Страница 3 из 5
хранит и передает информацию, необходимую для образования протеинов. Итак, специфичность последовательности протеинов происходит из предшествующей специфичности последовательности – из информации, закодированной в ДНК. Разъяснение возможностей ДНК хранить информацию подняло вопрос первоначального происхождения информации, как в ДНК, так и в протеинах.
Действительно, многие исследователи называют проблему информации «чашой Грааля» в биологии происхождения жизни. Как недавно Бернд-Олаф Купперс заявил: «Проблема происхождения жизни вполне равноценна проблеме происхождения биологической информации».. С 1950-х ученые предложили три типа натуралистического объяснения происхождения информации: случайность, добиологический естественный отбор и химическая необходимость (предопределенность).
В то время как многие вне биологии происхождения жизни до сих пор могут использовать «случай» в качестве причинного объяснения происхождения биологической информации, мало кто из серьезных исследователей делают это. После того, как молекулярные биологи начали ценить специфичность последовательности протеинов и нуклеотидных основ, в 1950-х и 1960-х годах осуществили множество подсчетов для определения вероятности случайного формирования функциональных протеинов и нуклеотидных основ.
Даже допуская чрезвычайно благоприятные добиологические условия и теоретически максимальную шкалу реакции, такие подсчеты неизменно показали, что вероятность случайного получения функциональных биомакромолекул является, по словам Ильи Пригожина, «Исчезающе малым…даже на отрезке… миллиардов лет». Рассмотрим препятствия, которые нужно преодолеть для формирования хотя бы одной молекулы протеина из примерно сотни аминокислот в длину.
Во-первых, все аминокислоты должны сформировать химическую связь, известную как пептидная связь, для соединения с другими аминокислотами в протеиновой цепи. В природе возможны многие типы химических связей между аминокислотами, и только, примерно, половина из них – пептидные связи. Вероятность формирования цепи из ста аминокислот, в которой все соединения используют пептидные связи, составляет примерно (1/2)99 или 1 из 1030.
Во-вторых, в природе каждая аминокислота имеет свое четкое зеркальное отражение. Один вариант – «левая», L-форма, и другой – «правая», D-форма. Такие зеркальные формы называются оптическими изомерами. Функциональные протеины допускают присутствие только «левых» аминокислот, в то время как правые и левые изомеры встречаются в природе почти с одинаковой частотой.
Понимание этого уменьшает вероятность получение биологически функционального протеина. Вероятность случайного образования расположения только L-аминокислот в возможной цепи пептида длиной в 100 аминокислот равна (1/2)100 или снова примерно 1 из 1030. В-третьих, что наиболее важно: функциональные протеины должны иметь аминокислоты, которые соединяются в последовательное специфическое расположение, таким же образом как буквы в значимом предложении.
Так как есть 20 биологически значимых аминокислот, вероятность получения особенной аминокислоты на определенном участке составляет 1 из 20. Даже если мы допустим, что некоторые участки вдоль цепочки могут допускать несколько аминокислот, мы обнаружим, что вероятность случайно получить функциональное размещение аминокислот в нескольких функционирующих протеинах, все еще является «исчезающе маленькой» - примерно 1 из 1065, астрономически большое число - для протеина длиной в 100 аминокислот. (
В принципе, вероятность еще меньше, так как в природе есть много непротеиновых аминокислот, которых мы здесь не учитывали). Если взять во внимание все вероятности - получение соответствующих пептидных связей, оптических изомеров и последовательности, - то вероятность случайного образования функционального протеина, становится такой малой (1 из 10125)
, что может достичь точки, на которой ссылка на случай становится абсурдной, даже с «вероятными возможностями» нашей вселенной, которой много миллиардов лет. Отметьте далее, что равнозначно строгие затруднения присутствуют в случайном образовании функциональной ДНК. Более того, минимально сложная клетка нуждается не в одном, а примерно в 100 сложных протеинах (
и в многих других биомолекулярных компонентах, таких как ДНК и РНК), все из которых функционируют согласованно. По этой причине, количественные расчеты клеточной сложности просто усилили точку зрения, которая доминировала с середины 1960-х в биологии происхождения жизни: случай не является адекватным объяснением происхождения биологической сложности и специфики.
Примерно в то же время многие ученые разочаровались объяснением «случаем», а теории добиологического естественного отбора также не получили поддержки. Эти теории, предположительно, преодолевают трудности чистого случая, обеспечивая механизм, посредством которого результаты увеличения сложности в клетке могли быть сбережены и отобраны. И все же, эти теории сталкиваются с многими затруднениями, которые поражают теории, основанные на случае.
Естественный отбор предполагает ранее существовавший механизм саморазмножения. Все же, саморазмножение во всех живых клетках зависит от функциональных (и поэтому, в большой степени специфических) протеинов и нуклеотидных основ. Но происхождение этих молекул - это именно то, что Опарину нужно было объяснить. Именно поэтому многие отвергли его утверждение о добиологическом естественном отборе.
Как настаивал эволюционный биолог Теодосиус Добжанский: «Добиологический естественный отбор – это явное противоречие в терминах».. Далее, естественный отбор может отбирать только то, что сначала произвел случай, и случай, как минимум в добиологическом окружении, кажется невероятным посредником для произведения информации, присутствующей даже в единственном, функциональном протеине или молекуле ДНК.
Как объяснил Крастиан де Дюв, теории добиологического естественного отбора «нуждаются в информации, а это подразумевает, что они должны предполагать то, что изначально должно быть объяснено». По этой причине многие ученые отклоняют обращение к добиологическому естественному отбору, существенно неотличимому от обращения к случаю. Всвязи с такими затруднениями многие теоретики происхождения жизни после середины 1960-х пробовали рассмотреть проблему происхождения биологической информации совсем другим образом.
Вместо вовлечения добиологического естественного отбора или «теории замороженных случаев», многие теоретики считали, что законы природы и химическое притяжение могут сами быть ответственными за информацию в ДНК и протеинах. Некоторые предложили, что простые химические элементы обладают свойствами самоорганизации, «способными формировать составные части протеинов, ДНК и РНК в специальные расположения, которыми они сейчас обладают.
Также как и электростатические силы привлекают вместе (Na+) и хлорид (Cl-) в весьма упорядоченные системы в кристаллах соли (NaCl), так и аминокислоты со специальным родством друг с другом должны расположиться для формирования протеинов. В 1977 году Пригожин и Грегори Николис предложили еще одну теорию самоорганизации, основанную на их наблюдениях о том, что открытые системы, переместившись далеко от равновесия, проявляют тенденцию к самоорганизации.
Например, гравитационная энергия производит высокоорганизованные вихри в водоотводных трубах, и термальная энергия, протекающая сквозь теплопоглотитель, будет порождать определенные конвекционные потоки или «активность спиральных волн». Для многих современных исследователей происхождения жизни, самоорганизационные модели сейчас, кажется, предлагают наиболее обещающий подход к объяснению происхождения биологической информации.
Хотя критики поставили под сомнение как возможность, так и уместность самоорганизационных моделей. Как ни странно, наиболее известный первый защитник самоорганизации, Дэн Кэнион, открыто отказался от таких теорий в связи с несовместимостью с эмпирическими результатами, а также с теоретической непоследовательностью. Эмпирические затруднения, которые сопровождают сценарии самоорганизации, можно продемонстрировать с помощью изучения молекулы ДНК.
Структура ДНК зависит от нескольких химических связей. Это связи, например, между сахаром и молекулами фосфата, которые образуют две закрученные основы молекулы ДНК. Существуют связи, закрепляющие индивидуальные (нуклеотидные) основы к сахарно-фосфатной опоре с обеих сторон молекулы. Примите во внимание, что не существует химических связей между основами, которые проходят вдоль хребта спирали ДНК.