Поиски жизни в Солнечной системе - Хоровиц Норман Х.. Страница 6
Взгляд на природу жизни в генетическом аспекте был впервые изложен одним из основателей современной генетики американским ученым Г.Дж. Мёллером (1890–1967), открывшим мутагенное воздействие рентгеновского излучения. Задолго до того, как была выяснена химическая природа генов и их связи с белками, Мёллер написал работу "Ген как основа жизни", которую представил на международном конгрессе, состоявшемся в 1926 г. В ней отмечалось, что в основе феномена жизни лежат саморепликация и мутабильность. Мы не можем здесь подробно излагать его тщательно аргументированные доводы, но приведем хотя бы небольшой отрывок из резюме статьи, где отражены логика и стиль автора.
Замечено, что процесс роста включает в себя механизм "специфического аутокатализа", без которого существование жизни невозможно. Известно, что ген, находясь в окружении протоплазмы, обладает подобным свойством. Еще более удивительно, что ген может мутировать, не теряя своей специфической аутокаталитичсской способности. Благодаря такому исключительному свойству его возможности превышают уровень, соответствующий простому функционированию, а это вызывает невероятные предположения, что любая другая часть протоплазмы независимо от гена также обладает аутокаталитической активностью, ибо в действительности "рост" остальной части протоплазмы, вероятно, следует рассматривать как побочный результат генной активности. Точно так же невероятно трудно предположить, что за аутокатализ ответственна основная часть простейшей живой материи, высокоорганизованного ("протоплазменного" по своей природе) вещества, связанного с геном. Следуя этой логике, приходим к выводу, что простые по своей структуре гены, по-видимому, и сформировали основу первичной живой материи. Возможность мутировать без потери способности к росту, присущая только живым организмам, позволила им эволюционировать в более сложные формы с образованием таких побочных продуктов, как протоплазма, сома и т. д., которые в наибольшей степени способствовали их выживаемости. Таким образом, вероятно, именно гены и составляют основу жизни.
Подобный генетический подход признается сейчас практически всеми учеными. Негенетические определения жизни обычно выглядят слишком расплывчатыми либо чересчур ограниченными. Например, если пользоваться ими, то кристаллы или пламя трудно исключить из разряда "живого". Ведь кристаллы обладают высокой степенью упорядочения и способностью к росту, так как зародыши кристаллизации могут воспроизводить самих себя. Пламя способно не только к росту и самовоспроизведению в виде искр — благодаря активному "метаболизму" оно может поддерживаться.
Генетическое определение жизни позволяет нам сделать чрезвычайно важное заключение общего характера: поскольку все гены и белки построены из одних и тех же нуклеотидов и аминокислот, а генетический код (за небольшими исключениями) также универсален, все земные организмы в своей основе одинаковы. Несмотря на всю загадочность феномена жизни, на Земле существует только одна ее форма, и она должна была зародиться лишь однажды.
Жизнь и химия углерода
Генетический подход к эволюции подразумевает, что жизнь связана с химическим составом живой материи. Об этой связи и пойдет речь. Вопрос о химическом строении биологических форм, безусловно, интересен сам по себе, но представление о химической структуре внеземных организмов особенно важно для каждого, кто занимается поисками жизни на Марсе. Жизнь на нашей планете определяется химическими свойствами углерода. Компоненты генетической системы образованы соединениями углерода с небольшим числом других, главным образом легких элементов: водорода, азота, кислорода (см. табл. 2). А может ли какой-то другой химический элемент заменить углерод в биохимических процессах? Хотя писатели — фантасты нередко отвечают на этот вопрос утвердительно, это отнюдь не означает, что подобная замена действительно возможна.
Химики не раз отмечали, что характерной особенностью атомов углерода является способность к формированию, по-видимому, безграничного числа больших, сложных, но вместе с тем достаточно стабильных молекул. Прежде всего атом углерода обладает уникальной способностью образовывать четыре сильные химические связи — называемые ковалентными — с другими атомами, включая атомы самого углерода. Поскольку ковалентные связи имеют пространственную ориентацию, атомы углерода могут создавать скелеты гигантских трехмерных структур определенной архитектуры, подобные белкам и нуклеиновым кислотам.
Другая важная особенность соединений углерода — их химическая инертность. В условиях, господствующих на земной поверхности, органические соединения термодинамически нестабильны. Они не находятся в равновесии с окружающей средой, а подобно камню, лежащему на склоне горы, под действием любого достаточно сильного внешнего толчка "скатываются" вниз к равновесному состоянию. Так, при нагревании или в присутствии катализаторов активированные органические вещества соединяются с кислородом атмосферы: многие органические соединения взаимодействуют также с водой или испытывают ряд других изменений. Но, несмотря на свою термодинамическую нестабильность, соединения углерода химически инертны, т. е. с трудом вступают в реакции.
Таблица 2. Элементарный состав белков и ДНК (число атомов на 100)
Элемент В среднем по 314 белкам
[4]
ДНК человека
Углерод (С)
3.16
29.8
Водород (Н)
[5]
49.6
37.5
Кислород (0)
9.7
18.3
Азот (N)
8.8
11.3
Сера (S)
0.3
–
Фосфор (Р)
–
3.1
Достижению термодинамического равновесия препятствует то обстоятельство, что четырехвалентные атомы углерода обладают слабой реакционной способностью, т. е. если воспользоваться прежней аналогией, камень, лежащий на склоне горы, находится в этом случае в глубокой яме. Подобная инертность, обусловленная электронной структурой атомов углерода, и обеспечивает образование молекулярных систем чрезвычайно сложной структуры, но вместе с тем очень стабильных. В процессе обмена веществ ферменты в соответствующий момент соединяются с молекулами и, видоизменяя их, обеспечивают тем самым протекание необходимых реакций.
Благодаря этим уникальным свойствам углерод служит основным материалом для построения диетических систем. Эти же свойства объясняют способность углерода создавать гораздо больше соединений, чем все другие элементы вместе взятые. В силу тех же своих особенностей углерод, составляющий лишь 0.5 % от общего состава земной коры, является элементом, более характерным для живой материи, чем, например, близкий к нему но химическим свойствам кремний. На земной поверхности на каждый атом углерода приходится 25 атомов кремния, однако роль кремния в биохимии очень незначительна. Как и углерод, кремний образует четыре ковалентные связи, но сила этих связей различна: связь кремний-кремний слабая, кремний-кислород сильная. По этой причине кремний существует на Земле и виде силикатов инертных соединений, в больших молекулах которых каждый атом кремния связан с четырьмя атомами кислорода, а соединения, состоящие из цепочек. содержащих шесть и более атомов кремния, вообще не обнаружены. Это резко контрастирует с разнообразием больших структур, основанных на углероде. Соединения кремния и водорода, так называемые силаны (или кремневодороды), также принципиально отличаются от их углеродсодержащих гомологов (углеводородов). В то время как углеводороды инертны, силаны загораются при простом контакте с воздухом, разрушаются в воде. Они настолько реакционноспособны, что, как говорят, самым необходимым качеством химика, занимающегося синтезом наиболее сложных по строению силанов, является мужество. И опять же все эти особенности силанов обусловлены электронной структурой атомов кремния: именно благодаря своим свойствам кремний является основным компонентом горных пород, а не живой материи.