Происхождение жизни: маленький теплый водоем - Фолсом К.
Скачать (прямая ссылка):
Допустим, что в нашей простой системе присутствуют молекулярные предшественники мембран, порфирины и еще один вид малых молекул — молекулы-мишени, типичные представители малых молекул, участвующие в процессах биосинтеза. На рис. 8.2 представлен обобщенный вид простого органического автомата.
При объединении всех составных частей нашей системы произойдет следующее. Рецепторы энергии — порфирины — будут поглощать ультрафиолетовое излучение. В ходе этого процесса электроны рецептора перейдут на более высокий энергетический уровень и обеспечат протекание необходимых реакций либо непосредственно, либо путем создания протонного градиента. В случае непосредственного участия можно представить себе малую молекулу-мишень, скажем аминокислоту, которая должна активироваться для того, чтобы связаться с молекулой другой аминокислоты. В случае протонного градиента можно предположить, Что высокоэнергетические электроны вы-
постоянный поток солнечного ультрафиолетового излучения
'.,) ))
Фазабая
а Малые органические соединения или неорганические молекулы-мишени
• Адсорбиробанные молекулы порфиринав
Рис. 8.2. Простейший органический автомат. Постоянный поток ультрафиолетового излучения падает на сферу, отделенную от окружающей среды фазовой границей и несущую на своей поверхности рецепторы и молекулы-мишени.
качиваются из сферулы наружу (хотя такой механизм может быть и неэффективным). Это приведет к установлению градиента заряда, который обеспечит проведение химической работы — полимеризацию или активацию молекул-мишеней.
Итак, наши малые молекулы-мишеии активировались и полимеризовались благодаря превращению энергии излучения с помощью рецептора и высокоэнергетических электронов в потенциальную химическую энергию. Это
будет происходить как на внутренней, так и на наружной поверхности сферул. Объем, заключенный внутри сфе-рул, конечен, тогда как внешний объем можно во всех практических случаях считать бесконечным, поскольку мы считаем внешнюю среду неизменной. Автомат изменит свойства своего внутреннего пространства, использовав полностью большую часть своих молекул-мишеней. Когда это произойдет, возникнет концентрационный градиент. Снаружи будет находиться больше молекул-мишеней, чем внутри, и поэтому они начнут диффундировать внутрь автомата.
В конце концов в автомате накопится полимер в высокой концентрации, и реакции молекул-мишеней будут подавлены, т. е. сферула «умрет», она не будет больше функционировать. Продолжительное высокоэнергетическое ультрафиолетовое излучение разрушит адсорбированные порфирины и мембрану, и ее компоненты будут высвобождены и станут доступными для включения в следующих поколениях.
Существует и другая возможность: полимер, находящийся внутри в высокой концентрации, может взаимодействовать с фазовой границей и ее предшественниками, вызывая увеличение поверхности раздела фаз и в конце концов приводя к делению автомата. Вновь образовавшиеся дочерние автоматы будут содержать части родительского автомата, а также вновь включившиеся вещества рецептора и фазовой границы. Заметим, что в этом случае синтезированный родителями полимер распределяется между потомками случайным образом.
Поскольку, согласно предположению, в окружающей среде поддерживается постоянная концентрация мембранных и других предшественников, мы будем иметь стационарную скорость синтеза новых автоматов посредством самосборки, фиксированную скорость полимеризации молекул-мишеней и постоянную скорость деградации «постаревших» автоматов.
В случае сложной внешней среды, которая искусственным образом поддерживается постоянной, очень небольшое число относительно простых органических молекул может отражать деятельность живых клеток. Именно поэтому наша модель не требует ферментов или генетического аппарата. Дает ли эта модель органических автома-
тов какой-либо ключ к пониманию происхождения и направления развития ранней клеточной жизни? Чтобы ответить на этот вопрос, расширим подход, основанный на модельных автоматах, и рассмотрим теперь, как подобная система могла бы вести себя действительно в сложных условиях внешней среды в маленьком теплом водоеме.
В гл. 7 мы обосновали положение, согласно которому протоклетки образовались из полимерного материала одновременно с образованием малых органических молекул. У подобных протоклеток обнаруживается сложная граница раздела фаз, имеющая гидрофобный характер, и поэтому они способны избирательно адсорбировать порфирины и сходные с ними малые органические молекулы. Порфирины, адсорбированные на веществе протоклеток, могут служить рецепторами ультрафиолетового излучения, устанавливать протонные градиенты и превращать энергию излучения в потенциальную энергию химической связи.
Существует большое количество молекул-мишеней. К ним можно отнести аминокислоты, основания нуклеиновых кислот, предшественники сахаров, неорганический фосфат и др. Из них могут быть построены нерегулярные полимеры аминокислот (белки), нуклеотидов (нуклеиновые кислоты) и сахаров (полисахариды). Напомним, что органический «бульон» очень разбавлен. Любая аминокислота присутствует там в концентрации 10~7 М; это значит, что в каждых 500 мкм3 (приблизительный объем средней протоклетки с радиусом 5 мкм) содержится около 3-104 молекул каждой аминокислоты. Если считать, что присутствует около 200 различных видов малых молекул, то в каждой вновь образовавшейся протоклетке может содержаться всего 6-106 малых органических молекул. Внутренний объем защищен от внешних воздействий и относительно мал по сравнению с внешним. По мере того как молекулы-мишени включаются внутри протоклетки в нерегулярные полимеры, для каждой из них возникает концентрационный градиент и внутрь протоклетки диффундируют новые молекулы-мишени.
