XVII. Реалистические граничные условия

Обсуждение «реалистического гиперцикла» было бы неполным без рассмотрения реалистических граничных условий. Мы остановимся на этом вопросе лишь вкратце не потому, что не признаем важности граничных условий для исторического процесса эволюции — возникновение жизни на нашей планете в конце концов есть историческое событие, — а потому, что понимаем, как мало в действительности мы можем сказать. В то время как ранние стадии жизни из-за эволюционной согласованности оставили хоть какой-то след в современных организмах, соответствующие свидетельства ранних условий среды отсутствуют. До сих пор в нашем обсуждении мы были, наверное, в какой-то мере несправедливы по отношению к экспериментам, имитирующим первичный безматричный синтез белка, которые были проведены Фоксом [91] и другими исследователями (см. обзор Дозе и Раухфусса [92]). Наша цель состояла в том, чтобы понять принципы ранних форм организации, которые сделали возможными самовоспроизведение, отбор и эволюционную адаптацию биосинтетических механизмов — какие свойственны современным живым клеткам. Белки не наследуют основных физических предпосылок для такой адаптационной самоорганизации — по крайней мере не в такой очевидной форме, как это свойственно нуклеиновым кислотам. С другой стороны, белки наследуют колоссальную функциональную емкость, в чем они далеко превосходят нуклеиновые кислоты. Поскольку белки в первичных условиях могут образоваться гораздо легче, наличие больших количеств разнообразных материалов,

обладающих каталитическими свойствами, было, наверное, существенным свойством среды. Исследования в этой области ясно показали, что в первичных условиях мог существовать вполне эффективный белковый катализ.

В этом отношении особого внимания заслуживают поверхности. Покрытые каталитически активным материалом, они могли представлять собой наиболее благоприятные места для протекания первичных процессов синтеза. Ограничение молекулярного движения в пределах плоскости очень сильно увеличивает эффективность столкновений, особенно если мы имеем дело с последовательностями реакций высокого порядка.

Л. Онзагер [93] подчеркивал, что в первичных условиях океаны, вероятно, почти сплошь были покрыты слоями отложившихся гидрофобных и гидрофильных веществ (см. также [94]). Возможно, в этих мультислоях существовали благоприятные условия для протекания предбиологических химических реакций. Ввиду очевидных преимуществ, которые дают поверхности, мы исследовали свойства гиперциклов при соответствующих граничных условиях среды.

В качестве простой модели рассмотрим систему, подобную той, которая схематически изображена на рис. 59. Синтез полимеров протекает только в поверхностном слое который имеет конечную емкость для связывания матриц и ферментов. Кинетические уравнения будут иметь тот же вид, что и для гомогенного раствора, только теперь мы должны в явном виде учесть диффузию. Мы вводим функцию роста, которая зависит от поверхностной концентрации репликативных молекул и ферментов. Предполагается, что диффузия внутри поверхностного слоя идет быстро и не лимитирует скорости реакций. Адсорбция и десорбция макромолекул рассматривается как реакция обмена между поверхностным слоем и слоем раствора, прилегающим к поверхности Разложение может происходить на поверхности раздела и/или (только) в объеме раствора.

Рис. 59. Схематическое представление модели гетерогенной реакции с участием гиперциклической связи. Выделены три пространственные области: поверхность раздела, пограничный слой у поверхности раздела, объем раствора. На химические реакции, протекающие по схеме гиперцикла, накладывается диффузия к поверхности раздела и обратно.

Наконец, транспорт веществ к поверхности и от нее описывается соответствующим диффузионным членом.

В зависимости от предполагаемого механизма синтеза может возникнуть необходимость в рассмотрении независимых сайтов связывания для матриц и для ферментов. Мы использовали эту модель, чтобы получить какое-то представление о поведении гиперциклов с трансляцией (см. разд. IX в части Б). Численное интегрирование для нескольких наборов кинетических параметров проводилось по методу, описанному в литературе [95]. Можно выделить три основных результата, два из которых полностью аналогичны тем, которые получились для гиперциклов в гомогенном растворе.

А. При очень низких концентрациях полинуклеотидов и полипептидов или при больших значениях [см. уравнения (73), (75) и (79)] поверхностные плотности полимеров не достигают стационарных

(кликните для просмотра скана)

значений, а убывают либо монотонно, либо с затухающими колебаниями. Соответственно через некоторое время макромолекулы вымирают (рис. 60).

Б. Выше определенного порогового значения полной концентрации в системах с наблюдается выход на предельный цикл. Такая ситуация аналогична случаю нижнего концентрационного предела в гомогенном растворе (рис. 61).

В. При достаточно больших концентрациях мы, наконец, получаем стационарное состояние:

где концентрации ферментов и информационных РНК соответственно, их стационарные значения, время.

В системах меньшей размерности наблюдалось лишь поведение типа

Эти модельные вычисления были дополнены исследованиями нескольких сходных проблем с использованием стохастических методов машинной имитации. Результаты снова выявили близкую аналогию между поведением гиперциклов на поверхностях раздела и в гомогенном растворе (как было подробно описано в части Б).

Учет реалистических граничных условий — это тот момент, на который делается особый акцент в статьях Куна [96]. Мы не спорим с допущением «структурированной среды», но мы и не знаем также, можно ли согласиться с постулированием строго определенных условий среды, пока не будут получены экспериментальные данные, которые покажут по меньшей мере полезность таких постулатов.

Наши модели никоим образом не ограничены случаем пространственной однородности (см. вычисления, приведенные выше). Логические предпосылки, лежащие в основе различных моделей, — а именно существование колоссального числа структурных вариантов, требующих естественного отбора, ограничение информационного содержания отдельных репликативных единиц из-за ограниченной точности или обязательное наличие функциональной связи для обеспечения согласованной эволюции всего ансамбля — на самом деле остаются в силе при допущении любых реалистических условий среды. Вывод Куна о том, что предложенный нами тип организации «ограничивается частным случаем пространственной однородности», не затрагивает существа дела. Кто стал бы сейчас утверждать, что жизнь могла возникнуть только в пористой среде, или на поверхностях раздела, или в мультислоях на поверхности океана, или в толще морской воды? Модели показывают, что она может зародиться — с большей Или меньшей вероятностью — при любых перечисленных граничных условиях, но в том и только том случае, если выполняются определенные требования. Эти требования относятся к проблеме генерации и накопления

информации и качественно не меняются при различных граничных условиях.

В основном то же самое можно сказать и в отношении временной однородности или неоднородности. В части Б было показано, что селективные критерии могут принимать особенно простую форму, если они применяются для условий стационарности. Поскольку в них входят относительные, а не абсолютные скорости реакций, они качественно остаются одинаковыми независимо от того, будет ли система расти, колебаться или находиться в стационарном состоянии.

Не вызывает сомнений, что отжиг является полезной процедурой в решении многих проблем, связанных с разделением фаз. Однако вопрос о том, будут ли тепловые флуктуации в равной степени полезны и для отбора более длинных полинуклеотидов, должен быть решен экспериментально.

Чтобы установить, могут ли температурные флуктуации способствовать отбору цепей с повышенным информационным содержанием, следует тщательно проанализировать относительные температурные коэффициенты всех соответствующих процессов. Температурный коэффициент гидролиза, по-видимому, максимален. Инструктированная репликация, как правило, вовсе не ускоряется при высоких температурах. Дело в том, что включающийся нуклеотид должен кооперативно связаться со своим комплементарным основанием в матрице, одновременно используя стэкинг-взаимодействие с предыдущим основанием растущей цепи, а выше точки плавления матрицы такое взаимодействие становится невозможным. Все эти соображения остаются в силе для любого вида окружающей среды, будь то водная фаза, поверхностный слой или компартмент в крупнозернистом или пористом материале.

Важным фактором повышения информационного содержания является то, что комплементарные взаимодействия сильнее некомплементарных. В общем случае дискриминация идет лучше при низких температурах, чем при высоких. Миллер и Оргел [63,

с. [26] делают следующий вывод из своих экспериментальных данных: «Мы не знаем, какова была температура первичного океана, но мы можем сказать, что нестабильность различных органических соединений и полимеров является убедительным доводом в пользу того, что жизнь не могла бы возникнуть в океане, если бы его температура не была ниже 25 °С. Температура 0°С весьма способствовала бы этому процессу, а температура была бы даже еще лучше. При таких низких температурах большая часть воды на примитивной Земле находилась бы в виде льда, а жидкая морская вода имелась бы только в экваториальных областях океана.

Есть и другое основание считать, что жизнь возникла при низких температурах — в океанах или в озерах. Все реакции, направляемые матрицами, которые, по-видимому, привели к возникновению биологической организации, идут только ниже температуры плавления соответствующей организованной полинуклеотидной структуры. В случае полинуклеотидно-мононуклеотидных спиралей — это температуры от 0°С (или еще ниже) до примерно 35°.

Среду, в которой возникла жизнь, часто называют теплым разбавленным бульоном органических соединений. Мы думаем, что холодный концентрированный бульон являлся бы лучшей средой для возникновения жизни».