Правое и левое

В нашем рассказе о живых клетках до сих пор не говорилось ни слова еще об одном удивительном свойстве биоорганических молекул - об их оптической активности.

Пропустим луч солнечного света через кристалл исландского шпата - разновидность широко распространенного минерала кальцита. Луч расщепится на две части, два луча. В чем здесь дело?

Обычный белый свет - это набор электромагнитных волн, имеющих разную длину и колеблющихся в различных плоскостях. Даже если с помощью фильтров или специальных источников получить свет определенной длины волны - монохроматический свет, то и он будет s состоять из волн, колебания которых происходят в различных плоскостях.

Кристалл исландского шпата имеет такое строение, что при прохождении через него световой волны образуются два световых луча - «обыкновенный» и «необыкновенный»; колеблющееся электрическое поле одного луча находится в плоскости, перпендикулярной плоскости другого луча.

Физики говорят, что эти лучи поляризованы в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

Если определенным образом разрезать, а потом склеить два кристалла исландского шпата, мы получим поляризатор света, который называется призмой Николя. Она пропускает только «необыкновенный» луч плоскополяризованного света.

Действие призмы Николя можно понять из следующей аналогии. Если попытаться вложить столовый нож в закрытую книгу, это удастся сделать лишь при условии, что нож повернут в определенной плоскости. Книга - призма, нож - «необыкновенный» луч.

Явления, о которых мы сейчас говорили, были замечены учеными в самом начале XIX века.

Началось интенсивное исследование свойств плоскополяризованного света. В 1811 году французский физик Л. Араго обнаружил интересное явление. Он пропускал поляризованный свет через кристаллы кварца. Оказалось, что кристалл кварца способен поворачивать плоскость поляризации направленного на него светового луча.

Более того, Ж. Био, работавший вместе с Л. Араго, установил, что одни кристаллы вращают плоскость поляризации влево, а другие вправо. Такие кристаллы получили название энантиоморфных, то есть относящихся друг к другу как правая и левая руки, зеркально.

Но Био сделал еще одно важное открытие. В 1815 году он обнаружил оптическую активность (способность вращать плоскость поляризации света) у некоторых природных органических соединений. Он установил, что этим свойством обладают водный раствор тростникового сахара, скипидар, камфара.

Био прекрасно понимал разницу между оптической активностью кварца и органических соединений. Он подчеркивал, что оптическая активность кварца исчезает при разрушении его кристаллической структуры. Для этого вполне достаточно переплавить кристалл. Оптическую же активность жидкостей Био связывал со свойствами самих молекул жидкости.

В 1874 году молодые химики Я. Вант-Гофф и Ж. Ле-Бель установили основополагающее правило. Ни одна структура, ни одна молекула не может быть оптически активной, если ее атомы лежат в одной плоскости. Открытие этого правила положило начало стереохимии.

Необходимо подчеркнуть, что за 13 лет до открытия Вант-Гоффа и Ле-Беля выдающийся русский химик А. Бутлеров, впервые предложивший термин «химическое строение», писал, что важно знать, каким образом каждый атом в молекуле пространственно связан с другими атомами.

Нужно также сказать, что значительный вклад в изучение оптической активности внес великий Л. Пастер. В 1848 году ему впервые удалось разделить смесь двух оптически активных соединений. Естественно, что сама исходная смесь была оптически неактивной. Одна ее часть вращала плоскость поляризации света влево, а другая вправо. Это был раствор винной кислоты, состоящий из двух энантиомерных форм. Одна из них называется d-формой (от латинского слова dextro - правый), другая l-формой (levo - левый). Такие вещества, абсолютно одинаковые по своим химическим свойствам и отличающиеся только направлением вращения плоскости поляризации света, называются оптическими изомерами, или энантиомерами.

Пастер, тогда еще молодой человек, ему было всего 19 лет, представил свою работу во Французскую академию наук. Академия попросила Био дать рецензию на открытие Пастера. До этого Био исследовал образец виноградной кислоты и нашел его оптически неактивным.

Био предоставил Пастеру все требуемые реагенты, и в одной из лабораторий Коллеж де Франс начался знаменитый опыт. Через некоторое время Пастер передал Био кристаллы и сказал, что они будут вращать свет влево. Так оно и произошло. Маститый Био был потрясен.

Идеи Пастера и легли в основу теории Вант-Гоффа и Ле-Беля. За 14 лет до четкой формулировки основного положения стереохимии, в 1860 году Пастер писал: «Расположены ли атомы правой винной кислоты в направлении витков правой спирали... Или они образуют какую-то другую асимметричную группировку? Мы не можем ответить на эти вопросы. Однако нет никакого сомнения, что расположение атомов является асимметричным и не совместимым со своим зеркальным изображением. Не менее достоверно и то, что атомы l-формы кислоты обладают точно противоположным расположением».

Великий ученый замечательно ясно и точно объяснил загадку оптической активности.

После работ Пастера, Вант-Гоффа и Ле-Беля биохимиками был установлен поразительный факт. Во всем мире живого, в органических молекулах любой клетки белки построены только из одного типа пространственных изомеров аминокислот, а именно из l-аминокислот. Белки коровы, дерева, дрожжей и даже вирусов состоят из d-аминокислот.

Почему? Ведь правые и левые молекулы химически абсолютно одинаковы.

Они одинаковы, лишь когда дело касается взаимодействия с оптически неактивными веществами. Если же они реагируют с другими правыми и левыми молекулами, проявляются их стереохимические особенности.

Лауреат Нобелевской премии шведский физик X. Альвен развивает идею существования антимиров, где роль электрона выполняет позитрон, а вместо протона в ядре атома - антипротон. Такой мир, в терминах физики, являлся бы зеркальным отображением нашего мира. При соприкосновении они были бы уничтожены, аннигилировали. А в мире живого?

Правое и левое

Этот вопрос был поднят еще в XIX веке, но не физиками или биологами, а автором знаменитой «Алисы в Зазеркалье» Л. Кэрролом. Правда, он известен и как математик. «Может быть, зеркальное молоко не годится для питья», - рассуждает Алиса в знаменитой книге.

Кэррол прав. Если бы мы с вами были построены из белков, в состав которых входили бы не l-, а d-аминокислоты, внешне ничего бы не переменилось. Возможно, большинство людей писало бы левой рукой, а сердце билось бы справа. И животные и микроорганизмы дышали бы так же, как и сейчас. Но если бы 1 человек стал бы есть d-белки, он очень скоро умер бы от голода, так как d-аминокислоты не сумели бы включиться в состав 1-белкового мира.

Итак, почему у нас 1-, а не d-мир? Почему и как в результате эволюции произошел отбор только одной формы изомеров молекул?

В живых системах всегда присутствует только один оптический изомер, в то время как в процессах небиологического синтеза при прочих равных условиях (без использования оптически активных матриц) образуется рацемическая смесь молекул, то есть смесь, состоящая поровну из 1- и d-форм и не вращающая плоскость поляризации, в процессах биосинтеза синтезируются оптически активные соединения. По этому поводу существует целый ряд предположений, и мы остановимся на обзоре лишь некоторых гипотез, представляющих, на наш взгляд, наибольший интерес.

Лауреат Нобелевской премии известный химик Д. Уолд подчеркивает различие формы у энантиомеров как весьма важное качество для ряда биохимических реакций и обосновывает предположение, что оптическая активность возникла в результате естественного отбора молекул из начальной рацемической смеси.

Целесообразно, однако, указать сначала на природные источники оптической асимметрии, которые могли бы играть определенную роль в отборе молекул. Так, еще в 1896 году было обнаружено, что оптические изомеры отличаются коэффициентами поглощения поляризованного света. Это явление могло бы в принципе служить механизмом отбора, так как на поверхность Земли попадает некоторое количество поляризованного излучения.

Однако результирующий эффект, по-видимому, слишком мал, чтобы играть заметную роль в возникновении столь явно выраженного отбора энантиомера одного типа.

В качестве возможной причины появления оптической активности рассматривались кристаллы кварца, которые могут разделять оптические изомеры с различной адсорбцией и играть определенную роль в ассиметрическом синтезе (небиологическом) на поверхности. Но для этого одна форма кварца должна быть преимущественной. Если же правые и левые кристаллы кварца ветре» чаются одинаково часто в природе, то остается надежда лишь на локальные флуктуации какой-либо из этих форм.

Правда, известный геохимик В. Гольдшмит сообщил, в свое время о преимущественном распространении правых кристаллов кварца. Он полагал, что правых кристаллов в 10 раз больше, чем левых. Другие геологи не сумели подтвердить численные данные Гольдшмита. Однако нельзя исключить того обстоительства, что правых кристаллов действительно несколько больше, чем левых. Тем не менее кристаллы кварца не могли играть сколь-либо серьезной роли в возникновении биологической оптической активности, так как экспериментально была доказана равная эффективность правых и левых кристаллов кварца в отношении поверхностной ориентации аминокислот.

Уолд видит объяснение эволюционного пути этогд явления в постепенной селекции молекул. Для обоснования своей идеи он рассматривает полипептиды и белки, с одной стороны, и полинуклеотиды и нуклеиновые кислоты - с другой.

Большинство известных белков имеет в своей структуре спирализованные участки, называемые а-спиралью. а-спираль была открыта и изучена лауреатом Нобелевской премии и Ленинской премии аира знаменитым химиком Л. Полингом.

При изучении синтетических полимеров аминокислот удалось показать, что они образуют в некоторых расро-рах а-спиральную структуру самопроизвольно. Может ли cc-спираль образовываться из смеси l- и d-аминокислот? Тщательно проанализировав этот вопрос, Уолд приходит к выводу, что небольшие включения d-аминокислот не оказывают существенного влияния на а-спиральную конфигурацию. Однако возникновение а-спирали в рацемической смеси аминокислот маловероятно, если не невозможно, по все тем же стереохимическим причинам.

Сравнивая процессы полимеризации и свойства 1-, d-аминокислот и полимеров, можно сделать следующие важные выводы: полимер, состоящий из смеси 1-и d-аминокислот, растет значительно медленнее, чем 1- или d-форма отдельно (примерно в 20 раз медленнее). Кроме этого, смешанные полимеры короче, чем 1- или d-формы, образованные в аналогичных условиях. Но это еще не все. Смешанные полимеры гораздо менее стабильны в своей конфигурации, чем 1- или d-формы.

Все эти факторы могут обеспечить естественный отбор на молекулярном уровне по признаку стерического (сте-реохимического) преимущества.

Еще более нагляден пример с нуклеиновыми кислотами. Ведь они тоже оптически активны. Вернее, оптически активна молекула сахара, входящая в состав и ДНК и РНК. Полная геометрия двойной спирали определена структурой групп, связанных с асимметрическим атомом углерода в молекуле сахара.

Поскольку компонентами нуклеотидов являются d-caхара, то устанавливается определенная пространственная ориентация азотистых оснований по отношению к асимметричному углеродному атому молекулы сахара. Именно поэтому конфигурация нуклеиновой кислоты стерически четко определена, что и дает возможность для спаривания оснований, В случае же использования смеси 1- и d-сахаров азотистые основания не могут расположиться комплементарно и двойная спираль не сможет образоваться.

Что же определяет в природе выбор правого или левого?

Саму оптическую активность объяснить нетрудно. Труднее объяснить, почему природа сделала столь определенный выбор. Обсуждая этот вопрос, Уолд вспоминает свой разговор с Эйнштейном.

Почему живое использует 1-аминокислоты? Этот вопрос аналогичен проблеме зарядовой симметрии в физике. Эйнштейн говорил, что он часто задавал себе вопрос, почему электрон заряжен отрицательно. И в том и в другом случае можно дать аналогичный ответ: одна форма победила другую. Возможно, говорит Уолд, некоторое время существовали 1- и d- организмы. Затем одна популяция вытеснила другую. Возможно также, что отбор произошел раньше, на стадии предбиологической эволюции.

Идеи Уолда представляются весьма интересными и обоснованными именно в части естественного отбора оптических антиподов, их внутренней приспособленности для построения структур высшего порядка. Что касается вопроса о том, почему мы имеем на Земле жизнь, а не «антижизнь», то есть системы, построенные из 1-аминокислот и d-сахаров, а не наоборот, то, по-видимому, сегодня мы не в состоянии решить эту задачу.

Правое и левое-2

Во всяком случае, проблема возникновения оптической активности не кажется сегодня столь загадочной, и можно уверенно констатировать, что наметились конкретные пути решения.

Совсем другое дело - загадка происхождения генетического кода. Трудности на этом пути столь велики, что даже в настоящее время возникают идеи о внеземном происхождении земной жизни.

Так, совсем недавно Ф.Крик и Л. Оргел с учетом космологических данных ревизовали модель панспермии и предложили модель так называемой направленной панспермин, в которой возникновение жизни на Земле объясняется целенаправленной деятельностью цивилизаций, возраст которых больше возраста Солнца.

Бесспорно, что, пока не будет решена проблема возникновения генетического аппарата в чисто философском аспекте, мы не можем полностью отвергать идею панспермии, в какой бы форме она ни предлагалась. Однако нужно помнить о том, что эта идея не дает решения проблемы возникновения жизни в целом, относя его в другое место и в другое время.

Нужно сказать, что в чисто философском плане эта модель представляет интерес как пример труднодоказуемого и также трудноопровергаемого предположения.

Ортодоксальная теория панспермии, выдвинутая впервые Аррениусом и развитая впоследствии другими учеными, заключается в том, что жизнь была занесена на Землю в виде спор внутри метеорита внесолнечного происхождения. В такой форме теория приводит к экстремально низким вероятностям зарождения жизни вследствие чрезвычайно малой частоты подобного рода событий.

Крик и Оргел считают последнюю точку зрения ошибочной, поскольку могли существовать планеты другого типа, чем Земля. На этих планетах каталитическая активность минералов (и это особенно важно для возникновения живых систем) могла сильно отличаться от земной. Такие планеты могли существовать задолго до образования Земли.

Авторы принимают, что время существования Галактики - 13 миллиардов лет, и спустя 2 миллиарда лет после возникновения Галактики могли появляться звезды, которые содержали не только легкие, но и тяжелые элементы.

Таким образом за 6,5 миллиарда лет до образования нашей солнечной системы могли возникнуть планетные системы, в которых были планеты типа Земли.

Поскольку время, в течение которого на Земле возникла технологически развития цивилизация, меньше 4 миллиардов лет, то даже до образования Земли как планеты в Галактике могли существовать высокоразвитые технологические цивилизации.

На основании этих астрофизических данных Крик я Оргел предполагают, что жизнь на Земле возникла в результате заражения нашей планеты микроорганизмами специально посланными высокоразвитой цивилизацией для осеменения планет, потенциально пригодных для жизни. Для этой цели был использован автоматическими космический зонд.

Правое и левое-3

Исходя из ближайших возможностей нашей собственной цивилизации, нетрудно убедиться, что создание такого космического корабля вполне реальная задача. При полезной нагрузке в одну тонну можно послать десять образцов по 10¹⁶ микроорганизмов в каждой или 100 образцов по 10¹⁵ клеток. Нет никакой необходимо приблизительно 10⁵ световых лет, и, таким образом, в принципе за 10⁸ лет автоматический корабль может достигнуть границ Галактики, если его скорость составляет 0,001 от скорости света.

Здесь неясным моментом является вопрос о сохранности зародышей в течение времени порядка 10⁶-10⁸ лет. Однако, если сохранять споры при температурах, близких к абсолютному нулю, эта трудность может быть разрешена.

Таким образом, Крик и Оргел не считают невероятным появление жизни на Земле именно таким путем. В защиту своей позиции они выдвигают следующие аргументы.

Химический состав живых систем должен хотя бы в некоторой степени отражать условия их возникновения и развития. Поэтому наличие в земных формах жизни редких элементов может свидетельствовать об их внеземном происхождении.

Авторы считают, что молибден является свидетелем внеземного происхождения нашей земной жизни. Процентное содержание хрома, никеля и молибдена составляет на Земле 0,2; 3,16 и 0,02 процента соответственно. И хотя первые два элемента не играют в биохимии практически никакой роли, молибден принимает участие во многих ферментативных реакциях.

Если бы удалось показать, что элементы, представленные в земных организмах, коррелируют с содержанием элементов в так называемых «молибденовых» звездах, это послужило бы серьезным доказательством в пользу выдвигаемой гипотезы. Однако этот аргумент не выдерживает критики в силу того, что нужно рассматривать не процентное содержание элементов в массе Земли в целом, а степень их концентрирования в живых системах по сравнению с их концентрациями в земной коре или морской воде. Тогда оказывается, что молибден не занимает никакого особенного положения по сравнениюЛ например, с фосфором.

Гораздо более серьезным аргументом в пользу этой гипотезы является проблема универсальности генетического кода, поскольку в настоящее время не существует сколь-либо удовлетворительной теории, объясняющей возникновение кода и его универсальность. Поэтому гипотеза направленной панспермии, постулирующая возникновение всех форм земной жизни от одного внеземного микроорганизма, наиболее легко и естественно «расправляется» с этой загадкой.

Правда, перенося решение проблемы возникновения жизни в другое место и время, эта гипотеза не дает никаких позитивных путей для решения интересующей нас задачи.

Действительно, пусть 13 миллиардов лет назад был Большой Взрыв, а спустя 2 миллиарда лет начали образовываться звезды и планеты. И пусть на какой-то планете возникла жизнь. Но задача науки состоит именно в том, чтобы объяснить, как эта жизнь возникла, где бы это ни случилось: на Земле или какой-то другой планете.

Бесспорно, что гипотеза внеземного происхождения жизни, одним из авторов которой является крупнейший ученый современности Ф. Крик, лишний раз свидетельствует об огромной сложности проблемы зарождения жизни и, в частности, проблемы возникновения генетического кода. Однако в научном плане ее вряд ли можно считать плодотворной, хотя в принципе нельзя исключить внезапного пересмотра наших представлений вследствие выхода человека в Космос.

Отметим, что, если встать на позиции теории направленной панспермии, вероятность существования жизни во Вселенной резко повышается, так как каждой «зеленой» планете можно приписать вероятность присутствия жизни на ней, равной 1.

В этом случае жизнь во Вселенной - явление очень распространенное. Но где тогда эта сверхцивилизация, которая «тиражировала» жизнь в нашей Галактике?

Ведь эта цивилизация должна быть на миллиарды лет старше нас. Жива ли она до сих пор или погибла в результате какой-нибудь космической катастрофы?

Только ли на Земле могла эта цивилизация оставить зародыши жизни?

Быть может, космические автоматы посещали подряд все планеты солнечной системы и на далеких внешних Планетах - Уране, Нептуне и Плутоне тоже были оставлены «семена» жизни. За миллиарды лет с ними могли произойти удивительные изменения.

Недаром, когда ученые начали планировать эксперименты по поиску жизни на Марсе, одним из основных требований, выдвинутых биологами, было требование о стерилизации всей научной аппаратуры и космического корабля. Все детали были «прожарены» при температуре около 130 градусов Цельсия.

Подобные предосторожности были предприняты для того, чтобы не привести возможные инопланетные формы жизни в контакт с земной микрофлорой. Ведь в результате этого контакта инопланетная жизнь могла бы быть уничтожена. С другой стороны, хорошо известно, что при возвращении с Луны американские космонавты проходили весьма продолжительный карантин.

Отметим еще одно обстоятельство. Если правы Крик и Оргел, жизнь в Галактике должна быть построена пот единому образцу.

По всей видимости, дальнейшие, более глубокие исследования планет помогут в известной мере приблизиться к решению проблемы возникновения и существования внеземных форм жизни. Именно поэтому в решении Бюраканской конференции подчеркнута важность экспериментов по поиску жизни на других планетах солнечной системы.