А.Ю. Гросберг, А.Р. Хохлов - Физика в мире полимеров (1119325), страница 36
Текст из файла (страница 36)
Или даже еще сложнее: А «строит» В, В «строит» С, С «строит» ..., ... «строит» А. Немецкий биофизик Манфред Эйгеп назвал такую систему гиперциклом. Очевидно, что размножение макромолекул— участниц гиперцикла происходит так же, как рассмотренной выше самотиражируюгцейся цепочки: после случайного возникновения «затравки» наступает бурный рост, завершающийся исчерпанием «строительного материала». Но почему мы предположили, что лишь одна первичная структура обладаег автокаталитическим свойством или что есть лишь один замкнутый гиперцикл? А если таких два или несколькой Свойства системы становятся гораздо интереснее: если один вид (цепи или гиперцикла) обладает более эффективным катализом, то тиражируется оп, естественно, быстрее н соответствующих цепей оказывается больше.
Между тем запас строительного материала, т. е. мономеров из бульона, у всех видов общий и ограниченный. К тому же все цепи иногда самопроизвольно рвутся, а освобождакнциеся при этом мономеры с повышенной вероятностью вовлекаются в достройку цепей (или участников гиперцикла) наиболее мЯективного вида. В итоге в системе остаются представители практически только одного вида. Сказанное удивительно напоминает примитивное описание дарвиновской борьбы за сушествование. Мономеры — это пища, автокатализирующие полимерные цепи ~80 нли гнперциклы — это размножающиеся нри наличии пип!и живые существа.
Итогом конкуренции за пищевые ресурсы являегся, естественно, выживание самых прожорливых н быстро плодящихся. Уже упоминавшийся М. Эйген, его сотрудники, ученики и последователи исследовали много моделей «эволюции среди полимеров>. Онп облекли эти модели в математическую форму, переведя разговор о размножении и автокаталнзе на язык дифференциальных уравнений, н у нкх получилась очень красивая наука. Она позволяет довольно подробно проследить. как «объедают» конкурентов макромолекулы с паибюльшей «селективной ценностью» (от английского зе!есПоп — отбор), т.
е. с наиболее эффективным катализом. Так что же — проблема происхождения жизни решена? Случайно синтезировались в первичном бульоне полимерные цепи, среди них произошел своего рода «конкурс красоты», отобрались обладатели наивысшей селективной ценности — н стали они жить-поживать, а некоторые из них, может быть, и добра наживать? Нет, дела обстоят сложнее и, к счастью, интереснее. 9.6. Первичная полимеризацня: можно ли случайно написать «Войну и мнр»? Из мономерных звеньев т разных сортов можно составить тм разных полимеров длины ?У. Они будут различаться только последовательностью звеньев, т. е.
первичной структурой, но тем не менее будут действительно различны — ведь мы знаем, сколь сильно отличаются друг от друга по функциональным свойствам, например, молекулы разных белков. Таким образом, число вариантов экспоненциально растет с длиной цепей: шт«= =ехр (!у1п ьч). Физики знжот, по если большой параметр находится в показателе экспоненты, то это обстоятельство требует к себе самого пристального внимания. Да и в этой книжке мы уже сталкивались с подобным случаем.
Простейшее на первый взгляд выражение пР на самом деле свидетельствует о том принципиально важном факте, что не могло хватить всего времени существования Земли и всего количества подходящих веществ на ней, ггобы перепробовать все возможные последовательности звеньев в полимерных цепях для выбора в каком-нибудь смысле наилучшей. Поэтому правило, о котором мы говорили в связи с !«!, космологической и химической эволюцией (образованно всех доступных по энергии сортов частиц), перестает дей- ';;!;;«( ствовать на этапе возникновения полимерных цепей.
В эволк«цин начинаегся какой-то совсем новый этап„и надо Эу»« -".»,"„- сказать, что несоблюдение упомянутого правила харак-;,'-,'~-;,'"'1 ~ерню также для всех последующих стадий эволюции. Несколько слов о численных оценках, подтверждач»,::",,'.,!~;".=„ щих сказанное. Оценим, например, сколько может суще«ы вовать белковых цепей типичной длины, скажем, 200 звень- ':!-'„;„", ев.
Для белков п«=-20, в нашем примере 1«'=-200, т. е. ' '-'»«~", т»«=-20»««=10»»«'«»«-1О«««. Это совершенно несуразно большое число. Дейсгвительно, если бы даже вся поверхность Земли (примерно 5 1О" км') была покрыта десятнкило. метровым слоем, сплошь заполненным белковоподобными полимерами, то уместилось бы «всего» порядка 1О" цепей (так как собственный объем 200-авенной цепочки порядка 10 " см'); если бы даже в течение всей истории Земли (- 1,5 10'лет) каждое молекулярное столкновение(-10 "с) вело к обновлению первичных структур всех цепей (что, пожалуй, еще менее реально, чем все предыдущее1), то было бы совершено «всего» порядка 10" попыток.
В итоге таких сверхщедрых оценок мы получаем для числа перепробованных цепей результат порядка 10«4 10"=1О", что Р;: все еще бесконечно далеко от !О"'. Короче говоря, с экспонентой шутки плохи( Таким образом, получается, что полный перебор цепей неосуществим и, следовательно, в эволюционном «конкурсе красоты» участвовали не только не все возможные полимеры, но лишь совершенно ничтожная их доля. На самом деле, как мы покажем, это означает, что именно на этапе полимеризацнн в ходе эволюционного процесса появлюотся первые «биологические» или «бнологоподобные» черты.
Так как же могла идти эволюция без выбора наилучшего вариантау Прежде всего поставим такой вопрос: сколько всего есгь обладателей свойства автокаталнза (илн «взаимокагализа» для организации гиперцикла) нз общего числа первичных структур бич, много их или мало? Правда, с определениями «много» и «мало» нужно быть осторож- « ', ными, для этой области науки тысяча, миллион, миллиард и пр.— безнадежно мало по сравнению с призраком 10"". Если мы не хотим завести свои попытки понять собственную родословную в безнадежный тупик, то должны предположить, что «хорошими» свойствами обладает едва ли не «побая первичная структура Конечно, «едв» ли не лю.
шь бая» здесь надо понимать так же относительно, как вылив «многом можег быть, катализатором является одна цепочка из миллиона или миллиарда, но мы предполагаем, что общее число катализаторов должно быть сопоставимо с 10«««. Н мояпк1 сказать, что само существование жизни па Земле является веским экспериментальным ~точнее, нгблюдательным) подтверждением высказанного предположения~ Есть и более конкретные подтверждения. Во-первых, мы уже говорили, по слабая каталитическая активность пзбл1одалась у протенпоидов — полимеров, полученных в опытах Фокса по моделированию химической эволюции. Во-вторых, первичные структурь1 современных белков даже после 4 10«лет биологической эволюция все еще по пн случайны (помните, мы говорили в разделе 9.2, что «белок есть отредактированный статистический сополимер»).
Но все-таки хе«телось бы, кроме косвенных ~юдгвсрждснии, решить задачу и прямо: взять последовательность звеньев наугад и найти вероятносгь того, мо получится функционирующий полимер. Эта задача сродни проблеме предсказания третичной структуры глобулярпого белка (глава 7), где требуется для наугад взятой перви«пюй структуры определить пространственную.
Оое задачи не решены, обе активно исследуются, к обеим есть разные подходы, в том числе диа 1етрально противоположные. Может быгь„ кто-нибудь из наших читателей внесет ясность? Но вернемся к эволюции. Мы остановились на том, что сннтезировались цепи далеко яе всех возможных сзруктур, Кстати, а о каких все-таки цепях идет речь? В последние годы накапливаются данные в пользу предположения, что основным действукицим лицом предбиологической эволк1ции была РНК. РНК может выполнять «инструктивную» функцию современной ДНК и, по-видимому, может относим ельно неплохо справляться с каталитическими функциями, которыми ныне «заняты» белки.
Кроме того, не совсем понятно, зачем РНК нужна современной клетке,— во многих случаях кажется, что легко можно обойтись и без РНК, только с ДНК и белками; разумно предположить, что современная РНК вЂ” рудимент того туманного прошлого, когда нн белков, ни ДНК не было Впрочем, для нас здесь даже не очень важно, о каких цепях говорить. Важен факт цепного строения: ведь именно из-за него возникает экспонепциальпо большое число вариантов ги", которые немыслимо перебрать.
Этот факт 183 в совокупносги с предположением, что достаточная доля всех первичных структур обеспечивает макромолекуле каталитическую активностчч обрисовываег следующую стройпую картину. Сиптезировались какие-то достаточно случайные цепи. Число их было ничтожно по сравнению с общим количеством вариантов, но абсолютно, быть может, велико. Среди ипх произошел отбор — «выжили паилушпие» из имевшихся, т.
е. определился лидер в борьбе за потребление ограниченных ресурсов «мономерной пищи». И в резуль- тате образовалась очень интересная система; ее, может быть, еще нельзя назвать живой, но обсудить стоит подробпо. 9.7. Спонтанное нарушение симметрии запоминание случайного выбора В той системе, которую мы описали в копие предыдугцего пункта, несмотря на появление лидера, может продолжаться и самопроизвольная (спонтанная) полимеризация. При этом может случиться, что случайно возникнет цепочка с лучшими каталитическимп свойствами, чем у макромолекул, сформировавших лидера.
Вольше того, такое событие должно было случиться с вероятностью порядка единицы. Еще больше того — подобное событие может произойти и сейчас в любую минуту! По этому поводу обычно вспоминают действительно замечателыюе высказывание Ч. Дарвина из письма к его другу Дж. Гукеру: «Часго утверждают, что в настоящее время имеются все условия для возникновения примитивных живых существ, которые имелись когда-то. Но если бы сейчас (о какое это большое если!) в каком-либо теплом маленьком водоеме, содержащем все необходимые соли аммопия и г)юсфора и доступном воздействшо света, тепла, электричества и т. п., химически образовался белок, способнгяй к дальнейшим все более сложным превращениям, то этаг белок немедленно был бы разрушеп или поглощен, что было невозможно в период до возникновения живых существ». Другими словами, если в наше время происходит случайное образование цепочки какого-нибудь биополимера, то она непременно бывает съедена задолго до того, как с ней могли бы произойти более интересиые события, Но тем же самым свойством обладает и описапная нами выше простая система цепочек-катализаторов с определив- Ыэ шимон, лидером.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
