Техника - молодёжи 1998-09, страница 22

реагентов, то есть обмен с окружающей средой должен был происходить непрерывно. Сходство с диссипативными структурами в физических экспериментах поражало и вряд ли могло оказаться случайностью. Имелись основания полагать, что химическая самоорганизация — появление диссипативных структур в растворах — более показательна для процессов, протекающих в живой клетке (она более чем на 80 % состоит из воды), чем ячеистая конвекция.

И действительно, жизненно важный для любого организма гликолитический цикл (получение энергии путем расщепления глюкозы), физико-химия которого была изучена В. Ченсом и Б. Гессом, по механизму оказался сходным с автоколебательными реакциями Белоусова—Жабо-тинского. Это не могло не радовать: впер

вые закономерности, полученные на неживых объектах, были верны для биохимических реакций в живых организмах.

А что если применить концепцию образования устойчивых структур вдали от равновесия к процессу возникновения жизни на Земле?

ЕСТЕСТВЕННЫЙ ОТБОР НА УРОВНЕ МОЛЕКУЛ

«Почти помимо своей воли я обратился к проблемам все возрастающей трудности, возможно с надеждой найти в них точку пересечения между физическими науками, с одной стороны, и биологическими науками с другой».

И. Р. Пригожин.

«Автобиографический очерк».

Вопреки Э. Шредингеру, полагавшему — «деятельность живого вещества нельзя сводить к обычным законам физики», брюссельцы писали: «Существует только один тип физических законов, но различны ситуации вблизи и вдали от равновесия. Разрушение структур, вообще гово

ря, наблюдается в непосредственной близости к равновесию. Напротив, рождение структур может наблюдаться за пределами устойчивости».

И как будто в воду глядели, предвосхитив работу немецкого физика лауреата Нобелевской премии Манфреда Эйгена «Самоорганизация материи в процессе химической эволюции» (1979). До него никому не удавалось объяснить возникновение на Земле эффективно работающих биополимеров. Случайным процесс быть не мог: если бы природа создавала макромолекулы статистически, их не было и поныне — по теории вероятности для такого перебора требуется время, превышающее время существования не то что жизни — Вселенной!

Как же протекала самоорганизация мономеров?

Чтобы ответить на этот вопрос, Эйген перенес принцип дарвиновского естественного отбора на процесс зарождения макромолекул (переход от мономеров к полимерам) и ввел понятие КОНКУРЕНЦИИ ГИПЕРЦИКЛОВ, подразумевая под ними совокупность химических реакций, приводящих к образованию, скажем, белков. Проиллюстрируем его рассуждения примером: пусть имеется случайный набор простых молекул, находящихся в непрерывном тепловом движении, тогда, в полном соответствии с теорией вероятности, между некоторыми из них может произойти реакция полимеризации, результатом которой будет образование одного или нескольких полимеров. В последнем случае неизбежно возникнет «борьба» за присоединение «свободных» мономеров, то есть за реализацию самого оптимального механизма реакции полимеризации. Про мысли Эйгена, конкурируют именно.более или менее эффективные СОВОКУПНОСТИ реакций, приводящие к синтезу макромолекул. Предположив же, в соответствии со сложившимися к тому времени представлениями неравновесной термодинамики, присутствие в первичном «химическом бульоне» катализаторов реакций, являющихся заодно и их промежуточными продуктами, то есть протекание реакций автокаталитического типа, математически описанных Пригожиным и его сотрудниками, Эйген ввел последнюю стадию добиоло-гической эволюции — возникновение полимеров — непосредственно в область рассмотрения неклассической физики.

О ВРЕДЕ СИММЕТРИИ И ПОЛЬЗЕ ЯМР

«Переход от неживого к живому явился почти невозможным звеном в цепи в высшей степени маловероятных событий».

Американский астроном X. Шепли.

Итак, благодаря Эйгену, мы знаем механизм синтеза нужных для жизни молекул на первобытной Земле. Но каким образом в теплой лагуне первобытного океана зародились самовоспроизводящиеся системы, иначе, сама жизнь? Непосредственно из рацемической смеси биологически активных соединений (первичного бульона) она появиться не могла — результаты исследований по саморепликации молекулярных структур неопровержимо доказывают, что необходимым ус

ловием для их возникновения является ХИРАЛЬНАЯ ЧИСТОТА предбиологичес-кой среды — то есть наличие в «первобытной мешанине» только «левовращаю-щих» аминокислот и «правовращающих» Сахаров.

Принцип естественного отбора молекул одинаковой хиральности в середине 80-х гг. нашел молодой советский ученый, преждевременно ушедший из жизни доктор физико-математических наук Леонид Леонидович Морозов (подробнее см. «ТМ», №9 за 1986 г.). Его занятия фундаментальными проблемами естествознания начались с рассмотрения вполне прикладной задачи — объяснения отклонений в спектрах ядерного магнитного резонанса (ЯМР) химических соединений (этим методом получают информацию о строении и свойствах сложных молекул). На ошибки химиков-синтетиков «плохие» результаты анализа свалить не удавалось — «лишние» линии в спектрах подчинялись определенной внутренней закономерности. Тогда Морозов предположил, что причина аномалий кроется во взаимодействии зеркально симметричных молекул-изомеров между собой, причем «левые» молекулы с «левыми» контактируют иначе, чем с «правыми».

Физический смысл явления состоял в том, что молекулы одной хиральности образовывали в среде ассоциаты; они-то и меняли характеристики спектра!

Естественно, эта работа (как и первое выступление Пригожина) была встречена в штыки. И немудрено — в одночасье ученых вынуждали отказаться от взлелеянного годами представления о независимости параметров раствора от «реакций» среди зеркальных изомеров. К сожалению, для остальной научной братии, теория Морозова не только хорошо описывала уже имеющиеся спектры, но и предсказывала их вид для новых соединений!.

Обдумывая результаты экспериментов, Л.Л. Морозов решил, что природа наблюдаемого явления аналогична фазовому переходу — молекулы одинаковой хиральности «собираются» вместе, образуя новую, упорядоченную фазу.

Умозрительное перенесение условий химического реактора на первобытный океан привело Леонида Леонидовича к построению гипотезы НЕРАВНОВЕСНОГО ФАЗОВОГО ПЕРЕХОДА в предбиологиче-ском мире. Значение такого шага трудно переоценить — наконец-то отпала необходимость усматривать в возникновении подобной асимметрии (ЖИЗНИ!) «руку Творца», проще, любой привнесенный источник хиральности — однородность среды нарушается спонтанно!

Сейчас большинство исследователей, занимающихся проблемой происхождения хиральной чистоты биоорганических соединений склоняются к мысли, что именно решение этой проблемы позволило преодолеть «демаркационную линию» между живой и неживой природой, и ввести проблему происхождения жизни на Земле, прежде мало доступную для исследования методами естествознания, в число научных, а не теологических вопросов.

ТЕХНИК А - И ОЛОДЕЖИ 9 98

ЕЯ