Левое и правое: главная загадка жизни

Живое вещество оптически асимметрично: при его построении использована лишь одна группа хиральных изомеров органических молекул, а другая проигнорирована. Важен ли этот феномен для понимания происхождения и сущности жизни?

Картина Рене Магритта «Репродуцирование запрещено», 1937 год

Что такое жизнь?

Как ни удивительно, наука, несмотря на тысячелетия поисков, до сих пор не знает, где провести разделительную черту; никак не удается указать, с какого момента позволительно резко, твердо и безоговорочно сказать: это «жизнь», «живое». Возьмем экстремальный случай.

Казалось бы, кристалл — олицетворение косности, инертности и неподвижности, какая может быть у кристалла жизнь? Однако он растет за счет элементов среды, способен залечивать повреждения. Это не простое увеличение числа связанных атомов, а процесс, с необходимостью включающий в себя постоянное воспроизведение заданной структуры, по существу — процесс самоорганизации. Информация о будущем кристалла закодирована в структуре его исходных компонентов. С виду холодные и бесчувственные, кристаллы рождаются, осваивают пространство. Им свойственно размножение путем деления, питание, в том числе хищничество и каннибализм (физико-химики это называют коалесценцией), а также обмен веществ, чувствительность и раздражительность, столь характерные для живых организмов. Порой, они даже способны двигаться!

Получается, что отличить живой объект от неживого каждому удается вследствие своего практического опыта, представлений о жизни, а не на основании строгого определения: всегда удается найти опровергающий его пример.

Особая мета жизни

Тут время вспомнить, что важнейшие строительные элементы белково-нуклеиновой системы — аминокислоты и сахара — нормально, вне жизни, существуют в виде двух пространственных антиподов-изомеров L и D (от лат. laevus — левый и dexter — правый). Подобно правой и левой перчаткам они зеркально отображают друг друга и, следовательно, ни при каком перемещении в пространстве не могут совпасть.

Каждый в отдельности взятый изомер обладает так называемой оптической активностью. Его раствор отклоняет плоскость проходящего поляризованного света на определенный угол: в одном случае вправо (правовращающий изомер), в другом — влево (левовращающий изомер). Изомеры в чистом виде, и «левые», и «правые», термодинамически гораздо менее устойчивы, чем их равновеликая (эквимолярная) смесь. По этой причине каждый из них имеет склонность к самопроизвольному превращению наполовину в свою стереохимическую противоположность. То есть, составленная любым из них молекулярная совокупность с течением времени самопроизвольно переходит в энергетически более выгодную форму — равновесный рацемат, где обоих изомеров поровну. Понятное дело, рацемат не обладает оптической активностью, поскольку в нем возможности отклонения плоскости поляризации влево и вправо взаимно компенсированы.

В процессе искусственного химического синтеза (как аминокислот, так и сахаров) всегда получается рацемат. Разделить рацемат на отдельные фракции или же заведомо получить таковые в чистом виде довольно трудно. Эти экспериментально выверенные факты определенно указывают на то, что на ранней Земле (в предбиологический период) безраздельно господствовали органические рацематы и, стало быть, жизнь исторически возникала на симметричном рацемическом фоне.

Асимметрия жизнь

Но однажды симметрия была каким-то чудесным образом нарушена, причем раз и навсегда. Биосфера решительно отвергла рацематы. Жизнь пошла наперекор сложившемуся в неживой природе статусу-кво и действующему в ней порядку. Жизнь не потерпела равноправия левых и правых стереоизомеров; она стала распознавать, принимать и воспроизводить в своем непрерывном метаболизме только D-сахара и только L-аминокислоты (как это мы хорошо знаем теперь). Единственной входящей в состав белков аминокислотой, не обладающей оптической активностью вообще, оказался глицин, поскольку в его молекуле нет асимметрического атома углерода.

Оптическая асимметрия живого вещества удивительна. В самом деле, правые и левые антиподы, образующие рацемат, носят одно и то же химическое название, они построены из одних и тех же атомов, с одной и той же последовательностью. Имеют одинаковые химические свойства, одинаковые физические константы (температура плавления и кипения, плотность, растворимость, показатель преломления). На основании этого сложилось представление о произвольном и совершенно случайном предпочтении D-изомеров сахаров и L-аминокислот, которое возникло на самых ранних этапах предбиологической эволюции. «Пока нет убедительных доказательств того, что молекулы, подобные белкам, не могли бы быть построены из равного числа правых и левых молекул аминокислот», — писал дважды лауреат Нобелевской премии Лайнус Полинг. И далее он же: «На Земле могли бы жить организмы, построенные из D-аминокислот, так же, как и организмы, построенные из L-аминокислот».

Действительно, ни один из фундаментальных законов физики не запрещает симметрию оптических изомеров, но нет жизни без оптической асимметрии; особая мета стоит на всем живом. Избирательное отношение к оптическим антиподам проводит резкую грань между живой и неживой природой. И на то должна быть веская, продиктованная крайней биологической необходимостью причина. Иначе говоря, наряду с вопросом «как это могло случиться?» (на котором традиционно, со времен Луи Пастера и до сих пор, сосредоточено внимание научной мысли), нужно поставить вопрос «зачем?».

Литературное произведение природы

Возьму на себя смелость заявить, что жизнь есть литературное произведение природы (от лат. littera — буква), созданное ею по определенным «грамматическим правилам» и выпущенное в свет задолго до того, как у людей появилась письменность, а тем более была сдана в типографический набор первая рукопись. Именно так, аналогично строке письменного текста, набранного отдельными литерами, описан на молекулярном уровне, то есть уровне ДНК, РНК и белков, всякий живой организм, причем описан полно и точно, во всех мельчайших подробностях, включая его потенциальные возможности, специфические особенности и наклонности.

Однако текст — это не просто куча букв, а их структурированный по определенным правилам массив, который легко и удобно читать. Кто сможет без напряжения и раздражения читать большое литературное произведение, напечатанное пусть даже хорошо известными, но перевернутыми вверх ногами буквами пополам с нормально ориентированными? Это же касается ДНК, РНК и белков. Если текст набран вперемешку левыми и правыми буквами, то считывающие молекулярные механизмы, узнающие литеры по их форме и ориентации в пространстве будут вынуждены то и дело выяснять, «левая — правая где сторона?». Неизбежно структурное усложнение этих механизмов либо двукратное их увеличение: отдельно для левых и правых антиподов. А это уже явное расточительство. Кроме того, не следует забывать, что сам по себе рацемат есть особое химическое соединение, которое сильно отличается по своим свойствам от каждого из входящих в его состав компонентов.

Распад рацемата

Рацематы — это тупик для биохимической эволюции в сторону жизни. Грядущей жизни в самом ее начале во Вселенной реально угрожала рацемическая симметрия.

Отсюда со всей определенностью следует, что оптическая асимметрия имеет фундаментальный биологический смысл. И разрушение оптической симметрии на молекулярном уровне вовсе не случайно. Оно было продиктовано центральной идеей — той линейной доминантой, которая лежит в основе конструирования живой материи (см. «Химию и жизнь», 2021, 1).

Нарушение оптической симметрии стало необходимой предпосылкой для возникновения жизни на фоне безжизненной природы. Жизнь в полной мере есть порождение асимметрии, её счастливое производное. Но как же, в силу каких обстоятельств могло произойти такое маловероятное событие в мире, где, казалось бы, все препятствует и противодействует этому?

Революционный сценарий

Есть много гипотез появления асимметрии аминокислот и сахаров в добиологический период. В числе факторов, разрушивших рацемат, предлагали практически все, что может прийти в голову исследователям: магнитные и гравитационное поля; слабое взаимодействие с его нарушением чётности; поляризованный звёздный свет, влияние минеральных субстратов и многое другое.

Очень интересна идея, следующая из теории катастроф, как ответвление теории динамических систем и концепции самоорганизации; ее предложили доктор физико-математических наук Л.Л. Морозов и академик АН СССР В.И. Гольданский. Согласно нее, в рацемате произошел самопроизвольный фазовый переход к асимметрии, причем скачкообразно, через необратимую бифуркацию. Подобно тому, как возникновение Вселенной связано современной космологией с Большим взрывом, при котором впервые возникла асимметрия (когда материи оказалось больше, чем антиматерии), так и возникновение жизни во Вселенной можно связать со своеобразным «Большим биологическим взрывом» — потерей эквивалентности стереоизомеров. Возникновение жизни в безжизненной природе из первоначально рацемической смеси оптических антиподов происходило, по мнению названных авторов, именно как своеобразная катастрофа.

Можно понять революционный сценарий, если иметь в виду только один объект: либо аминокислоты, либо сахара. Однако у жизни их сразу два, в общей связке тот и другой. Причем один пошел влево, а другой вправо! Как мог и мог ли случиться одномоментный и разнонаправленный фазовый переход сразу на два объекта?

Эволюционный сценарий

Мне представляется, что оптическая асимметрия могла возникнуть вполне эволюционным путем. Причем в классическом понимании смысла этого термина, то есть через случайную изменчивость и естественный отбор наиболее жизнеспособных и наиболее приспособленных вариантов. Отбор как постоянный и монотонный рост функциональной значимости информации, что означает развитие, усложнение семантики биологических текстов, написанных аминокислотами и нуклеотидами.

Отмеченное выше стремление рацематов к равновесию и стабильности отнюдь нельзя расценивать как нечто абсолютное и неизменное. Рацемическая система открыта для потоков энергии и вещества из окружающей среды, подвержена другим внешним воздействиям. Поэтому равновесие в ней динамическое: в ней возникают и развиваются флуктуации и поначалу однородная система может перейти на какое-то время в достаточно стабильное состояние с частично или даже полностью нарушенной зеркальной симметрией.

Как бы то ни было, нарушение оптической симметрии вполне могло происходить в мягком и спокойном режиме, без молниеносных катастроф. И необязательно сразу в глобальных масштабах. Полимерным органическим молекулам, формировавшимся где-то в спонтанно возникавшей оптически активной среде или в стабильных минеральных системах, ничего не оставалось, как включать в свой состав только правовращающие или только левовращающие мономеры. Они просто вынуждены были это делать в отсутствие альтернативного изомера в локальных условиях! А дальше одна из случайных комбинаций оптических вариантов оказалась подходящей для последующей органической эволюции: начался их естественный отбор, который при всей своей стихийности шел уже направленно.

Предпочтение только одного изомера из двух послужило главной предпосылкой последующего воспроизведения и накопления куда более сложных органических молекул в определенной среде, а также дальнейшего структурного и функционального усложнения. Такие молекулы приобретали преимущества и в скорости реакций и в потенциальной возможности к реплицированию. А рацематы полностью проигрывали им в этом отношении. Процесс их направленного отбора мог протекать, в принципе, еще до зарождения жизни, то есть в предбиологический период, где-то в пограничной зоне гидросфера-литосфера.

Получается, что Лайнус Полинг был не прав. Жизнь не смогла возникнуть из разных комбинаций оптических изомеров. Начиналось все, несомненно, с различных вариантов, но вследствие дальнейшей конкуренции между ними остается лишь один — наиболее жизнеспособный, эффективный и перспективный для решения «практических задач» молекулярной эволюции. Этот вариант-победитель нам теперь хорошо известен: левые аминокислоты и правые сахара. А почему именно так, мы пока не знаем. Думается, что и этот выбор был сделан неспроста и квантово-химический подход рано или поздно даст ответ на этот вопрос.

Впрочем, есть, и другие, не менее интригующие загадки. В живой природе все-таки находят D-аминокислоты в свободном состоянии или в составе коротких пептидов. Например, в клеточных стенках бактерий сибирской язвы есть D-глутамин, а в составе пептидов кожи одного из видов южноамериканских лягушек D-аланин. И среди сахаров, оказывается, есть исключения: L-арабиноза бактерий, L-рамноза и L-сорбоза растений. Эти чрезвычайно интересные факты почему-то остаются без внимания общебиологических исследований, тогда как их объяснение могло бы пролить дополнительный свет на саму проблему жизни.

Современной науке доподлинно не известно, где и как в далеком прошлом произошло разрушение оптической симметрии. Но нет сомнения в том, что разделение на левое и правое свершилось и стало не только благоприятным, но и обязательным условием для пуска эволюции в сторону жизни. Поэтому жизнь — это там, где присутствуют лишь одни оптические изомеры и нет других.

См. также статью С.М. Комарова «Вселенская левизна»