М.Л. Конечно. Дело в том, что и существование науки, которая позволяет всё это проследить, – это ничтожная искорка. Такой ничтожный момент времени, что тут вопросов можно задать много, и даже задать их ещё надо уметь. Поэтому вот путь, который мы считаем очень перспективным: первое – и в неживой, и в живой природе происходит усложнение. Второе – очень существенны процессы самоорганизации, которые и могли быть тем переходным мостиком, который преодолел этот разрыв.
И где-то должны были быть, конечно, качественные скачки…
Возникновение биологической информации
Участник:
Дмитрий Чернавский – доктор физико-математических наук
Александр Гордон: Доброй ночи! Феномен возникновения живого входит в явное и, я бы сказал, яркое противоречие с теорией вероятности – не только феномен возникновения, но и биологической эволюции. Принято считать, что вероятность возникновения жизни приблизительно равна вероятности самосборки самого современного «Боинга» из деталей, которые валяются на свалке. Но так ли неодолимы эти противоречия между теорией вероятности и возникшей всё-таки жизнью?
Дмитрий Чернавский: Проблема возникновения жизни волновала давно, и она состоит из нескольких этапов. Каждый этап был в своё время проблематичен.
Первая проблема. Как возникли необходимые органические молекулы? Эта проблема решена химиками и физиками. Нужно представить себе обстановку в предбиологический период. Обстановка была крайне, так сказать, термодинамически неравновесной. Там «беспрерывно гром гремел, во мраке молния сверкала», вулканы извергались. Ну и в результате образовались органические молекулы. Проблема решена была.
Вторая проблема. Образовались молекулы, но их мало, а нужно, чтобы они были сконцентрированы. Вот эту проблему фактически решил Опарин в 20-х годах прошлого столетия. Он показал, что действительно органические молекулы типа липидов и аминокислот могут собираться в капли. Он назвал это коацерватами. И проблема была решена.
Третья проблема. Хорошо, аминокислоты собираются, нуклеотиды собираются, но в жизни-то полинуклеотиды – они длинные. Как они могли образовываться сами в предбиологический период? Проблема решена была Фоксом и Егами. Показано было, что могли они образовываться, но, разумеется, случайные. И тут возникла четвёртая проблема.
Проблема в следующем. Биологические полимеры – они же не случайные. Они содержат информацию. Напомню, что основными полимерами являются ДНК или РНК – они хранители информации, в них последовательность несёт эту информацию. А рабочими телами являются белки. Известно, что в современной биосфере нуклеотиды кодируют белки – ко-ди-ру-ют. Что это значит? Это значит, что в соответствии с последовательностью нуклеотидов образуется последовательность белков, каждая тройка нуклеотидов – кодон – кодирует или соответствует одной аминокислоте и получается, таким образом, заданная последовательность белка. Затем она сворачивается и, в зависимости от последовательности, получается тот или иной белок, с той или иной функцией.
Какие белки должны быть, чтобы работали? Большие. Они должны содержать примерно 200 аминокислот. Следовательно, полинуклеотид должен содержать примерно 600 аминокислот – определённой последовательности. Давайте посчитаем, а сколько вообще может быть вариантов последовательности? Очень просто. Нуклеотидов всего четыре – 600 цепочек. Соответственно, число вариантов – четыре в шестисотой степени. Или два в тысяча двухсотой. Или десять в четырехсотой степени. Вот это число, вы о нём говорили, это число является круциальным. Вероятность, что соберётся какой-то определённый полинуклеотид – соответственно, единица, делённая на десять в сороковой. Число попыток за всё время существования Земли и во всех лужах – примерно десять в тридцатой. Вот сравните. Десять в тридцатой и десять в четырехсотой.
А.Г. Явное противоречие, не может быть такого.
Д.Ч. Просто помножим одно на другое, получим вероятность десять в минус 360-ой. Это число абсурдно мало. Соответственно, и число вариантов тоже мало. Никогда столько вариантов мы не переберём. Даже специальное название «гугол» введено.
Нужно сказать, что все остальные числа, которые есть в физике, они существенно отличаются от этого. Например, чисто атомов во всей Вселенной – порядка десять в пятидесятой – в пятидесятой! Вот в этом суть проблемы – десять в минус четырехсотой. Можно сделать этот показатель вдвое меньше, всё равно абсурд.
Как к этому относятся? По-разному. Химики (не все химики, естественно) считают, что можно собрать – они умеют собрать – полинуклеотид в заданной последовательности из трех, четырех, пяти. «Умеем из пяти, соберём двести». То есть, это качественное различие не осознаётся.
Математики: «Вероятность мала, ну и что? Жизнь уникальна, событие одно. К одному событию вероятность неприменима. Это случилось, живём, слава Богу, и…»
Биологи. Вот биологи чувствуют это. И приходят к выводу: Бог создал жизнь. Может ли быть здесь решение этой проблемы? Вот об этом и пойдёт речь.
Сразу должен предупредить, что речь пойдёт о дискуссионной проблеме. Мы с Ниной Михайловной (она сейчас, к сожалению, заболела, не смогла прийти) примерно тридцать лет тому назад занялись этой проблемой. И она сейчас на том же месте. Я сразу должен предупредить, что обычно учёные говорят о том, как «наука семимильными шагами движется вперёд», и это, естественно, так приятно. Но я буду говорить о том, как наука семимильными шагами топчется на месте. Но, тем не менее, решение возможно. Какое это решение и как можно представить себе, что такое «кодирует» и что такое «катализирует». Нужно задуматься, что такое «кодирует». В современной биосфере процесс кодирования хорошо изучен. Если можно, первую схему.
А.Г. Сейчас дадут.
Д.Ч. Схема проста. В ней главное – последовательность ДНК. С неё снимается реплика. Я уверен, что это не раз обсуждалось у вас, поэтому я кратко очень скажу. С неё снимается реплика, потом поступает транспортная РНК к системе адаптеров. Что такое адаптеры? Адаптеры – это самое интересное и важное место здесь. Адаптеры, их всего 64, это белки, которые умеют присоединять нужную кислоту к РНК, нагруженной нужным кодоном. Адаптеры знают алфавит – код. Сами они белки, сами они по той же схеме образуются.
Но вот после того как адаптеры нагрузили транспортную РНК, она подходит к рибосоме, к рибосоме же подходят мессенжер РНК. И там происходит трансляция, то есть по коду, последовательности нуклеотидов собирается последовательность белка. Вот что значит «кодирует». Приведу аналогию.
Вот завод. Как он работает? Нужно изготовить деталь. Есть чертёж, инструкция. В инструкции сказано, причём, на определённом языке сказано, где нужно дырочку просверлить, какую там форму сделать и так далее, потом всё это реализуется и получается деталь. Вот что такое «кодирует».
Говорят, что белки катализируют. Что такое «катализируют»? Это я лучше поясню чуть попозже, а перед этим давайте представим себе, как мог образоваться самый простой живой организм. Что он должен содержать? Во-первых, последовательность ДНК. Во-вторых, белок, который бы способствовал её редупликации. Такой организм из двух всего компонентов может размножаться, причём так, что последовательность при этом сохраняется. И может – но вопрос: а как белок действует? Это более-менее известно.
Белок (в данном случае, белок репликаза, тот самый, который способствует редупликации) представляет собою нечто вроде подковы или чехла, который обволакивает. Можно следующий слайд?
Вот здесь изображена простейшая схема простейшего организма или гиперцикла, как Ейген его назвал. В этом гиперцикле содержатся четыре нуклеотида и четыре белка. Нуклеотиды кодируют белки, а белки катализируют образование ДНК. В простейшем случае – их всего два. Один кодирует, а другой катализирует, но что катализирует? Репликацию катализирует. Следующий слайд, если можно.