Главная Случайная страница


Полезное:

Как сделать разговор полезным и приятным Как сделать объемную звезду своими руками Как сделать то, что делать не хочется? Как сделать погремушку Как сделать так чтобы женщины сами знакомились с вами Как сделать идею коммерческой Как сделать хорошую растяжку ног? Как сделать наш разум здоровым? Как сделать, чтобы люди обманывали меньше Вопрос 4. Как сделать так, чтобы вас уважали и ценили? Как сделать лучше себе и другим людям Как сделать свидание интересным?


Категории:

АрхитектураАстрономияБиологияГеографияГеологияИнформатикаИскусствоИсторияКулинарияКультураМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОхрана трудаПравоПроизводствоПсихологияРелигияСоциологияСпортТехникаФизикаФилософияХимияЭкологияЭкономикаЭлектроника






О проблеме происхождения жизни





В связи с тем, что живая и неживая природа характеризуются кардинальным отличием в виде наличия у живых систем состояний-целей и реализующих их алгоритмов, вопрос происхождения жизни не является решенным (а по Блюменфельду он считается и принципиально неразрешимым). Проблема эта усугубляется и тем, что для описания живых систем подходят уже имеющиеся физические модели (т.е. не существует никакой особой «физики живого», а биофизика является «всего лишь» описанием биологических явлений на физическом языке), но различие результатов действия одних и тех же физических законов в неживой и живой природе очевидно.

Суть пока господствующей гипотезы абиогенеза в том, что из абиогенной органики должно было появиться хотя бы одно образование, которое могло бы реплицировать само себя. Здесь имеются две основных дочерних гипотезы – первичности появления полипептидов или же полинуклеотидов. И в обоих случаях должно было возникнуть соединение, устойчивое к разрушительному влиянию внешней среды и в то же время самокопирующееся. В случае полипептидов все очень просто – самокопирующихся полипептидов не существует, все они синтезируются в рибосомах по коду, заложенному в нуклеиновых кислотах (о появлении данного кода – немного ниже). Прионы – не самокопирующиеся полипептиды, а соединения, меняющие конформацию уже существующих полипептидов по своему образцу. В растворе аминокислот чистые полипептиды не образуются, а синтезируются при некоторых благоприятных условиях протеиноиды – соединения аминокислот с беспорядочной структурой, использующие не только пептидную, но и другие виды связи. Для того, чтобы образовывались только пептидные связи, необходимо воздействие, которое надлежащим образом ориентирует молекулы мономеров, чтобы они соприкасались строго «карбоксильная группа + аминогруппа» конец в конец. То есть – необходимо еще одно воздействие на молекулы, которое увеличивает вероятность такой ориентации. По нашему определению такое воздействие будет информационным. Но даже в случае гипотетического образования одних полипептидов скорость гидролиза намного превышает скорость их синтеза в связи с простой термодинамической закономерностью – реакция поликонденсации аминокислот экзотермическая, для преодоления порога необходимо очень много энергии (которая в живых организмах берется за счет распада АТФ), а при наличии этой энергии в водной среде (в которой и должна была происходить поликонденсация в абиогенный период Земли) гидролиз спонтанно ускоряется. По мнению сторонников абиогенеза, мог синтезироваться какой-либо полипептид, устойчивый к гидролизу и самокопирующийся, а он и выжил в процессе естественного отбора среди других соединений. Но про самокопирование мы уже говорили – его у полипептидов не существует, а также устойчивых в чистом виде к гидролизу полипептидов не существует – сразу же после синтеза на рибосоме полипептидная цепочка готова подвергнуться гидролизу и по факту подвергается ему. Эффективность синтеза полипептидов в рибосомах около 60%, остальное разлагается тут же, на месте, если не встречается со специальными ферментными системами, которые защищают ее от гидролиза, транспортируют в место локализации, чаще всего – эндоплазматическую сеть, и одновременно способствуют свертыванию в нативную конформацию – состояние, при котором устойчивость к гидролизу максимальна (но не абсолютна), а активный центр способен выполнять ту функцию, ради которой и синтезировался данный полипептид.

Как видим, предполагающийся в теории абиогенеза естественный отбор молекул никаким образом не вел к появлению полипептидов, устойчивых к гидролизу, зато в любом живом организме, любой клетке существуют биохимические алгоритмы, защищающие полипептиды от гидролиза и сообщающие им нативную конформацию. То есть сведения о конформации содержатся не в генетическом коде синтеза самого полипептида, а в структуре других белков (шаперонов), которые для данного полипептида являются неким сторонним сообщением о нужной конформации. Обратим внимание – новая для всего организма информация при свертывании белка в нативную конформацию не возникает (а принятие белком нативной конформации – это некое ограничение выбора из имеющихся степеней свободы молекулы, то есть именно новая информация для конкретной молекулы), а записана в другом белке-сообщении, то есть закон невозрастания информации соблюдается и тут.

В плане самосинтеза и саморепликации полинуклеотидов тоже обнаруживается, что во-первых вероятность абиогенного синтеза пентозных сахаров (рибозы и дезоксирибозы) в предполагаемых условиях добиологической эпохи Земли практически нулевая, во-вторых – при наличии азотистых оснований, пентоз и фосфорной кислоты не возникает одной только специфической 3’-5’ связи между молекулами пентозы и фосфорной кислоты, а возникают все возможные – 2’-5’, 5’-5’ и т.д., что препятствует формированию упорядоченных полинуклеотидных цепей, в-третьих – поликонденсация нуклеиновых кислот еще более экзотермическая, чем полипептидов, и поэтому скорость распада в водной среде всегда преобладает над скоростью синтеза. Максимально устойчивая к гидролизу форма РНК существует (глобула, т.е. свернутая в клубок конформация), но для того, чтобы реплицироваться, участок репликации должен расплестись, а это значит – стать неустойчивым к гидролизу. Скорость гидролиза и здесь будет очень высокой, а вероятность репликации без соответствующих ферментных систем – исчезающе малой, то есть отдельный полинуклеотид будет гидролизовываться в расплетенном участке, не успев самореплицироваться. Если же посмотреть на состояние ДНК и РНК в существующих организмах, то устойчивость к гидролизу никак им самим не присуща, а обеспечивается сторонними биохимическими механизмами – гистоновыми (и некоторыми другими) белками у ДНК эукариот или же белками оболочки вируса, хранящими его информационную ДНК или РНК. То есть естественного отбора полинуклеотидов на устойчивость во внешней среде не было и здесь – вместо этого появились сторонние механизмы ее обеспечения.

Термодинамические особенности синтеза биополимеров как нельзя лучше демонстрируют связь теории информации с термодинамикой – закон невозрастания информации реализуется здесь чисто термодинамическими закономерностями.

Таким образом, сторонники абиогенеза путем естественного отбора случайно возникшего «первичного репликатора» допускают не только концептуальную ошибку, игнорируя закон невозрастания информации, но и фактическую – представляя себе этот суперустойчивый репликатор, не могут указать никаких его следов в существующих организмах, у которых устойчивость биополимеров обеспечивается не их внутренними свойствами, которые по их мнению должны были появиться в результате естественного отбора «первичных репликаторов», а сторонними для каждого биополимера биохимическими механизмами, работающими только в совокупности.

К вопросу о формировании генетического кода. Структура аминокислот никоим образом не указывает на связь со структурой нуклеотидных триплетов, хотя бы потому, что некоторые аминокислоты (валин, лейцин, аланин, например) имеют гидрофобные свободные концы и не взаимодействуют с гидрофильными концами азотистых оснований нуклеотидов, то есть не могут образовать никаких комплементарных соединений. Поэтому приходится признать, что генетический код сформирован произвольно, вне какой-либо биохимической закономерности, то есть для его формирования (и соответственно для синтеза аминоацил-тРНК) необходимо некое стороннее биохимическое сообщение, которое и реализовано в ферментах аминоацил-тРНК-синтетазах. «Запоминание случайного выбора» по Кастлеру – не некое простое действие, как представляет он сам, а само по себе является созданием алгоритма-автомата, который в ответ на определенную последовательность сигналов отвечает запомненным в своей структуре выбором. Его пример с кодовым замком – типичное создание детерминированного автомата, то есть выбор человеком сочетания цифр сообщает некую информацию замку, в котором она фиксируется изменением его структуры, запоминающим данный выбор. Информации в системе не было (и сама по себе она не возникла), затем она появилась от внешнего воздействия (выбора человека). Таким образом, наличие генетического кода, связывающего две разные группы химических соединений в алгоритм – результат когда-либо происшедшего информационного воздействия на систему органических соединений, создавшего в ней алгоритм-автомат. О какой-либо случайности такого создания мы говорить не можем в силу все того же закона невозрастания информации – если новая информация в системе появилась, значит, она была привнесена извне самой системы.

В этом обзоре я не коснулся еще одного очень важного аспекта происхождения жизни – вопроса хиральной однородности биополимеров. Та закономерность, что абиогенно синтезируются рацемические смеси, а для возникновения биополимеров используются только монохиральные изомеры (левые аминокислоты и правые сахара), и в неживой природе нет сколько-нибудь эффективного разделителя рацематов, уже освещена в биофизической литературе вполне достаточно. Оценка такого процесса биофизиками лучше всего прозвучала у В.И. Гольданского (см.), который назвал в связи с этим происхождение жизни Биологическим Биг Бэнгом.

Все предыдущие рассуждения были чисто качественными, но есть и количественная оценка, например, у Кастлера (см.). Минимальный объем информации одного живого существа (примитивной прокариоты) он оценивает в 103 бит (несомненно заниженная оценка даже для самых простых прокариот). Безусловная вероятность возникновения такого количества информации оценивается им в 2-1000, или в 10-301. Количество случаев, пригодных для возникновения жизни на Земле, оценивается им в интервале от 1014 до 1046 – эта оценка сделана им на основании расчета объемов вещества в области прибрежных вод первичного океана. Таким образом, вероятность случайного возникновения жизни по Кастлеру равна величине порядка 10-255. По его же замечанию, события, имеющие вероятность ниже 10-50, считаются невозможными в пределах нашей Вселенной.

Что интересно, после того, как он дал такую количественную оценку, дальше его рассуждения о возможности абиогенеза имеют чисто умозрительный характер, не подкрепляющийся никакими количественными оценками. Например, он указывает на то, что на самом деле последовательность элементов биологической системы является неуникальной, случайной, и только потом уникальность закрепилась отбором. Но в его расчетах уникальность и не фигурирует – он оперирует только общим количеством информации. Таким образом, Кастлер приходит к противоречию самому себе. Он в этом не одинок – аналогичные ошибочные рассуждения встречаются, например, у Эшби (см.) или у Корогодина (см.). В то же время, например, Блюменфельд (см.) напрямую говорит о неразрешимости проблемы возникновения жизни.

Выводы:

Происхождение жизни из неживой материи должно было идти, проходя следующие стадии:

1. Абиогенный синтез биологических мономеров (совокупность маловероятных, но все же имевших место событий).

2. Разделение рацемических смесей мономеров с удалением правых аминокислот и левых сахаров (исчезающе маловероятное событие – его вероятность могла бы стать значимой только при наличии уже имеющихся химических машин-алгоритмов, чувствительных к хиральности молекул).

3. Реакции поликонденсации полипептидов и/или полинуклеотидов (для которых необходимо некое стороннее воздействие, запрещающее более вероятный синтез протеиноидов и «неправильно» связанных полинуклеотидов, плюс преодоление термодинамического запрета, выраженного в заведомо большей скорости гидролиза полимеров по сравнению со скоростью синтеза, что также делает эти реакции исчезающе маловероятным событием).

4. Формирование генетического кода - не просто исчезающе маловероятное событие, а событие, для которого необходимо некое стороннее информационное воздействие.

5. Формирование совокупности биохимических алгоритмов, выраженных в функционировании ферментных систем, защищающих генетическую информацию и сами же ферментные системы от гидролиза и иных разрушающих факторов, при этом допускающих функционирование систем репликации генетического материала (исчезающе маловероятное событие с учетом вероятности самопроизвольного появления именно нужных, а не просто любых полинуклеотидных и полипептидных последовательностей).

6. При этом естественного отбора на устойчивость отдельных простых «репликаторов» не происходило – все биохимические системы по отдельности легко разрушаемы и функционируют значимо долгое время, сравнимое с продолжительностью жизни организма, только в совокупности и в слаженном алгоритмическом взаимодействии. В противном случае мы бы до сих пор наблюдали такие «суперустойчивые простые репликаторы», которые еще проще вирусов, но в отличие от них не паразитируют на высокоорганизованных организмах, а живут в абиогенной внешней среде.

 

Таким образом, все эти особенности позволяют сделать вывод, что абиогенеза живых форм, даже самых простых, путем отбора случайных реакций поликонденсации, никогда не было, а для возникновения жизни нужны были некоторые информационные воздействия на абиогенную среду, которые последовательно увеличивали условную вероятность появления живых систем по сравнению с практически нулевой безусловной. Иными словами, для возникновения жизни был необходим упорядочивающий алгоритм, собирающий абиогенную органику в биогенные самореплицирующиеся системы, имеющий образование жизни как цель.

Все усилия ученых, пытающихся доказать возможность случайного абиогенеза, являются заведомо провальными, а перспективным направлением может быть поиск этого самого биогенного алгоритма, увеличившего вероятность появления жизни от невозможной до достоверной.

Еще одна правдоподобная гипотеза – если закон невозрастания информации существовал со времени зарождения Вселенной, то это означает, что и алгоритмы биогенеза также существовали изначально, и возможно – в самом начале существования Вселенной жизнь уже была, и более того – благоприятные для нее условия существовали также изначально во всей Вселенной, и только потом по причине какой-то вселенской катастрофы жизнь исчезла везде, кроме Земли (ну и возможно – каких-либо других землеподобных планет). Эта гипотеза дает некоторую надежду на существование внеземной жизни.

И последняя возможная гипотеза заключается в том, что закон невозрастания информации (и сопряженный с ним закон неубывания энтропии, он же второй закон термодинамики) не являлся изначально присущим нашей Вселенной, а возник позже, в результате опять же катастрофы, изменившей фундаментальные физические константы. В пользу этой гипотезы говорит один очень значимый факт – усложнение генотипов у живых существ кембрийского периода. Получается, что либо информация возникала самопроизвольно (данного закона еще не существовало), либо все живые организмы получили некое стороннее информационное воздействие, и тогда справедлива первая гипотеза – наличие некоего биогенного алгоритма, внешнего по отношению к живым системам.

Итак, перспективные научные поиски в отношении проблемы происхождения жизни могут быть в трех принципиально разных направлениях:

1. Поиск существования хотя бы в прошлом некоей неживой биогенной машины-алгоритма, внешней по отношению к живым системам.

2. Доказательство возможного существования жизни с самого начала зарождения Вселенной – и соответственно отодвигание вопроса о происхождении жизни к моменту зарождения самой Вселенной, т.е. обоснование предположения о совпадении двух Больших Взрывов – физического и биологического.

3. Доказательство возможной факультативности закона невозрастания информации (и сопряженного с ним второго закона термодинамики), не проявлявшегося до некоторого этапа эволюции Вселенной, и в том числе биологической эволюции, и соответственно поиск закономерности, включающей/отключающей этот закон. Последняя гипотеза перекликается с гипотезой Больцмана (см.) о наименьшей вероятности состояния Вселенной именно в настоящем, и увеличении энтропии как вероятностной характеристики физического мира как в будущее, так и в прошлое.


Date: 2015-08-06; view: 378; Нарушение авторских прав; Помощь в написании работы --> СЮДА...



mydocx.ru - 2015-2024 year. (0.006 sec.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав - Пожаловаться на публикацию