В биологии есть проблема “курица или яйцо”. Два типа молекул необходимы для жизни. Клетки содержат белковые молекулы, которые выполняют большинство биохимических и физических функций. В клетках также содержатся молекулы ДНК и РНК, которые несут в себе информацию для создания новых клеток. Когда 3,5 миллиарда лет назад на Земле впервые возникла жизнь, что появилось первым: функция или информация? Это главная нерешенная проблема – как биология возникла из пребиотической химии.
Некоторые считают, что жизнь зародилась – назовем это “первым днем” – из РНК, потому что некоторые молекулы РНК могут выполнять двойную функцию и действовать как белки. Но мы считаем, что первыми появились белки. Точка зрения, согласно которой первыми появились белки, помогает решить еще одну большую загадку: Откуда взялась дарвиновская эволюция? Мы хотим знать не только, какая форма материи возникла в первый день, но и почему эта материя сохранилась, адаптировалась и развивалась во второй, третий и последующие дни.
Содержание
Дарвиновская эволюция – это неустанное стремление биологии к адаптации, инновациям и изменениям в масштабах всей планеты. Благодаря выживанию сильнейших организмы соревнуются за ресурсы, рождают другие организмы и адаптируются к окружающей среде. Со времен Чарльза Дарвина, 160 лет назад, мы многое знаем о том, как происходит эволюция, но не имеем представления о том, как она началась. У эволюции должно быть начало. Она не является универсальным законом, как принципы физики или химии, которые действуют с самого начала существования Вселенной (по меньшей мере, известной нам Вселенной). Насколько мы знаем, эволюция заработала с тех пор, как биология впервые возникла около 3,5 миллиардов лет назад, через миллиард лет после образования Земли.
Почему белки появились первыми
Почему белки появились первыми? Белки составляют большую часть массы клетки, поэтому различия в темпах роста, которые являются зерном на мельнице клеточной эволюции, в значительной степени связаны с различиями в производстве белков. А белки – это молекулы, катализирующие эти реакции роста. Важно отметить, что белки уникальны тем, что имеют взаимосвязь: последовательность -> структура -> функция. Большинство других полимеров, включая большинство РНК, не имеют таких связей.
Белки образуют специфические складчатые структуры, которые являются основой для молекулярных функций, создающих действия и поведение клетки. Считайте, что 20 аминокислот белка делятся примерно на два класса: гидрофобные мономеры, похожие на масло, и полярные мономеры, похожие на воду. Белки сворачиваются; то есть, белковые нити скручиваются в воде в определенные компактные формы из-за базовой физики, согласно которой масло избегает воды – то есть, маслянистые аминокислоты сворачиваются, чтобы оказаться внутри шара, вдали от окружающей воды снаружи белка.
Это делает белки отличными катализаторами. Свернутые белки представляют собой миниатюрные твердые тела. Твердое тело – именно то, что нужно для катализа химических реакций, потому что атомы катализатора должны удерживаться на своих местах достаточно долго, чтобы способствовать реакции. Кроме того, 20-аминокислотный алфавит охватывает целый ряд химических реакций, поэтому они катализируют целый ряд реакций.
Но как началось производство белков? Во-первых, из экспериментов мы знаем, что аминокислотные строительные блоки белков, вероятно, могли существовать на ранней Земле. Мы также знаем, что существовали простые катализаторы, которые могли первоначально соединить аминокислоты в пептиды – минералы и глины или поверхности воздух-вода. Также не забывайте, что короткие белки, называемые пептидами, даже обнаружены на некоторых метеоритах.
Итак, давайте назовем первый катализатор “Камень Основания” – гдк “камень” означает просто место, зафиксированное в пространстве, а “основание” означает, что это был первый катализатор, до того как белки сами стали катализаторами, свободно плавающими и захватываемыми внутри клеток. Однако белки, созданные на Основополагающем камне, были бы слишком короткими и не обладали ни функциями, ни принципами распространения, ни специфическими информационными последовательностями. Как из простых пептидов могли возникнуть эти биоподобные свойства? Возникновение – это когда небольшое изменение какого-то параметра превращает простое поведение в более сложное.
Возникновение складчатости
Наше компьютерное моделирование рассказывает правдоподобную историю: Некоторые из этих маленьких случайных пептидов сворачиваются в воде под действием сил “масло-вода”, образуя устойчивые складчатые поверхности, становясь примитивными катализаторами и помогая удлинять другие цепи. Мы называем такие цепи “фолдкэтами” (от слова “складчатость”). Эти последовательности будут редкими, чрезвычайно редкими. Но, как и во многих других подобных вопросах статистической физики, вопрос не в том, насколько невероятны состояния, а скорее в том, насколько они вероятны.
Как одно молекулярное действие может усилить следующее, подобно тому, как снежный ком растет, скатываясь с холма? Неважно, какой была первая снежинка. Важно только то, как происходит процесс превращения в снежный ком. Гипотеза складчатости объясняет вероятность снежного кома и переломный момент – переход от химии к биологии и от распада молекул к их постоянному росту.
Как все это может работать? Несколько длинных цепочек, созданных на Камне Основания, катализируют создание еще более длинных цепочек, производя дополнительные стабильные и разнообразные катализаторы. Это происходит потому, что длинные цепи складываются более плотно, защищая свою сердцевину от химической деградации. Короткие цепи разрушаются быстрее. Более длинные цепи выигрывают в переработке аминокислотных мономеров, поглощая больше ресурсов. Пептидные молекулы-победители забирают все, как начало дарвиновской эволюции.
Скептик может заявить, что это нарушает Второй закон термодинамики, но это неверно. Короче говоря: хотя Второй закон гласит, что мертвая материя стремится к равновесию и деградации, Второй закон не применим к вещам, которые “подключены к сети” – таким вещам, как телевизоры, которые выведены из равновесия. В гипотезе складчатости то, что подключено к сети, – это синтез пептидов на Камне Основания в присутствии большого количества аминокислот. Это и есть движущая сила. В результате образуется огромное количество ненужных пептидов и очень небольшое количество складчатых длинных цепей. Но это все, что нужно для того, чтобы снежный ком покатился.
Функция превыше всего
Короче говоря, мы считаем, что функция (белки) появилась раньше информации (РНК). Мы не знаем альтернативы, то есть движущей силы для процесса “сначала информация”. Вместо того чтобы гены использовали белки для создания новых генов, мы считаем, что белки используют гены для создания новых белков. А механизм складчатости просто показывает, что посредник – гены – изначально был просто не нужен. Пептиды создали белки как первый шаг к возникновению жизни.
Доктор Кен Дилл является директором Центра физической и количественной биологии Лауфера в Университете Стоуни-Брук и профессором физики и химии Луи и Беатрис Лауфер.
Читайте также: Жизнь – это случайность пространства и времени