Происхождение жизни #3⁠⁠

Если кого-то пугает цифра три в названии, не надо пугаться, посты (предыдущие 1 и 2) написаны так, что можно их читать с любого места. В лучших традициях американских сериалов представляю очень краткое содержание предыдущего поста:

Известный всем по школьной программе эксперимент Миллера-Юри, направленный на поиски возможных путей происхождения жизни был проведён в относительно недалёком 1953 году. Пропуская ток через смесь, состоящую из метана, аммиака, водорода и оксида углерода, которые по логике должны были содержаться в атмосфере древней Земли (правда потом оказалось что её состав совсем другой, но про это в другом посте), учёные надеялись обнаружить нечто органическое.

И это им удалось. После несколько дней работы установки Стэнли Миллер (на фото) и Гарольд Юри получили набор самой настоящей органики, включая аминокислоты - те самые кирпичики из синтеза белка. И это был реальный прорыв.

Дальше было ещё круче - учёные открыли структуру ДНК, расшифровали генетический код, изучили механизмы копирования ДНК, сформулировали центральную догма молекулярной биологии и многое другое.

Но вот незадача - чем больше открывали, тем больше обнаруживалось принципиальных проблем, таких как:

-неупрощаемая сложность клеток,

- хиральность,

- открытие состава древней Земли, отличного от того что был в эксперименте Миллера-Юри (при пропускании тока получалась не органика, а копоть),

- вода мешает образованию длинных органических молекул;

- на планете отсутствует свободный фосфор, без которого невозможно получить ДНК.

А сейчас я предлагаю пройти весь путь, который преодолели учёные, решая эти проблемы. Возможно местами будет сложно, но по другому не получится.

Часть 1. ДНК, дискета и 3D-принтер

Главная молекула жизни это, как известно, ДНК. Она единолично хранит генетическую информацию вида, передавая её из поколения в поколение, временами с небольшими изменениями.

Но у неё есть младшие сёстры - молекулы РНК. Структурно это "лайт-версии" ДНК, отличающиеся лишь отсутствием гидроксильной группы в химической формуле, из-за чего РНК не могут сплетаться в классическую двойную спираль.

До 1970 года РНК считалась лишь скромным посредником между ДНК и белками - ведь обычно в клетке генетическая информация копируется с ДНК на РНК, и потом по «оттиску» РНК (так называемая матричная РНК или мРНК, см. на картинке) синтезируются белки (если кому интересно, 1 и 2 посты об этом процессе).

Так что же изменилось в 1970 году? Тогда были открыты РНК, обладающие каталитической активностью, или рибозимы. К тому моменту уже были известны вирусы, хранящие генетическую информацию на молекулах РНК, и часть из них способна даже переписывать генетическую информацию с РНК на ДНК. Но только с открытием рибозимов стало понятно, что РНК может заменять белки в качестве катализаторов химических реакций.

Тут надо заметить, что молекула ДНК хоть и является основой жизни, но, вообще говоря, сама по себе вообще ничего не может. Как дискета, она способна лишь хранить информацию, для считывания которой нужен дисковод. В живой клетке роль дисковода выполняет целый обслуживающий комплекс из белковых молекул со страшными названиями типа ДНК полимераза III (см. картинку).

Так вот, чертежи белков записаны в ДНК, но чтобы эти чертежи считать и построить молекулы, нужны белки. Образно говоря, чтобы сделать 3D принтер, нужен другой 3D принтер.

Очень продолжительное время это и было главной загадкой жизни, пока не обнаружились каталитические свойства рибозимов, которые могут хранить генетическую информацию и одновременно проявлять химическую активность. Собственно, обнаружение рибозимов не позволило открыть дверь, а всего лишь указало на неё. В результате появилась теория «мира РНК», согласно которой самокопирующиеся рибозимы стали первыми, очень простыми живыми системами.

Судя по всему, они начали дарвиновскую эволюцию задолго до появления клеток и со временем, по мере усложнения, передали каталитические функции белкам, а длительное хранение наследственной информации – ДНК.

Выяснилось, что рибозимом является и ключевой каталитический центр рибосомы, организующий синтез белка - а это древнейшая молекула, обеспечивающая считывание генетического кода (вообще рибосоме и изучению её эволюции будет посвящён отдельный пост). На картинке так называемая большая субъединица рибосомы:

Наличие рибозима в самой сердцевине этой гигантской белковой молекулы говорило о её древнейшем происхождении. Также в клетках учёные обнаружили отдельные рибозимы, выполняющие те или иные каталитические функции наравне с белками, что явно неспроста.

За окном шёл 1970 год. РНК - первично - сказали биохимики. А вы поясните за термодинамику - ответили биофизики.

Часть 2.  Энтропия и химические реакции

Термодинамика это наука о взаимных превращениях работы и энергии, и как раз её присутствия учёные-биофизики в теории "мира РНК" как раз и не заметили. Мало было заявить - вот он, предшественник ДНК. А вы обоснуйте, как этот предшественник получал энергию для существования, хотя бы в теории, ведь жизнь без источника энергии появиться и размножаться никак не сможет. Поэтому тем как перейти непосредственно к поиску колыбели жизни, мы рассмотрим энергетическую основу.

В термодинамике есть ключевое понятие под названием энтропия, попытка объяснить которое займёт целый пост. Чтобы не мучаться самому и не мучать вас, предлагаю желающим прочитать очень подробную статью на гиктаймс.

В общем случае, энтропия - это то, как много информации вам не известно о системе, поэтому её ещё называют мерой хаоса. И, согласно второму закону термодинамики, энтропия замкнутой системы не убывает. Иначе говоря, в замкнутой системе "порядок" не должен возникать сам по себе.

Это, казалось бы, налагает запрет на возникновение более организованных (а значит, менее вероятных) структур из менее организованных, т.е. на прогрессивную эволюцию. Собственно, из-за этого "казалось бы" все посты про эволюцию и происхождение жизни напоминают симпозиум диванных специалистов по термодинамике:

Однако сторонники божественного вмешательства по незнанию или специально (признавайтесь в комментариях, интересно же) игнорируют тот факт, что в законе упоминается только замкнутая система. То есть да, появление жизни определённо сопровождалось уменьшением энтропии  - усложнением, упорядочиванием, уменьшением хаоса и т.д.  Да и сами живые организмы, создавая свои копии из слабо организованной неживой материи и усложняясь в ходе эволюции, очевидно, могут уменьшать свою энтропию. Как им это удается?

Вообще-то, этот трюк умеют делать не только живые организмы. Как работает обычный холодильник? Он понижает температуру внутри холодильной камеры и повышает температуру снаружи, т. е. понижает энтропию системы «холодильник – комната» (по определённым причинам теплообмен рост температуры сопряжён с ростом энтропии). Но эту систему нельзя считать замкнутой: она получает энергию извне, по электросети, в которую включен наш холодильник. Если мы рассматриваем систему «холодильник-комната-электростанция», то ее энтропия со временем только растет.

Точно так же любой живой организм нуждается во внешних источниках энергии. Растения получают ее в виде солнечного света, а животные – в виде пищи, энергия которой в ходе цепочки превращений также получена благодаря солнцу.

В конечном счете почти вся биосфера питается энергией Солнца. Она выделятся в ходе термоядерных реакций, связанных с огромным повышением энтропии, поэтому энтропия системы «Земля – Солнце» со временем растет, несмотря на возникновение и эволюцию земной жизни.

А теперь от глобальных вопросов вернёмся к нашим молекулам и химическим реакциям.

В 1977 году советский учёный Илья Пригожин получил Нобелевскую премию за создание модели новой, неравновесной термодинамики.

Он установил, что в открытых системах (системы, которые могут обмениваться веществом, энергией, информацией) могут спонтанно возникать такие типы структур, которые способны к самоорганизации, т.е. к переходу от беспорядка, "теплового хаоса", к упорядоченным состояниям. Особое значение в этих процессах имеют флуктуации - случайные отклонения некой величины, характеризующей систему из большого числа единиц, от ее среднего значения.

Примером такой структуры является реакция Белоусова -Жаботинского (по совместительству являющаяся одним из главных химических открытий 20 века), а именно окисление лимонной кислоты броматом калия в кислотной среде в присутствии катализатора:

На первый взгляд кажется, что здесь ничего особенного не происходит - возникают круги и прочие структуры. Однако в основе этой картины лежит автоколебательная химическая реакция (а раньше считалось что автоколебательные реации невозможны) с образованием более 30 промежуточных продуктов.

Также примером самоорганизации в условиях подвода тепла являются ячейки Бернара:

Если постепенно нагревать снизу небольшой слой вязкой жидкости (в нашем случае масло), то в определённый момент система выходит из равновесия и в жидкости возникают организованные структуры в виде ячеек с правильной шестиугольной формой.

По сути это гигантская флуктуация, поддерживаемая стабильность путем обмена энергией с внешним миром. Похожим образом возникают циклоны - самоорганизующиеся структуры в атмосфере Земли.

3. Вместо итога

С точки зрения термодинамики жизнь имеет конкретные общие черты с неживыми самоорганизованными структурами, однако при всё при этом живые организмы обладают важным отличием от циклонов и ячеек Бенара. Самоорганизованные структуры непостоянны: они возникают всякий раз, когда есть условия для их появления, и исчезают вместе с ними.

А любой современный живой организм, в отличие от них, обладает эволюционной историей, уходящей на четыре миллиарда лет в прошлое. Принципиальное устройство живых организмов гораздо больше зависит от путей эволюции в прошлом, чем от современных условий их жизни.

Такая историческая память обеспечивается молекулами ДНК, и в следующих постах мы попытаемся понять, как из химических самоорганизованных структур возникла жизнь, основанная на наследственной информации.

И да, дальше будет больше конкретики - мы рассмотрим конкретные химические вещества и источники энергии, которые могли стать основой жизни на древней Земле, то есть попробуем найти для жизни настоящую колыбель.

...

P.S .Все посты основаны на прекрасной книге М. Никитина "Происхождение жизни. От туманности до клетки" от издательства "Альпина нон-фикшн".

Ссылка на онлайн-магазины + рецензии https://www.livelib.ru/book/1001597507-proishozhdenie-zhizni... (для флибустьеров есть вариант отблагодарить автора напрямую).