Термодинамические колебания привели к возникновению жизни?

В области абиогенеза ученые сейчас исследуют несколько путей, на которых жизнь могла возникнуть из неживой материи. Как правило, любая теория абиогенеза должна принимать во внимание два важных аспекта жизни: репликацию (способность передавать мутации потомству) и метаболизм (необходимые для осуществления жизненно важных функций химические реакции, такие как разложение пищи). Хотя эти две характеристики помогают вывести рабочее определение жизни, в последнее время ученые стали подчеркивать важность еще одной ключевой характеристики, необходимой для дарвиновской эволюции: отбор, или репликацию мутаций, обеспечивающих эволюционное преимущество.

Основной проблемой абиогенеза является нахождение первого живого существа, возникшего их неживой материи»,- говорит Дориано Броджиоли (Doriano Brogioli), физик из Университета Милан-Бикокка (University of Milan-Bicocca). «Но каково определение жизни: это репликация, или метаболизм, или просто автокатализ? Я думаю, что это не просто вопрос определения: необходима эволюция, даже если существо, проходящее эволюции (или осуществляющее ее), не является классическим живым существом. Если эволюция началась, она может достичь каких угодно сложных форм: из клетки она создает деревья, китов, птиц, муравьев и весь удивительный современный мир живого», - говорит Броджиоли.

Чисто химические системы могут обладать способностью к самовоспроизведению и метаболизму, но ученые установили, что химические системы как таковые не проходят отбора; более активные молекулы не реплицируются в больших количествах, чем другие, и полезные индивидуальные мутации не наследуются их потомством. Поэтому ученые предполагают, что для начала конкуренции между химическими системами необходим, вероятно, какой-то физический процесс, создающий селективное давление, необходимое для эволюции.

«Для эволюции важны три фактора: наследование, мутация и отбор», - говорит Броджиоли. «Определенные молекулы могут копировать другие молекулы, включая самих себя, и могут подвергаться мутациям. Но в растворе репликаз каждая репликаза копирует все, что там находится, включая неактивные молекулы или менее активные репликазы. Отбора нет. Причиной тому является то, что (традиционная) химия «покровительствует» эгоистичным молекулам: молекула, которая может быть более легко воспроизведена, увеличивает свою концентрацию. Чтобы имел место отбор, должен происходить физический процесс. Избирательность, присущая биологическим мембранам – пример существующего сегодня способа, используемого живыми организмами. Но трудно поверить, что такие сложные структуры как клетки могли возникнуть спонтанно, так как реплицирующиеся полимеры должны образовать единое целое с самими мембранами. Эта проблема присутствует во всех теориях абиогенеза, включая теорию РНК-мира и теории первичности метаболизма».

Чтобы удовлетворить требованию обязательности отбора, Броджиоли использовал уникальный подход, предположив, что решение проблемы может заключаться в термодинамических флуктуациях. Эти колебания, представляющие собой изменения количества молекул в данном объеме за счет теплового движения, могут привести к появлению эффективного отбора, позволяющему увеличить количество молекул, имеющих эволюционное преимущество. Исследуя некоторые химические системы, обладающие свойством, которое он называет минимальной химической стабильностью (chemical marginal stability), Броджиоли показал, что термодинамические колебания вызывают не только случайные отклонения, но и приводят к дрейфу, направленному в сторону увеличения эффективности репликации.

Броджиоли считает, что такой дрейф представляет собой раннюю форму эволюции, которая проходила до того, как мембраны начали включать в себя химические системы; после того, как это произошло, уже мембраны взяли на себя ответственность за определение более конкурентно способных существ, позволяя идти отбору. Если термодинамические флуктуации действительно играли роль в отборе при появлении жизни, снимается проблема одновременного возникновения реплицирующихся химических веществ и включающих их в себя мембран.

В своей статье Броджиоли рассматривает репликацию с точки зрения кинетики, в которой процесс наследования мутаций объясняется наличием множества стационарных состояний, что означает, что различные направления мутаций могут существовать одновременно, и потомки эти мутации унаследуют. Он доказывает, что химические системы, которые могут передавать мутации потомкам, можно рассматривать как системы с несколькими стационарными состояниями, имеющими, таким образом, свойство минимальной химической стабильности. Такие системы отличаются от простых автокаталитических систем (например, чисто химических систем), которые только производят потомство без передачи мутаций; в таком случае кинетика могла бы быть представлена начальными состояниями, все из которых ведут только к одному стационарному.

Как аналог минимально стабильной системы Броджиоли рассматривает механический пример куска мрамора на плоской поверхности, где любая точка поверхности является стабильной. Если кусок сдвинуть с места, он скорее стремится к другому стационарному состоянию, чем возвращается к своему первоначальному положению, так как отсутствует сила, способствующая возвращению. Подобно этому спонтанные флуктуации концентрации могут позволить химической системе наследовать множество мутаций от своей родительской системы, и каждую из этих мутаций можно рассматривать как стабильную.

Броджиоли открыл дрейф с помощью математических расчетов термодинамических колебаний во времени. Он установил, что, если присутствуют две репликазы, R1 и R2, наиболее эффективная репликаза, например, R2, количественно увеличивается и становится доминирующей. В объемах с более высокой концентрацией R2 будет происходить еще больше репликаций и все большей частью будет становиться R2. Впоследствии, благодаря случайным мутациям, может появиться еще более эффективная репликаза, и увеличиваться будет уже ее концентрация, и так далее.

На настоящий момент теория дрейфа подтверждена только математическими расчетами и остается пока только теорией. Броджиоли отмечает, что большинство химических систем, имеющих репликазу, не обладают свойством минимальной химической стабильности, и поэтому не зависят от термодинамических флуктуаций. Тем не менее, его работа показывает, что существование минимально стабильных химических систем, которые могут спонтанно эволюционировать, вполне возможно. Дальнейшее развитие этой теории может привести к чрезвычайно важным открытиям. Демонстрация минимально стабильных химических систем в лаборатории была бы не только первым экспериментом, в котором химическая система самопроизвольно эволюционирует, но и первой in vitro моделью химической реакции, ведущей к возникновению жизни.

«В настоящее время не создана ни одна репликаза, способная поддерживать саморепликацию, но репликация полимеров РНК может быть достигнута посредством присоединения коротких олигонуклеотидов», - говорит Броджиоли. «Это возможность [найти химическую систему, которая может иметь минимальную стабильность]. Другим вариантом является создание более абстрактной системы, в которой репликация осуществляется ферментом, и активность фермента зависит от присутствия одного из реплицированных полимеров. Очевидно, что это всего лишь доказательства принципа минимальной стабильности и эволюционного дрейфа, а не реальное воспроизведение возникновения жизни. Наиболее интересной возможностью является рассмотрение реакций, предложенных теориями первичности метаболизма. В этих теориях в абиогенез вовлечены не реплицирующиеся полимеры, а небольшие молекулы, составляющие подобие метаболической сети. Цель заключается в том, чтобы найти очень простую реакцию, которая может обладать свойством минимальной стабильности».

Автокатализ (слева) и репликация с наследованием (справа) с кинетической точки зрения: в случае автокатализа все начальные состояния в конечном итоге ведут к одному и тому же устойчивому состоянию. В случае репликации с наследованием первоначальные состояния ведут к различным устойчивым состояниям на кривой стационарных состояний. Синие стрелки показывают, что перемещение вдоль кривой стационарных состояний является дрейфом, направленным на увеличение количества наиболее активной репликазы - R2. (Рисунок: Doriano Brogioli. ©2010 The American Physical Society.)

По материалам

Could thermodynamic fluctuations have led to the origins of life?

Аннотация к статье: Marginally Stable Chemical Systems as Precursors of Life

© «Термодинамические колебания привели к возникновению жизни?». Полная или частичная перепечатка материала разрешается при обязательной незакрытой от индексации, незапрещенной для следования робота активной гиперссылке на данную страницу сайта.

Если Вы интересуетесь работами по термодинамике в области биологии, рекомендую ознакомиться с работами бельгийского ученого русского происхождения лауреата Нобелевской премии по химии (1977) Ильи Пригожина.