«МЕХАНИЗМ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ
ОРГАНИЧЕСКИХ МОЛЕКУЛ»

Из доклада академика В.ПАРМОНА.

Крупнейшая нерешенная научная проблема XXI века — когда и как появилась жизнь на Земле. В результате исследований, проведенных в Институте катализа СО РАН, предложены две новые, неожиданные идеи к решению вопроса о происхождении первичного органического вещества, ставшего основой для всех живых организмов на Земле и первых шагах его эволюции. Одна из идей — "катализ формирует планеты", другая — "естественный отбор начинается на химической стадии эволюции".

Для пояснения этих гипотез нужно сказать, что по астрофизическим и геологическим данным на возникновение жизни отводится не более 600-900 миллионов лет. Солнце вместе с планетами появилось 4,6 млрд. лет назад. О первых 600 млн. лет из 4,6 млрд. лет жизни Земли сведений нет. Получить прямые данные об этом периоде невозможно. Все первичные породы земной коры оказались преобразованы в результате бомбардировки планеты космическими телами и в последующих геологических процессах. Тем не менее, наиболее известная гипотеза А.Опарина относит возникновение жизни в "бульоне" на поверхности Земли на эти первые, догеологические миллионы лет, впрочем, как и гипотеза С.Аррениуса о выпадении живого вещества из космоса. С другой стороны, на Земле по сравнению с Солнцем отмечен огромный недостаток водорода, углерода, азота — самых распространенных элементов в космосе. Они наряду с кислородом — главные элементы живого вещества. Возникают простые вопросы. Имела ли Земля ранее большее количество указанных элементов? Если имела и потеряла, то как, когда и сколько? Живое вещество возникло до или после потери? Как появилась сама Земля? Ясности нет, так как теория образования планет в столкновениях из первичного газопылевого облака не решила этой проблемы.

Проблема возникновения жизни и проблема планетообразования сходятся для Земли в одном временном интервале. В.Снытников из Института катализа в 1996 году высказал предположение о синтезе органических соединений непосредственно при формировании Земли, которое возможно происходит через развитие коллективной неустойчивости, то есть одновременное объединение многих-многих малых тел.

Итак, исходная "каталитическая" гипотеза: синтез первичных органических соединений и образование планет — две стороны одной медали. С точки зрения химиков, требовалось показать работу универсального природного реактора, в котором синтезировалось органическое вещество. С точки зрения физиков, требовалось изучить образование планет как самоорганизацию материи, как результат воздействия протозвезды на свое окружение с учетом обратных связей и химических реакций в среде. Для ответа на поставленные вопросы коллективом ученых Сибирского отделения РАН были проведены численные эксперименты с решением фундаментальных уравнений гравитационной физики. Эти эксперименты показали, что присутствие органического вещества на частицах пыли радикально меняет динамику газопылевой среды в околозвездном диске. На общем фоне плотности появляются сгустки вещества. Эти сгустки могут двигаться как угодно — по ходу и против вращения, к протозвезде и от нее, взаимодействовать между собой. Такими свойствами обладают солитоны — одиночные волны плотности. Эти волны формируются коллективным движением частиц. Частицы совместно собирают в волну газ. Волна действует как великолепный химический реактор. Он устроен по типу промышленных реакторов с "псевдоожиженным" кипящим катализатором. Это один из самых эффективных, но вместе с тем сложных в эксплуатации промышленных реакторов. Космический реактор с восстановительной водород-гелиевой атмосферой по давлению и температуре реагентов был близок к условиям лабораторных каталитических реакторов. А недостатка высокоактивного катализатора — межзвездной пыли и реагентов — космического синтез-газа из оксида углерода, азота с громадным преобладанием водорода, в допланетном околозвездном диске не было. Химические реакции синтеза сложных органических соединений из простых газов, в частности, синтез Фишера-Тропша являются предметом интенсивного изучения в катализе. Поэтому многие данные по химическим реакциям первичного синтеза органического вещества могут быть получены на имеющихся каталитических установках.

Дальнейшая эволюция вещества очевидна. При увеличении массы органических соединений волна схлопывается в связанный сгусток вещества. В ближней к Солнцу зоне сгусток двигается, теряя водород, гелий, легкую органику под действием солнечного ветра и излучения. В дальней зоне Юпитер и холодные внешние планеты сохраняют эти газы. Затем сгусток превращается в планету, вступая в геологическую эволюцию. Основная масса органического вещества и метана из зоны первичного синтеза разрушается, попав на Солнце и развеиваясь в космосе. Однако тяжелые и сложные органические соединения при огромной своей концентрации могли сохраниться в дальнейших катаклизмах и стать основой для возникновения и питания биологического сообщества. Или же темпы химической эволюции были столь стремительны, что жизнь зародилась даже до оформления вещества в планету — на фоне колоссальных потерь органического вещества?

Но само органическое вещество — это еще не жизнь. Это лишь намек на нее, на возможность ее появления. Существуют сотни определений явления "жизнь", и ни одно из них внятно не объясняет, где пролегает грань между "существую" и "живу".

Биологическая память — это действительно существенный момент, отличающий жизнь от не-жизни. Все классические определения жизни упираются в необходимость существования РНК (рибонуклеиновых кислот) и ДНК (дезоксирибонуклеиновых кислот) — молекулярных носителей биологической памяти. Ни одна из ныне существующих теорий зарождения жизни не разъясняет, откуда взялись первые ДНК и РНК. При этом весьма существенным будет вопрос: а могут ли быть более простые носители биологической памяти? Имеются ли некие эволюционные предшественники РНК и ДНК?

Среди химических процессов на "жизнь" больше всего похожи так называемые автокаталитические реакции, в которых происходит "размножение" молекул. Простейшая схема такой реакции: молекула "пищи" плюс молекула "помощника"-автокатализатора дают две молекулы этого самого автокатализатора. Обладают ли такие реакции зачатками "памяти", сходной с биологической? Для проверки этого предположения нужно провести автокаталитическую реакцию в открытой системе с постоянной подачей пищи. Но условия должны быть стационарными — когда количество "помощника" устанавливается неизменным во времени. Если "пищи" много, а автокатализатор со временем разрушается, то автокаталитическая реакция может оказаться в двух совершенно разных состояниях. Либо количество автокатализатора в системе окажется равным нулю, либо оно будет линейно возрастать с концентрацией пищи. То есть при уменьшении количества "еды" количество "помощников" тоже уменьшается. Но, оказывается, для автокаталитических реакций существует критический предел, при котором "еда" еще есть, а автокатализатор уже весь исчез, то есть "вымер". Вот это критическое количество пищи является точкой раздвоения дальнейших событий, "бифуркацией" открытой системы.

Теперь представим, что молекулы автокатализатора могут мутировать — чуть-чуть изменяться за счет, например, изменения структуры или даже состава молекулы. Тогда из той же "пищи" будут получаться молекулы "помощников", различающихся по свойствам. И для каждого из "помощников" точки бифуркации теперь будут немного различаться. Начнем уменьшать концентрацию "пищи" — некоторые "помощники", пройдя свои точки бифуркации, полностью исчезнут. А другие останутся! И если количество "пищи" начнет увеличиваться, то реагировать с ними уже будут только оставшиеся "в живых" автокатализаторы, чьи потребности оказались наименьшими.

В этом можно разглядеть некоторый аналог тому, что биологи называют естественным отбором. Критерием этого отбора будет способность "помощников"-автокатализаторов сохраняться при наименьших количествах "пищи". Иными словами, двигателем прогресса является голод: чем меньше кушаешь, тем больше возможность выжить. И отпрыскам своим надо передать способность выживать на голодном пайке. Все это не соответствует знакомой нам со школы теории о "жирном бульоне" древнейшей Земли. Но физическая химия на показанном примере категорична: только голод является двигателем отбора.

В этом состоит вторая ключевая идея наших исследований, высказанная мной (В.Н.Пармоном) в 2000 году — "естественный отбор начинается на химической стадии эволюции".

Есть ли в химии реакции, соответствующие приведенному примеру? На этот серьезный вопрос пока нет однозначного ответа. Однако по крайней мере одна реакция попадает под подозрение — реакция Бутлерова, описанная великим русским химиком еще в 1864 году. Это синтез различных сахаров из формальдегида в слабощелочных водных растворах в присутствии ионов кальция. Общепризнано, что реакция Бутлерова — автокаталитическая, хотя до сих пор неизвестно действие ее автокаталитического механизма. Интересно, что в семидесятые годы ХХ века на исследование реакции Бутлерова были истрачены десятки миллионов долларов: США и СССР надеялись получить с ее помощью источник искусственной пищи для длительных полетов на Марс. Увы, получаемая смесь сахаров всегда оказывалась ядовитой. Подопытные мышки, которых кормили этими сахарами, погибали. Нужные сахара не получались, и химики укрепились во мнении, что реакция неуправляема. Эксперименты, посвященные исследованию поведения реакции Бутлерова при уменьшении количества "пищи", до сих пор никем не проводились.

Во всех гипотезах зарождения жизни пальма главенства отдается белкам. Но самостоятельная "сборка" больших белковых молекул в растворах с малым количеством аминокислот — дело практически безнадежное. Если воды много, а аминокислот мало, то только что "собранный" белок тут же распадется на исходные аминокислоты. А в реакции Бутлерова таких проблем нет: создающимся сахарам ничего не мешает. И мутации в этой реакции есть: в каждом сахаре по-разному развернуты молекулярные группы. С химической точки зрения это настоящие "генетические" изменения!

Так какая же мутация так заинтересовала физхимиков? Вспомним, что РНК — рибонуклеиновая кислота — и ДНК — дезоксирибонуклеиновая кислота — в основе своего названия имеет рибозу, которая есть самый настоящий сахар. Все нуклеотиды РНК созданы на основе рибозы. Эти нуклеотиды легко образуются сами из нужных частей, "плавающих" в водном растворе. Лишь бы были эти "запчасти". Нуклеотид ДНК — это те же кислоты, как и в РНК, только с небольшими изменениями. АТФ — аденозинтрифосфорная кислота — главный переносчик жизненной энергии — тоже собрана на основе рибозы. Логичный вывод: необходимые "запчасти" для "сборки" первых РНК или ДНК — "прародительниц" в виде рибозы могут появиться в ходе реакции Бутлерова.

После почти тридцати лет перерыва ученые Института катализа СО РАН вновь начали эксперименты по исследованию реакции Бутлерова. Реакция действительно сложна и пока практически непредсказуема. Каждый раз получаются самые разные сахара. Но уже точно известно, что в этой реакции появляются малоизученные сахара — аналоги рибозы. Не они ли и стали исходными для зарождения ДНК, РНК и прочих признанных носительниц жизни?

Приведенные гипотезы не решают глобальной проблемы жизни. Они лишь чуть-чуть приоткрывают завесу тайны над происхождением некоторых субстанций, которые по прошествии какого-то числа лет станут живыми. Необъятное поле работы лежит перед учеными. Где-то находятся и ответы на заданные вопросы. В работе по интеграционному проекту Сибирского отделения РАН в настоящее время принимают участие химики, геологи, биологи, физики, математики. К решению проблемы происхождения жизни в настоящее время привлечены студенты Новосибирского госуниверситета и других вузов.

стр. 2-3