Давайте вернемся к теме абиогенного синтеза. Напомню, что гипотеза абиогенеза говорит о том, что появлению жизни предшествовал длительный этап химической эволюции, что привело к появлению биогенов: белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот. Эти биогены впоследствии и дали начало органической жизни. Не имеет в данном случае особого значения, что именно было первым - белки или нуклеиновые кислоты, например. Гораздо важнее, что существует аргумент, который призван показать несостоятельность гипотезы абиогенеза.
Как правило, его формулировка такова: шансы формирования даже простой молекулы белка составляют 1 к 10113. При этом за молекулу белка принимается обычно конкретная молекула с конкретными свойствами и выполняющая определенную функцию в биологической системе. Часто сюда привлекаются ферменты со специфическим субстратом. То есть, если исследовать вероятность сборки молекулы белка инсулина, состоящего из 51 аминокислотного остатка, то получается, что даже у такого белка количество комбинаций просто огромно: 77535155627160 (если я верно применил формулу количества сочетаний из n по m). И это для простого белка. Белки, состоящие из сотен аминокислотных остатков имеют, кажется, еще больше вариантов последовательности.
В органической химии есть такое правило - правило Марковникова. Визуально оно изображается так:
Читается так: в реакциях присоединения по двойной связи электрофильная частица присоединяется к наиболее гидрогенизированному атому углерода. Соответственно, нуклеофильная - к наименее гидрогенизированному (левая часть картинки). При других условиях (заместители с сильными акцепторными свойствами) присоединение идет наоборот, либо же в условиях присутствия сильного окислителя. Этому правилу следуют все без исключения соответствующие реакции в органической химии. Также существует множество других правил, которые определяют, каким образом происходят реакции. Например, замещение в бензольных кольцах при наличии заместителей. Замечу, что никому не придет в голову объяснять наличие таких закономерностей наличием сверхъестественного. В данном случае работают простые принципы. Такая же ситуация имеет место быть и вот в таком случае:
В молекуле этана (следующего за метаном углеводорода) атомы водорода у разных атомов углерода не находятся друг напротив друга, как может показаться из схемы строения молекулы (вторая часть рисунка), а вся группа СН3 повернута на определенный угол, что соответствует минимальной потенциальной энергии системы. Сделать это вынуждает взаимодействие одноименных зарядов, которые, как мы знаем, отталкиваются. Так как атом углерода на связи С-С свободно вращаются, ничто не мешает им развернуться так, чтобы снизить внутреннюю энергию всей системы. Собственно, подвижность по связям С-С и является причиной существования конформеров - молекул одинакового химического состава, с одинаковой последовательностью атомов, но с разной формой. Если помните, белки являют собой прекрасный пример конформаций с разными свойствами, когда одна и та же молекула в разных конформациях проявляет совершенно разные функциональные особенности. Как видите, в природе, на уровне молекул существую фундаментальные законы поведения и взаимодействия. Я показал два самых простых, которые все встречали в курсе средней школы. Каждый из таких законов определяет не только характер взаимодействий, но и их результаты, а также дает ключ к понимаю такого процесса, как самоорганизация. Никакой синтез молекул не является случайным перебором комбинаций. Скорее - это подбор составных частей, как кусков мозаики. Все они отлично подходят друг к другу при правильной последовательной сборке. Скажем, взаимодействие между нуклеотидами никогда не пойдет против правила комплиментарности, а аминокислотные остатки в молекулах белка будут образовывать между собой водородные и дисульфидные мостики только при наличии такой возможности. В противном случае ничего подобного не произойдет. Если в какой-то момент в молекуле белка оказались аминокислоты, способные образовывать водородные связи между собой, молекула с большой долей вероятности перейдет ко вторичной структуре. Как только появится достаточное количество аминокислотных остатков, способных к образованию дисульфидных связей, с гидрофобно-гидрофильным и ковалентным взаимодействиям, молекула опять же с высокой вероятностью свернется и приобретет третичную структуру. И тут ключевую роль будет играть возможность образования конформеров. Одна и та же исходная молекула может свернуться несколькими способами. И взаимодействия внутри молекулы будут происходить не случайно, а по вполне определенным правилам. Как это выглядит на практике? Если мы рассматриваем появление в истории такой молекулы, как полинуклеотид или полипептид, то нужно понимать, что любая, даже случайная для нас последовательность нуклеотидов или аминокислот уже имела определенную конформацию и, вероятно, обладала какими-то свойствами. Даже если случайно собравшаяся молекула никаким свойствами не обладала, рядом могли появиться сотни других молекул, более функциональных. Нам сейчас известно, что множество белков с разными аминокислотными последовательностями выполняют сходную или одну и ту же функцию. Это как минимум странно, если мы принимаем гипотезу ID (intelligent design). В данном случае перед нами пример нерациональности, проявляющейся в том, что логично под каждую функцию создать один-два соответствующих белка (других молекул) и оснастить ими все живые организмы, но на практике этого не наблюдается. Многочисленные группы организмов вырабатывают свои, часто уникальные белки для выполнения сходных функций. Неизвестно точно, были ли белки первичны, или же первыми были полинуклеотиды. Возможно, появились они одновременно и после этого началась их совместная эволюция, либо же белки стали матрицами для формирования РНК или же РНК стала матрицей для белков. И тот, и другой варианты правдоподобны. Но, как когда-то уже мы говорили, РНК гораздо лучше соответствует критериям самостоятельной молекулы. Сейчас очень популярен метод «пробирочной эволюции», который предполагает получение множества разнообразных РНК в лабораторных условиях и отбора тех из них, которые обладают определенной функциональностью. Таким образом получены рибозимы с самыми разными свойствами, катализирующие множество процессов. А не так давно (Levy and Ellington 2003) были найдены дезоксирибозимы - молекулы ДНК с каталитическими свойствами. Логичный вопрос, если вернуться к началу: почему, находясь на уровне отдельных молекул, мы допускаем закономерность происходящих реакций и других взаимодействий, но смещаясь на уровень их функциональности, не можем сделать то же самое - допустить, что образование биополимеров (белков и полинуклеотидов) могло проходить вполне закономерно, а отбор на этой стадии был направленным в сторону оптимизации системы (молекулы и ее потенциальной энергии)? К сожалению, этим страдает вся концепция ID. Таким образом, можно подвести достаточно основательный фундамент под гипотезу абиогенеза и свести на нет очередной аргумент сторонников ID о случайной сборке «Боинга на свалке деталей самолетов или часов на свалке часовых деталей».
Читается так: в реакциях присоединения по двойной связи электрофильная частица присоединяется к наиболее гидрогенизированному атому углерода. Соответственно, нуклеофильная - к наименее гидрогенизированному (левая часть картинки). При других условиях (заместители с сильными акцепторными свойствами) присоединение идет наоборот, либо же в условиях присутствия сильного окислителя. Этому правилу следуют все без исключения соответствующие реакции в органической химии. Также существует множество других правил, которые определяют, каким образом происходят реакции. Например, замещение в бензольных кольцах при наличии заместителей. Замечу, что никому не придет в голову объяснять наличие таких закономерностей наличием сверхъестественного. В данном случае работают простые принципы. Такая же ситуация имеет место быть и вот в таком случае:
В молекуле этана (следующего за метаном углеводорода) атомы водорода у разных атомов углерода не находятся друг напротив друга, как может показаться из схемы строения молекулы (вторая часть рисунка), а вся группа СН3 повернута на определенный угол, что соответствует минимальной потенциальной энергии системы. Сделать это вынуждает взаимодействие одноименных зарядов, которые, как мы знаем, отталкиваются. Так как атом углерода на связи С-С свободно вращаются, ничто не мешает им развернуться так, чтобы снизить внутреннюю энергию всей системы. Собственно, подвижность по связям С-С и является причиной существования конформеров - молекул одинакового химического состава, с одинаковой последовательностью атомов, но с разной формой. Если помните, белки являют собой прекрасный пример конформаций с разными свойствами, когда одна и та же молекула в разных конформациях проявляет совершенно разные функциональные особенности. Как видите, в природе, на уровне молекул существую фундаментальные законы поведения и взаимодействия. Я показал два самых простых, которые все встречали в курсе средней школы. Каждый из таких законов определяет не только характер взаимодействий, но и их результаты, а также дает ключ к понимаю такого процесса, как самоорганизация. Никакой синтез молекул не является случайным перебором комбинаций. Скорее - это подбор составных частей, как кусков мозаики. Все они отлично подходят друг к другу при правильной последовательной сборке. Скажем, взаимодействие между нуклеотидами никогда не пойдет против правила комплиментарности, а аминокислотные остатки в молекулах белка будут образовывать между собой водородные и дисульфидные мостики только при наличии такой возможности. В противном случае ничего подобного не произойдет. Если в какой-то момент в молекуле белка оказались аминокислоты, способные образовывать водородные связи между собой, молекула с большой долей вероятности перейдет ко вторичной структуре. Как только появится достаточное количество аминокислотных остатков, способных к образованию дисульфидных связей, с гидрофобно-гидрофильным и ковалентным взаимодействиям, молекула опять же с высокой вероятностью свернется и приобретет третичную структуру. И тут ключевую роль будет играть возможность образования конформеров. Одна и та же исходная молекула может свернуться несколькими способами. И взаимодействия внутри молекулы будут происходить не случайно, а по вполне определенным правилам. Как это выглядит на практике? Если мы рассматриваем появление в истории такой молекулы, как полинуклеотид или полипептид, то нужно понимать, что любая, даже случайная для нас последовательность нуклеотидов или аминокислот уже имела определенную конформацию и, вероятно, обладала какими-то свойствами. Даже если случайно собравшаяся молекула никаким свойствами не обладала, рядом могли появиться сотни других молекул, более функциональных. Нам сейчас известно, что множество белков с разными аминокислотными последовательностями выполняют сходную или одну и ту же функцию. Это как минимум странно, если мы принимаем гипотезу ID (intelligent design). В данном случае перед нами пример нерациональности, проявляющейся в том, что логично под каждую функцию создать один-два соответствующих белка (других молекул) и оснастить ими все живые организмы, но на практике этого не наблюдается. Многочисленные группы организмов вырабатывают свои, часто уникальные белки для выполнения сходных функций. Неизвестно точно, были ли белки первичны, или же первыми были полинуклеотиды. Возможно, появились они одновременно и после этого началась их совместная эволюция, либо же белки стали матрицами для формирования РНК или же РНК стала матрицей для белков. И тот, и другой варианты правдоподобны. Но, как когда-то уже мы говорили, РНК гораздо лучше соответствует критериям самостоятельной молекулы. Сейчас очень популярен метод «пробирочной эволюции», который предполагает получение множества разнообразных РНК в лабораторных условиях и отбора тех из них, которые обладают определенной функциональностью. Таким образом получены рибозимы с самыми разными свойствами, катализирующие множество процессов. А не так давно (Levy and Ellington 2003) были найдены дезоксирибозимы - молекулы ДНК с каталитическими свойствами. Логичный вопрос, если вернуться к началу: почему, находясь на уровне отдельных молекул, мы допускаем закономерность происходящих реакций и других взаимодействий, но смещаясь на уровень их функциональности, не можем сделать то же самое - допустить, что образование биополимеров (белков и полинуклеотидов) могло проходить вполне закономерно, а отбор на этой стадии был направленным в сторону оптимизации системы (молекулы и ее потенциальной энергии)? К сожалению, этим страдает вся концепция ID. Таким образом, можно подвести достаточно основательный фундамент под гипотезу абиогенеза и свести на нет очередной аргумент сторонников ID о случайной сборке «Боинга на свалке деталей самолетов или часов на свалке часовых деталей».
Сообщения
Комментариев нет:
Отправить комментарий