пищи + молекула автокатализатора = 2 молекулы автокатализатора. Такого в химии и в катализе известно довольно много, но вот почему-то никто не пытался проанализировать, а могут ли такие реакции обладать зачатками памяти. Как это можно попытаться рассмотреть? Можно эту реакцию рассмотреть в условиях стационарных… Процесс, который предполагается рассмотреть: есть некий поток пищи, есть автокаталитический процесс, для химии он обязательно должен быть обратимый, и есть необратимое явление смерти (захоронение, вынос за пределы системы и так далее). Так вот оказывается, что если рассмотреть концентрацию стационарного автокатализатора, она ведет себя очень интересным образом. Дело в том, что она не является просто зависящей от концентрации пищи. Есть два состояния: когда эта концентрация равна 0, либо она линейно зависит от концентрации пищи. Но есть здесь маленький финт (?). Концентрация пищи минус какая-то критическая концентрация. Это означает, что это точка бифуркации. Что будет, если автокатализаторы представляют собой молекулы, которые могут мутировать? Реакция однотипна, пища та же, а молекулы автокатализатора немного различаются по свойствам. Это значит, что точки бифуркации на разных автокатализаторах будут разными. Пищи было много, все они существовали. Начнем уменьшать количество пищи. Как только перейдем через 2 точки бифуркации, если мы снова количество пищи будем увеличивать, у нас из-за того, что затравок вот для этих автокатализаторов не осталось, останется только один. То есть те вымерли, а осталась та, которая характеризуется наименьшей концентрацией пищи. То, что здесь показано, есть некий аналог естественного отбора. Критерием такого отбора является автокатализатор, критическая концентрация пищи для которого является минимальной. С голодухи то есть.
Вопрос: а какие автокаталитические реакции мутации, то есть позволяют иметь целый набор автокатализаторов? Всплывает одна очень интересная реакция, я, собственно говоря, до сих пор только одну такую и знаю. Это реакция Бутлерова, которая была им описана в 1964 году. За рубежом эта реакция имеет название Формоза (?). Реакция синтеза сахаров в водных растворах … ионов кальция и формальдегида … щелочные структуры надо … ну и при комнатной температуре идет… 50-60-80 можно. Она интересна тем, что мы сейчас проверяем, ведь было четкое мнение, что она автокаталитическая. В 70-е годы были затрачены десятки миллионы долларов на исследование этой реакции. Ее отрабатывали для полета на Марс как источник искусственной пищи. К сожалению, ничего не удалось. Реакция считается неуправляемой. Затравка — сахара, что получаются — это набор сахаров. Мышки, покушав этих сахаров, начинают через некоторое время дохнуть. Здесь получаются сахара …, …, …, К сожалению, не было исследований о том, как ведет себя эта реакция при уменьшении пищи. Что еще очень интересно с точки зрения зарождения жизни? Основой жизни являются белки — образование белков в малоконцентрированных растворах не очень хороший термодинамический процесс. Потому что в водной среде при образовании белка выщелкивается вода. А если много воды, то гидролиз должен происходить. Для образования сахаров противодействия термодинамического нет. Это важно, это значит, что такая реакция пойдет и в очень слабоконцентрированных растворах. Теперь что такое эти мутации? Я нарисовал несколько сахаров… небольшой разворот группы … другая последовательность сочленения атомов, это в сущности уже мутации. Теперь самая интересная мутация. РНК и ДНК имеют слово в основании — рибоза. Что такое рибоза? Это сахар С5 . Вот РНК… один из нуклеотидов… фосфатная группа… ДНК — чуть-чуть маленькая модификация. Заменены две группы АТФ — обязательный элемент. На рибозу… Второе. Был формальдегид или нет? То, что говорил вчера Николай Леонтьевич, это была восстановительная атмосфера… То в присутствии… не нужны никакие разряды физические… Никель и железо на поверхности лавы при быстром охлаждении дает много формальдегида. Он всегда имел постоянную подпитку. Отсюда выводы. Две колонки: существующие по поводу жизни и что я говорил.
- ДНК и РНК. Должен быть естественный отбор, то есть изменения. То, что я показал — могут быть простейшие изменения-мутации и без ДНК и РНК.
- Пребиотический бульон, в котором зародилась жизнь, был жирным. Существует точка зрения. Для возникновения естественного отбора исходя из того, что я сказал, бульон должен быть тощим. Отбор должен тут идти, когда надо бороться за жизнь.
- Диссипативная структура или нет? Существующая точка зрения — они должны быть образованы из сложных органических молекул. Я говорил: для начала естественного отбора достаточно простейшей структуры.
- Если основываться на том, что жизнь зародилась из аминокислот, то … это термодинамически затрудненные… Если жизнь зародилась с сахаров, то она не преодолевает с формальдегидом термодинамических затруднений.
Я несколько раз допытывался — реакция Бутлерова может идти с образованием рибозы — в организмах. Откуда она берется? Если она есть, фосфаты к ней присоединяются очень просто.
Дальше — то определение, которое я пропагандирую студентам, которым я читаю лекции по физхимии. Жизнь — это фазообособленная форма существования функционирующих автокатализаторов, способных к химическим мутациям и претерпевших достаточно большую эволюцию за счет естественного отбора. ДНК и РНК сюда полностью входят тоже. Вот, собственного говоря, это всё то, что я хотел сказать.
Вопрос по реакции Бутлерова: она считается неуправляемой. Мы сейчас ставим эксперименты — очень сложная реакция, я никогда с такой не встречался. Очень много каналов. В чем же заключается рост кальция? Почему именно кальций — здесь он идет в качестве аква-иона. Почему идет репликация на кальций? Есть гипотеза Лихолобова: … локализовать вокруг иона кальция …сахар. … Это пока гипотеза. Если удастся разобраться — для каталитиков это будет очень большая удача.
Вопрос спиральности: если идет репликация постоянная… она должна реплицировать. … мог произойти с одной случайной молекулы, а дальше уже отбор. Но если серьезно относиться к тому, что я говорил — жизнь тогда зарождалась неоднократно.
В вопросе херальности. Дело в том, что сахара все херальны. Поэтому если идет репликация настоящая, ну, либо не очень искаженная, то херальность должна реплицироваться. Для того, чтобы автокаталитическая реакция из одной молекулы с определенной херальностью уже устойчиво начинала порождать именно херальные молекулы, надо немножечко эту схему усложнить. Еще пару реакций добавить. Математики специально пытались сделать такой анализ, что состояние херальности будет устойчивым. Если становиться на эту точку зрения, то так могло произойти с одной случайной молекулой.
Из зала —
А дальше уже идет отбор.
акад.В.Н.Пармон —
Да, дальше уже идет отбор. Она устойчивая, и пошло. Но если серьезно относиться к тому, что я говорил, то жизнь зарождалась неоднократно.
акад.Н.Л.Добрецов —
Возможно в разных формах…
Председатель —
Надо уже понимать, что это пошла дискуссия в виде вопросов. Хорошо.
Вопрос —
Насколько… ваш постулат о занесении белка?
акад.В.Н.Пармон —
Нет. Для физхимика, если при отборе, при определенных условиях, — мы не знаем, при каких условиях начнется отбор, здесь надо ставить эксперименты, но если там будет получаться рибоза, то жизнь, естественным путем именно она зародилась.
Вопрос —
…завтравка…
акад.В.Н.Пармон —
А зачем? Дело в том, что, поскольку реакция Бутлерова не идеальна, там образуется набор сахаров любой. Но потом начинает эффективно оттуда что-то выбираться.
акад.Н.Л.Добрецов —
Но если рибоза появилась, то она дает преимущество в реакцию. А если ее нет вообще, то она то ли появится, то ли подавится, то ли…
акад.В.Н.Пармон —
Николай Леонтьевич, вероятность образования рибозы не нулевая, она за несколько часов хотя бы одна молекула появится.
Вопрос —
Да, мы понимаем, но если вдруг такая затравка появилась, она не мешает?
акад.В.Н.Пармон —
Нет, не мешает.
Вопрос —
Просто это означает, что вначале… несколько понятий, которые…
Вопрос —
У меня маленький вопрос. Вы как бы поставили знак равенства между понятиями … и кристаллизация. Это условно? Потому что …
акад.В.Н.Пармон —
В принципе я с вами согласен, что здесь полного знака равенства ставить нельзя. Но автокатализ…
Председатель —
Еще вопросы? Нет вопросов? Тогда поблагодарим Валентина Николаевича. И попросим Валентина Викторовича Власова.