Великий квест. Гении и безумцы в поиске истоков жизни на Земле - Маршалл Майкл

А теперь рассмотрим аланин – аминокислоту покрупнее. В аланине один из водородов заменен на атом углерода в окружении водородов. Это означает, что атом углерода в центре аланина находится в окружении четырех разных соседей и что эксперимент с бумагой не сработает. На сей раз, перевернув лист и сравнив оба изображения, мы увидим, что две из четырех соседних с углеродом групп поменялись местами.

Молекулу аланина и другие молекулы, имеющие эти немного различающиеся формы, называют “хиральными”. Помимо эффекта на поляризованный свет, различий они почти не имеют: выглядят одинаково, плавятся при близкой температуре и участвуют в одних и тех же химических реакциях. Эти альтернативные версии молекул часто называют лево- и правовращающими[423].

Живые существа состоят исключительно из левовращающих аминокислот и правовращающих нуклеотидов. Непонятно, что лежало в основе такого распределения. Не исключено, что жизнь могла с тем же успехом остановиться на правовращающих аминокислотах и левовращающих нуклеотидах или на том и другом в левовращающей версии. Думаю, это можно сравнить с правосторонним либо левосторонним движением в разных странах. Не так важно, какой вариант предпочтет та или иная страна, – важно лишь, чтобы все придерживались общего правила. Безусловно, если вы скормите какому-нибудь организму не ту аминокислоту, у него возникнут проблемы. Скажем, изящная структура двойной спирали ДНК может сформироваться только из правовращающих нуклеотидов. Всего один левовращающий мономер вызовет деформацию дуплекса и, как следствие, сложности при прочтении последовательности ДНК, а то и невозможность ее прочтения. Затруднения возникают и при попытке удлинить имеющуюся “правую” РНК с помощью “левых” нуклеотидов, поскольку весь процесс при этом застопорится[424].

Для исследователей зарождения жизни это стало еще одной дополнительной проблемой. Молекулам вроде нуклеотидов необходимо было не только возникнуть на юной Земле – должен был также запуститься некий процесс, обеспечивающий их “правильную” хиральность.

Первым этим вопросом всерьез занялся физик Фредерик Франк[425]. Во время Второй мировой войны он, служа в разведке, работал над распознаванием замаскированных радаров и информировал британское правительство о секретном ракетном вооружении нацистов. Остальную же часть своей карьеры Франк посвятил исследованию кристаллов[426].

В 1953 году (напомним: это год публикации результатов Миллера и структуры ДНК) Франк описал собственное решение проблемы одностороннего вращения. В статье он дает понять, что считает эту проблему совершенно тривиальной[427]. В то время как другие полагали “асимметричный синтез” биологических молекул серьезным затруднением, Франк “долгое время считал, что тут все совершенно понятно”.

Его решение было основано на размножении, то есть на способности всего живого воспроизводить себе подобное. Франк предположил, что и химические вещества также способны создавать свои копии, катализируя их образование. Мы уже обсуждали некоторые из этих так называемых автокатализаторов. По мысли Франка, первые появившиеся на Земле биологические молекулы были именно саморепликаторами. Также он допустил, что эти саморепликаторы умели создавать свои копии с сохранением хиральной формы, одновременно подавляя образование второй разновидности. Франк заканчивает статью воодушевляющим утверждением: “не исключена возможность лабораторного подтверждения”. Эта возможность стала реальностью лишь 42 года спустя.

Проблему окончательно решил японский химик Кэнсо Соаи. Он и трое его коллег изучали хиральное соединение под названием “алканол”, основой которого является шестиугольное кольцо из атомов[428]. В начале этого эксперимента в смеси присутствовал небольшой избыток одной из двух форм – такая ситуация может с легкостью возникнуть и сама по себе. Далее исследователи добавили еще два вещества и тем запустили реакцию. В итоге обе версии алканола начали создавать свои копии. После нескольких циклов реакции то вещество, которого исходно было немного больше, постепенно начало заметно преобладать и подавлять образования другого. В итоге от того почти ничего не осталось[429]. Данный процесс теперь носит название реакция Соаи.

То, как именно это работает, оставалось загадкой на протяжении шести лет – до тех пор, пока американский химик-инженер Донна Блэкмонд не рассмотрела процесс поподробнее. Блэкмонд добилась признания как создатель каталитических конвертеров – это устройства, используемые в транспортных средствах для уменьшения выхлопов. В 1990-е биотехнологический гигант “Мерк” обратился к ней с предложением провести системные исследования поведения органических веществ. Блэкмонд занялась изучением органической химии и в результате увлеклась проблемой “одностороннего вращения” (или хиральности, как это обозначают химики)[430]. Блэкмонд помогало то, что она имела опыт в исследовании механизмов химических реакций. Короче говоря, с 2001 года Блэкмонд – участница целого ряда основополагающих исследований хиральности, нередко сотрудничающая со многими отдельными учеными и научными группами.

К примеру, она работала с Джоном Брауном из Оксфордского университета, и вместе им удалось доказать, что два алканола одной хиральности могут образовывать пары и что именно эта “двойная” молекула делает реакцию возможной[431]. Пары алканолов различной хиральности этого не умели, и такие молекулы не участвовали в процессе.

Реакция Соаи послужила принципиальным доказательством того, что соединения определенной хиральности могут образоваться самопроизвольно из смеси обеих форм, – если у них исходно имеется небольшое численное преимущество. Подобная неравномерность – не такая уж фантастика: на худой конец, если количество молекул нечетное, то уже на этом основании одна форма имеет какое-то преимущество.

Но тут была некая сложность: использованный Соаи алканол – это довольно необычная молекула, и описанная реакция является для него специфичной. К тому же этот алканол имеет мало общего с биологическими молекулами вроде аминокислот или нуклеотидов. Поначалу исследователи надеялись описать похожий процесс с участием каких-то других веществ, но за двадцать лет никому так и не удалось заставить одну из форм аминокислоты или нуклеотида катализировать образование самой себя, в то же время подавляя образование второй формы. Во всяком случае – не удалось полностью. Может оказаться, что реакция Соаи не происходит с участием биологических молекул.

Вторая сложность была связана с тем, что реакция Соаи требует небольшого избытка одной из хиральных форм. Эта реакция прекрасно справляется с увеличением исходного дисбаланса двух форм, но она не может создать его сама. Видимо, проблему хиральности следует решать в два этапа: сперва создавать небольшой дисбаланс в ходе одного процесса, а затем усиливать его за счет второго.

Начиная с 1960-х годов, некоторые исследователи пытались добиться исходного дисбаланса, используя фундаментальную физику. Они полагали, что природа могла отдавать некоторые преимущества левосторонним или правосторонним версиям хиральных молекул из-за небольших различий в структуре ядер их атомов.

На эту мысль физиков навела гипотетическая зеркальная версия нашей Вселенной, где все левое стало правым, и наоборот (совсем как в “Алисе в Зазеркалье” Льюиса Кэрролла). Окажется ли там все то же самое, но только повернутое вокруг себя, или “зеркальность” неизбежно вызовет и другие изменения? Большинство ученых считает, что почти ничего не изменится, – это так называемая концепция сохранения четности. Однако в 1956 году два физика-теоретика Чжэндао Ли и Чжэньнин Янг высказали противоположную точку зрения[432]. В следующем году экспериментальный физик Цзяньсюн Ву подтвердила их предположение: четность сохраняется не всегда, и зеркальные миры должны быть разными[433]. Она установила, что так называемые слабые ядерные взаимодействия (один из двух типов сил, действующих в ядре атома) не всегда подчиняются закону четности. В том же году Ли и Янг получили Нобелевскую премию по физике.