Предбиологическая химическая эволюция

5.5.1. А. И. Опарин: эволюция предшествовала жизни

Честь научной постановки проблемы возникновения живого принад­лежит А. И. Опарину, опубликовавшему в 1924 г. 35-страничную бро­шюру «Происхождение жизни». В 1936 и 1957 гг. вышли переиздав ния, объемом уже 270 и 500 страниц соответственно.

Опарин констатировал, что организмы подчиняются тем же фи­зическим и химическим законам, что и неживые предметы. С другой стороны, он отметил, что даже одноклеточные устроены настолько сложно, что совершенно нелепо предположение о возможности их быстрого возникновения, из бесструктурных растворов соответству­ющих веществ. Отсюда он сделал вывод, что возникновение клетки представляет собой результат длительной и сложной физико-хими­ческой (предбиологической) эволюции. Согласно этой гипотезе, пер­вым этапом предбиологической эволюции было образование простых органических соединений из неорганических, а затем — образование сложных полимерных органических молекул из простых.

В процессе реализации опаринской программы были получены до­казательства того, что простейшие органические вещества могут воз­никать в ходе реакций между неорганическими веществами, имев­шимися в достатке на юной Земле, при разнообразных воздействиях: разрядах молний, ультрафиолетовом излучении Солнца, распаде ра­диоактивных веществ в земной коре, высокой температуре раскален­ной лавы и даже падении метеоритов. Экспериментально продемон­стрировано, что существует довольно много путей и для полимериза­ции в естественных условиях возникших аминокислот с образованием простейших белковых молекул. Таким образом, вещества, составля­ющие химическую основу жизни, вплоть до белков, могли возникнуть без участия живых организмов и, следовательно, до них. '

Внимание исследователей переключилось на проблему возникно­вения следующей неотъемлемой особенности живого — способности к самовоспроизводству и размножению.

5.5.2. Самовоспроизводящиеся молекулы

Способность размножаться, скорее всего, потребовалась на достаточ­но раннем этапе химической добиологической эволюции. Дело в том, что при синтезе органики без участия организмов обычно образуется слишком пестрая смесь самых разнообразных веществ. Это препят­ствует соединению подобных друг другу молекул (аминокислот) в по­лимерную макромолекулу (белок). Поэтому механизм самовоспро­изводства был необходим для выделения в первоначальном «бульо­не» некоторых преобладающих разновидностей молекул.

Способностью к самовоспроизводству обладают не только биоло­гические, но также физические и химические системы. Например, рост кристалла — это процесс постоянного воспроизводства опреде­ленного расположения атомов на растущей грани кристалла. В химии

230 Глава 5. Естественная история природы и человека

5.5. Предбиологическая химическая эволюция 231

известны автокаталитические реакции, в которых продукт реакц^ одновременно является ее катализатором: каждая новая молекул продукта ускоряет синтез таких же молекул. Поэтому нет противоречащего законам природы в предположении, что на опреда! ленном этапе предбиологические структуры приобрели способное! к авторепликации (самовоспроизводству) и благодаря этому размне жились в большом числе копий. Наиболее вероятный механизм ав торепликации — матричная сборка, когда каждый участок исходно^ большой молекулы-полимера имеет химическое сродство к мальв молекулам-мономерам, похожим на него самого. В результате все участки полимерной молекулы захватят из окружающего раствор по подходящему мономеру, из связанных молекул-мономеров фор-1 мируется новая макромолекула, которая подобна исходной, как ^ ма штампованной детали — штамповочной матрице.

Как только появляется способность к самовоспроизводству, прак-1 тически сразу возникает естественный отбор. Количество «строи-? тельного материала» — мономеров — в окружающем растворе ничено, поэтому получают преимущество и размножаются в больших количествах те макромолекулы, которые эффективнее захватываю^ мономеры и быстрее строят из них свою новую копию. Естественны?! образом возникают и мутации: из-за неидеальной избирательности химического связывания мономер, присоединившийся к данному! участку макромолекулы, может и не быть его точной копией, а быть! просто похожим. При этом синтезируемая макромолекула будет не-| много отличаться от исходной матрицы.

В 1960-х гг. общую теорию химической эволюции как самораз-| вития каталитических систем предложил А. П. Руденко. Основное закон химической эволюции, сформулированный Руденко, утверж-f дает, что с наибольшей скоростью и вероятностью происходят те эво-я люционные изменения катализатора, которые приводят к максималь-| ному увеличению его активности.

В 1970-х гг. нобелевский лауреат М. Эйген построил математи­ческую теорию самоорганизации макромолекул. Он рассмотрел сис­тему, в которой происходит полимеризация мономеров и обратные распад полимеров. Система открыта, т. е. в нее постоянно поступа-f ет свежий и выводится отработанный мономерный материал. Далее^ предполагается, что в системе происходит авторепликация полиме-1 ров. Наконец, авторепликация происходит со сбоями, т. е. кроме каж-| дого «чистого» вида полимеров в системе возникают его разновидно-| сти — мутанты.

Общие выводы, вытекающие из проведенного Эйгеном математи­ческого анализа, таковы. По прошествии некоторого времени в сис­теме вне зависимости от ее первоначального состава, остается лишь один из возможных видов полимеров, размножающийся быстрее все­го, плюс его мутантные формы.

При изменении параметров внешней среды равновесие между ос­новным видом и мутантами смещается: преимущество получает та форма, которая лучше отвечает новым условиям. Она становится но­вым «основным видом», который также сопровождается мутантны-ми вариациями, причем и такими, каких ранее в системе практически не было. Очевидно, это является эквивалентом эволюционного про­цесса.

5.5.3. Предбиологическая эволюция на практике

Химическая эволюция макромолекул исследуется и эксперименталь­но. Впервые она была/>еализована в конце 1960-х гг. при изучении вируса, заражающегоУшшечную палочку, — Qp-фага¹. Вирус настоль­ко прост, что вся егаггенетическая информация заключена в четырех генах, записанных^а молекуле РНК. Один ген кодирует фермент ре-пликазу, которыйгразмножает саму вирусную РНК.

Исследоватвши провели несколько десятков циклов химических реакций, каждый из которых заключался в том, что из раствора моле­кул вирусной РНК, полученных в ходе предыдущего цикла, отбира­ли малую зголику. Затем к ней добавляли строительный материал для сборки ВНК и репликазу. Та принималась синтезировать новые ко­пии имеющихся в растворе молекул РНК. Точность копирования не­велика: при изготовлении каждой копии происходит одна-две ошибки. В естественных условиях эти мутации отсеиваются отбором, кото­рый сохраняет формы, приспособленные к паразитированию на бак­терии. Экспериментаторы же, периодически укорачивая время про­ведения цикла, сделали главным критерием отбора скорость синтеза. В таких условиях преимущество получали мутантные формы РНК с более короткой молекулой, которая быстрее собирается. На исходе семьдесят четвертого цикла в пробирке остались в основном молеку­лы РНК, длина которых была в 6 раз меньше первоначальной. Они утратили способность заражать бактериальные клетки и сохранили один-единственный ген, отвечающий за самовоспроизводство, зато

¹ Джойс Дж. Ф. Направленная молекулярная эволюция // В мире науки. 1993. № 2-3. С. 32-40.

232 Глава 5. Естественная история природы и человека

5.6. История жизни на Земле 233

приспособились к новым условиям существования, научившись раз множаться в 15 раз быстрее исходной формы.

Новый толчок эксперименты по направленной молекулярной эволюции получили после открытия полимеразной цепной реакциь позволяющей получать неограниченное количество точных копий! молекулы ДНК. Интерес в данном случае подогревался не только на4 учным любопытством, но и перспективами применения химической! эволюции для выведения новых лекарств и биохимических реактив) вов, подобно селекции сельскохозяйственных животных и растений.|

Идея заключается в том, что в медицинской практике часто не ходимо вещество, которое связывалось бы с определенным белком;*| более ни с чем. При классическом подходе'фармакологи пытаются] сначала рассчитать или угадать строение молекулы, обладающей тре-| буемым свойством, а затем синтезировать ее. По методу же химиче-1 ской-эволюции берется большая (порядка десяти триллионов штук)| популяция молекул ДНК и приводится в контакт с белком-мише-1 нью. Те молекулы, которые связались с мишенью, отбираются, раз-1 множаются с помощью полимеразной цепной реакции и вновь при-f водятся в контакт с мишенью. По мере повторения циклов условия^ отбора ужесточаются, так что в конце концов выживают только моле-⁷ кулы, связывающиеся с мишенью прочно и предельно избирательно.^ О строении конечного продукта и о том, почему он действует именно ■ так, разработчики могут не иметь ни малейшего представления, ибо < они его не вычислили, не спроектировали, а вывели]

Не так давно начались попытки применить метод «генетическо­го программирования» для решения сложных задач оптимизации* и управления. По этому методу сначала создается популяция про-| грамм, способных принимать некоторые решения (например, с како­го завода на какие склады везти продукцию). Затем в текст программ <| случайным образом вносятся «мутации». Полученные мутантные; программы тестируются, среди них отбираются лучшие, скрещива­ются между собой, в них снова вносятся случайные изменения и т. д. I

На состоявшейся летом 1996 г. первой конференции по генетиче­скому программированию¹ были продемонстрированы результаты эволюции программ, управляющих клеточными автоматами, кото­рые, как утверждалось, по эффективности превосходят всё, что мож­но написать вручную. Пример клеточного автомата — игра в «крести­ки-нолики» — дело несерьезное. Однако уже к 1999 г. с помощью

генетических алгоритмов реально осуществлялись: оптимизация про­филей балок в строительстве, распределение инструментов в метал­лообрабатывающих цехах, обработка рентгеновских снимков в ме­дицине, оптимизация работы нефтяных трубопроводов. В настоящее время на основе генетических алгоритмов создана мощная техно­логия решения задач оптимизации и управления, среди достижений которой значатся: создание новых многокомпонентных сплавов с за­данными свойствами, разработка аналоговых схем управления робо­тами (например, именно с помощью генетического алгоритма робота, моделирующего насекомое, научили реально летать), идентифика­ция белков, синтез электронных схем и т. д.¹