Вы не вейтесь, Eiweisskörper, над моею головой (часть 3)
В прошлой заметке этой серии речь шла о том, что некоторые популярные в области исследований происхождения жизни модели основаны на использовании ныне существующих биомолекул или ныне же существующих синтетических молекул. А могли ли они существовать в то далекое время?
Первый успешный эксперимент по моделированию самопроизвольного образования биомолекул в условиях примитивной Земли стал классическим, а изображение стеклянной установки для его проведения попало в большинство школьных учебников, которые бодро объясняют детям, что проблема была решена, что несомненно является преувеличением.
Стенли Миллер со своей стеклянной колбой
Что же это за аппарат и что нам рассказали эксперименты в нем? Герметично запаянный аппарат сделан из стекла и наполнен смесью газов, которые должны имитировать земную атмосферу тех далеких времен. Аппарат содержит нагреваемую колбу с водой, которая имитирует в свою очередь испарение с поверхности океана, а также колбу с парой запаянных электродов, между которыми происходят электрические разряды, имитирующие молнию. Затем водяной пар проходит через холодильную рубашку и конденсируется в ловушке, где накапливается вода с растворенными в ней продуктами реакции.
Схема аппарата Миллера и Юри
Анализ этих продуктов показал присутствие многих аминокислот - “кирпичиков”, из которых состоят белки - и некоторых сахаров. Количество образовавшихся аминокислот было порядка нескольких миллиграммов. Подавляющую часть составляли две самые простые аминокислоты - глицин и аланин, а остальные, если и присутствовали, то в количествах в 100-10000 раз меньших, чем глицин и аланин.
За этим синтезом последовали многочисленные эксперименты, построенные по такому же образцу. Так, например, было показано абиогенное образование аминокислот в растворе формальдегида и аммиака под действием ультрафиолетового излучения, которое должно было быть главным источником энергии на Земле в те времена, когда она была лишенной озонового слоя (а отнюдь не молоньи электрические разряды).
К подобным изысканиям и приложил руку ваш смиренный корреспондент в бытность свою студентом. Прежде чем двигаться дальше по сюжетной линии, позвольте мне заверить вас, что среди коллег, с которыми мне довелось заниматься описываемыми здесь делами, были замечательные люди и хорошие специалисты. Так что никакой скрытой неприязни к кому бы то ни было эти заметки не отражают. Напротив, я очень рад тому, что познакомился с чудесными людьми, со многими из которых я дружен до сих пор, хотя жизнь разбросала большинство из нас по разным странам.
Поскольку к середине 70х годов синтез «кипричиков» биомолекул считался уже старой новостью, а вот абиогенный синтез коферментов* еще не был хорошо изучен, мы взялись за птеридин - вещество, которое образует важную часть фолиевой кислоты**. Птеридин похож на гуанин, одно из азотистых оснований, входящих в состав ДНК и РНК. Поэтому был приготовлен литр с лишком раствора гуанина, туда добавлена пировиноградная кислота как источник углерода, жидкость продули азотом, чтобы избавиться от вредного кислорода, залили в кварцевый сосуд и долго облучали все это ультрафиолетом. Не входя в подробности анализа, скажу, что среди продуктов были соединения, проявляющие свойства птеридинов, что и знаменовало нашу полную победу и одоление.
В общем и целом, сообщество исследователей происхождения жизни принимает возможность синтеза малых биомолекул в условиях примитивной Земли доказанным фактом, хотя критический взгляд на эту проблему открывает нам, что не все так просто.
На банках надпись: Первичный бульон
Во-первых, не вполне ясно каковы были те условия, которые следует моделировать. Атмосфера в опыте Миллера и Юри (это колба с электродами, если что) состояла из метана, аммиака и водорода в предположении, что первичные газы туманности, из которой согласно принятым среди геохимиков и астрофизиков воззрениям образовалась Земля, еще не убежали в космос. Однако не позднее, чем через 10 лет взгляды научного сообщества поменялись и стало модным считать, что атмосфера ранней Земли была вулканического происхождения.
Состав вулканических газов мало напоминает водородно-аммиачно-метановую атмосферу в знаменитой колбе и представляют смесь преимущественно углекислого и сернистого газов. Опыты Миллера и Юри в атмосфере, напоминающей вулканические выбросы, показали уменьшение количества образующихся биомолекул на многие порядки (т.е. в десятки, сотни и более раз). Правда, еще позднее было сделано предположение о том, что атмосфера примитивной Земли состояла из углекислого газа и водорода и более способствовала абиогенному синтезу, чем углекисло-сернистая смесь. Так или иначе, любая модель подобного рода основана на некоторых предположениях о составе той атмосферы и результат сильно зависит от того, какое из них мы сочтем правильным.
Во-вторых, даже в «удачных» условиях не все ныне существующие биомолекулы образуются в модельных условиях, а те, что образуются, образуются в очень маленьких количествах. Более того, продукты надо немедленно защищать от тех условий, в которых они возникли, а то эти же самые условия (ультрафиолет, искра) их разрушат - для того в классическом аппарате Миллера-Юри была сделана ловушка, а в рассказе о тех далеких временах присутствует объяснение «на пальцах», что образование биомолекул шло в воздухе или в верхних слоях океана, а затем эти вещества очень быстро оказывались в толще воды и накапливались на дне океана/лагуны/пруда, где они были защищены от разрушительного ультрафиолета и проч.
Игнорируя много прочих проблем, которые наука «безусловно решила или несомненно вот-вот решит», остановимся еще на том, что в подобных экспериментах были получены кирпичики белков - аминокислоты, но не цепочки аминокислот - пептиды (белки и представляют собой длинные пептиды, иногда с усложняющими элементами). И это совершенно понятно; термодинамика реакции образования пептидной связи такова, что гидролиз пептидов (т.е. их распад на составные аминокислоты в присутствии воды) идет самопроизвольно, а образование пептидов из аминокислот, при котором вода выделяется, самопроизвольно не идет, но требует правильно организованной затраты энергии.
Экспериментов по синтезу белковоподобных веществ в условиях, имитирующих первичную Землю, провели немало. Один из самых плодотворных из них был выполнен в условиях, когда из окружения аминокислот воду вовсе исключили. Аминокислоты в океане на первичной Земле образовывались? Образовывались. Вода высыхала в районах сильного перегрева (мелкие лужи и лагуны в районах вулканической активности)? Могла. Ведь тогда порошкообразные аминокислоты несомненно покроют поверхность толстым тонким слоем? К бабке не ходи.
Давайте поэтому смешаем и тщательно разотрем щепотку-другую сухих аминокислот (разумеется, в ступке, сделанной из вулканических пород), а затем запечем их прямо в ступке при температуре выше точки кипения воды. Получается янтарного цвета продукт, который можно растворить в воде и который состоит из аминокислот и содержит пептидные связи. Автор этого подхода Сидней Фокс назвал такой продукт протеиноидом (если протеин это белок, то протеиноид - белковоподобный).
Сидней Фокс (ни трубки, ни Сальвадора Дали рядом - неправильный учОный, спасает только то, что в очках)
Успех был удивительный; не только был получен «почти белок», но этот «почтибелок», растворившись в воде, образовывал структуры, которые Фокс назвал микросферами. Микросферы были во многом похожи на коацерваты, но были изготовлены из полученного в предбиологических условиях полимера. Были все основания считать их отличными моделями предбиологических структур. И действительно, микросферы почковались и делились, как и полагается продвинутой модели пробионтов. Если почитать восторженных медийных комментаторов тех времен, то некоторые говорили о «живых микросферах».
Электронно-микроскопическая фотография микросфер; обратите внимание, они почкуются
Однако у модели были и серьезные проблемы. Протеиноид действительно получали из аминокислот и они действительно образовывали друг с другом пептидные связи. Но бОльшая часть связей были неправильными. Настоящий белок представляет собой цепочку аминокислот, а протеиноид имеет ветвистую структуру - с точки зрения белковой химии очень неправильную.
Но еще более серьезная проблема моделей, подобных протеиноидным микросферам, заключается в том, что в реальной жизни синтез белка, а также кодирующих его нуклеиновых кислот - ДНК и РНК - матричный. Белок в клетке не синтезируется как случайная комбинация «попавшихся под руку» аминокислот, а имеет хорошо определенную структуру, которая «считывается» со структуры матричной РНК, которая в свою очередь считывается со структуры ДНК. «Перевод» с языка ДНК и РНК на язык белка осуществляется в клетке сложной системой «клеточного перевода».
Ничего подобного не происходит при абиогенном образовании пептидов или протеиноидов. Положим, они образуются при испарении первичного бульона на раскаленной вулканической лаве или при точном попадании метеорита в лужу, наполненную этим бульоном. Абиогенные белки образуют структуры, которые растут и почкуются вволю, но за счет чего? Или за счет новообразованного вещества подобного рода (океан большой, вулканов много и все они натурально извергаются), или за счет вещества распавшихся пробионтов.
Но несмотря на рост и почкование, матричного синтеза белков такие пробионты делать не умеют. Как же он возникнет в подобной системе? Разумеется, можно сказать «прошли миллионы лет», но это помогает только в фильмах на канале Дискавери, а у научников «не катит» даже среди своих. Ну не ясно откуда тут взяться матричному синтезу и все тут. А без этого получается какой-то чистой воды Геккель. Объяснение на пальцах, и ничего более.
Поэтому проблему надо было решать.
Продолжение следует
*Коферменты это малые небелковые молекулы, которые связываются с белковой частью некоторых ферментов (не всем ферментам нужны коферменты) и играют важную роль в том, что ферменты делают (а они занимаются катализом, ускоряют химические реакции в клетке). Витамины нередко являются коферментами или их биологическими предшественниками.
**Этот витамин вам хорошо известен, если вы смотрите на состав поливитаминных таблеток перед тем или после того, как вы их принимаете.
Первый успешный эксперимент по моделированию самопроизвольного образования биомолекул в условиях примитивной Земли стал классическим, а изображение стеклянной установки для его проведения попало в большинство школьных учебников, которые бодро объясняют детям, что проблема была решена, что несомненно является преувеличением.
Стенли Миллер со своей стеклянной колбой
Что же это за аппарат и что нам рассказали эксперименты в нем? Герметично запаянный аппарат сделан из стекла и наполнен смесью газов, которые должны имитировать земную атмосферу тех далеких времен. Аппарат содержит нагреваемую колбу с водой, которая имитирует в свою очередь испарение с поверхности океана, а также колбу с парой запаянных электродов, между которыми происходят электрические разряды, имитирующие молнию. Затем водяной пар проходит через холодильную рубашку и конденсируется в ловушке, где накапливается вода с растворенными в ней продуктами реакции.
Схема аппарата Миллера и Юри
Анализ этих продуктов показал присутствие многих аминокислот - “кирпичиков”, из которых состоят белки - и некоторых сахаров. Количество образовавшихся аминокислот было порядка нескольких миллиграммов. Подавляющую часть составляли две самые простые аминокислоты - глицин и аланин, а остальные, если и присутствовали, то в количествах в 100-10000 раз меньших, чем глицин и аланин.
За этим синтезом последовали многочисленные эксперименты, построенные по такому же образцу. Так, например, было показано абиогенное образование аминокислот в растворе формальдегида и аммиака под действием ультрафиолетового излучения, которое должно было быть главным источником энергии на Земле в те времена, когда она была лишенной озонового слоя (а отнюдь не молоньи электрические разряды).
К подобным изысканиям и приложил руку ваш смиренный корреспондент в бытность свою студентом. Прежде чем двигаться дальше по сюжетной линии, позвольте мне заверить вас, что среди коллег, с которыми мне довелось заниматься описываемыми здесь делами, были замечательные люди и хорошие специалисты. Так что никакой скрытой неприязни к кому бы то ни было эти заметки не отражают. Напротив, я очень рад тому, что познакомился с чудесными людьми, со многими из которых я дружен до сих пор, хотя жизнь разбросала большинство из нас по разным странам.
Поскольку к середине 70х годов синтез «кипричиков» биомолекул считался уже старой новостью, а вот абиогенный синтез коферментов* еще не был хорошо изучен, мы взялись за птеридин - вещество, которое образует важную часть фолиевой кислоты**. Птеридин похож на гуанин, одно из азотистых оснований, входящих в состав ДНК и РНК. Поэтому был приготовлен литр с лишком раствора гуанина, туда добавлена пировиноградная кислота как источник углерода, жидкость продули азотом, чтобы избавиться от вредного кислорода, залили в кварцевый сосуд и долго облучали все это ультрафиолетом. Не входя в подробности анализа, скажу, что среди продуктов были соединения, проявляющие свойства птеридинов, что и знаменовало нашу полную победу и одоление.
В общем и целом, сообщество исследователей происхождения жизни принимает возможность синтеза малых биомолекул в условиях примитивной Земли доказанным фактом, хотя критический взгляд на эту проблему открывает нам, что не все так просто.
На банках надпись: Первичный бульон
Во-первых, не вполне ясно каковы были те условия, которые следует моделировать. Атмосфера в опыте Миллера и Юри (это колба с электродами, если что) состояла из метана, аммиака и водорода в предположении, что первичные газы туманности, из которой согласно принятым среди геохимиков и астрофизиков воззрениям образовалась Земля, еще не убежали в космос. Однако не позднее, чем через 10 лет взгляды научного сообщества поменялись и стало модным считать, что атмосфера ранней Земли была вулканического происхождения.
Состав вулканических газов мало напоминает водородно-аммиачно-метановую атмосферу в знаменитой колбе и представляют смесь преимущественно углекислого и сернистого газов. Опыты Миллера и Юри в атмосфере, напоминающей вулканические выбросы, показали уменьшение количества образующихся биомолекул на многие порядки (т.е. в десятки, сотни и более раз). Правда, еще позднее было сделано предположение о том, что атмосфера примитивной Земли состояла из углекислого газа и водорода и более способствовала абиогенному синтезу, чем углекисло-сернистая смесь. Так или иначе, любая модель подобного рода основана на некоторых предположениях о составе той атмосферы и результат сильно зависит от того, какое из них мы сочтем правильным.
Во-вторых, даже в «удачных» условиях не все ныне существующие биомолекулы образуются в модельных условиях, а те, что образуются, образуются в очень маленьких количествах. Более того, продукты надо немедленно защищать от тех условий, в которых они возникли, а то эти же самые условия (ультрафиолет, искра) их разрушат - для того в классическом аппарате Миллера-Юри была сделана ловушка, а в рассказе о тех далеких временах присутствует объяснение «на пальцах», что образование биомолекул шло в воздухе или в верхних слоях океана, а затем эти вещества очень быстро оказывались в толще воды и накапливались на дне океана/лагуны/пруда, где они были защищены от разрушительного ультрафиолета и проч.
Игнорируя много прочих проблем, которые наука «безусловно решила или несомненно вот-вот решит», остановимся еще на том, что в подобных экспериментах были получены кирпичики белков - аминокислоты, но не цепочки аминокислот - пептиды (белки и представляют собой длинные пептиды, иногда с усложняющими элементами). И это совершенно понятно; термодинамика реакции образования пептидной связи такова, что гидролиз пептидов (т.е. их распад на составные аминокислоты в присутствии воды) идет самопроизвольно, а образование пептидов из аминокислот, при котором вода выделяется, самопроизвольно не идет, но требует правильно организованной затраты энергии.
Экспериментов по синтезу белковоподобных веществ в условиях, имитирующих первичную Землю, провели немало. Один из самых плодотворных из них был выполнен в условиях, когда из окружения аминокислот воду вовсе исключили. Аминокислоты в океане на первичной Земле образовывались? Образовывались. Вода высыхала в районах сильного перегрева (мелкие лужи и лагуны в районах вулканической активности)? Могла. Ведь тогда порошкообразные аминокислоты несомненно покроют поверхность толстым тонким слоем? К бабке не ходи.
Давайте поэтому смешаем и тщательно разотрем щепотку-другую сухих аминокислот (разумеется, в ступке, сделанной из вулканических пород), а затем запечем их прямо в ступке при температуре выше точки кипения воды. Получается янтарного цвета продукт, который можно растворить в воде и который состоит из аминокислот и содержит пептидные связи. Автор этого подхода Сидней Фокс назвал такой продукт протеиноидом (если протеин это белок, то протеиноид - белковоподобный).
Сидней Фокс (ни трубки, ни Сальвадора Дали рядом - неправильный учОный, спасает только то, что в очках)
Успех был удивительный; не только был получен «почти белок», но этот «почтибелок», растворившись в воде, образовывал структуры, которые Фокс назвал микросферами. Микросферы были во многом похожи на коацерваты, но были изготовлены из полученного в предбиологических условиях полимера. Были все основания считать их отличными моделями предбиологических структур. И действительно, микросферы почковались и делились, как и полагается продвинутой модели пробионтов. Если почитать восторженных медийных комментаторов тех времен, то некоторые говорили о «живых микросферах».
Электронно-микроскопическая фотография микросфер; обратите внимание, они почкуются
Однако у модели были и серьезные проблемы. Протеиноид действительно получали из аминокислот и они действительно образовывали друг с другом пептидные связи. Но бОльшая часть связей были неправильными. Настоящий белок представляет собой цепочку аминокислот, а протеиноид имеет ветвистую структуру - с точки зрения белковой химии очень неправильную.
Но еще более серьезная проблема моделей, подобных протеиноидным микросферам, заключается в том, что в реальной жизни синтез белка, а также кодирующих его нуклеиновых кислот - ДНК и РНК - матричный. Белок в клетке не синтезируется как случайная комбинация «попавшихся под руку» аминокислот, а имеет хорошо определенную структуру, которая «считывается» со структуры матричной РНК, которая в свою очередь считывается со структуры ДНК. «Перевод» с языка ДНК и РНК на язык белка осуществляется в клетке сложной системой «клеточного перевода».
Ничего подобного не происходит при абиогенном образовании пептидов или протеиноидов. Положим, они образуются при испарении первичного бульона на раскаленной вулканической лаве или при точном попадании метеорита в лужу, наполненную этим бульоном. Абиогенные белки образуют структуры, которые растут и почкуются вволю, но за счет чего? Или за счет новообразованного вещества подобного рода (океан большой, вулканов много и все они натурально извергаются), или за счет вещества распавшихся пробионтов.
Но несмотря на рост и почкование, матричного синтеза белков такие пробионты делать не умеют. Как же он возникнет в подобной системе? Разумеется, можно сказать «прошли миллионы лет», но это помогает только в фильмах на канале Дискавери, а у научников «не катит» даже среди своих. Ну не ясно откуда тут взяться матричному синтезу и все тут. А без этого получается какой-то чистой воды Геккель. Объяснение на пальцах, и ничего более.
Поэтому проблему надо было решать.
Продолжение следует
*Коферменты это малые небелковые молекулы, которые связываются с белковой частью некоторых ферментов (не всем ферментам нужны коферменты) и играют важную роль в том, что ферменты делают (а они занимаются катализом, ускоряют химические реакции в клетке). Витамины нередко являются коферментами или их биологическими предшественниками.
**Этот витамин вам хорошо известен, если вы смотрите на состав поливитаминных таблеток перед тем или после того, как вы их принимаете.