научная статья по теме КВАТАРОННАЯ ГИПОТЕЗА ПРОИСХОЖДЕНИЯ ЖИЗНИ Математика

Текст научной статьи на тему «КВАТАРОННАЯ ГИПОТЕЗА ПРОИСХОЖДЕНИЯ ЖИЗНИ»

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2008, том 418, № 4, с. 564-566

^ ОБЩАЯ

БИОЛОГИЯ

УДК 549+570

КВАТАРОННАЯ ГИПОТЕЗА ПРОИСХОЖДЕНИЯ ЖИЗНИ

© 2008 г. Член-корреспондент РАН А. М. Асхабов

Поступило 19.06.2007 г.

Проблема происхождения жизни безусловно относится к числу фундаментальных проблем естествознания. Она привлекает внимание специалистов в самых различных областях знания, чем вызвано появление огромного числа гипотез. Однако ясно, что в силу сложности эта проблема вряд ли будет разрешена в ближайшее время. К числу наиболее загадочных относится вопрос о первых этапах образования простейших форм и элементов живой материи, которыми являются ДНК, РНК, азотистые основания и рибозы. "Реконструкция биологической истории с момента возникновения клетки (~3.5 млрд. лет назад) при всех остающихся сложностях проблемы эволюции находится в пределах нашего понимания и применимости имеющихся инструментов исследования. Но часть истории, предшествующая возникновению простейшего организма, т.е. моменту появления аппарата управляемого и воспроизводимого биосинтеза, находится под плотным покровом тайны" [1, с. 4].

В данной работе мы предлагаем новую гипотезу формирования простейших элементов живой материи, основанную на идеях кластерной самоорганизации вещества на наноуровне.

Ранее нами [2, 3] было показано, что модифицированное уравнение Гиббса-Томсона для зароды-шеобразования предсказывает существование специфических нанокластеров. Эти кластеры были названы кластерами "скрытой" фазы или кватаро-нами. Они представляют собой особую форму кластерной самоорганизации вещества на наноуровне и интерпретировались как предкристаллизацион-ные кластеры. Кватароны имеют характерную квазисферическую форму и полую (до определенных размеров) структуру, образуются и существуют только в неравновесных условиях. Лишь при достижении критических размеров они трансформируются в зародыши новой фазы (кристаллические частицы). Было установлено, что кватароны и кватаронное состояние вещества проявляют ряд черт, присущих живой материи.

Институт геологии Коми научного центра Уральского отделения Российской Академии наук, Сыктывкар

Чтобы подчеркнуть эту их специфичность и отличие от обычных оптимизированных по энергии и геометрии жестких равновесных кластеров, кватароны иногда даже называют "живыми" кластерами и предлагают рассматривать их не только как протоминеральные, но и как протобиоло-гические структуры, как неживые модели живого. Более того, недавно выяснилось [4], что кватароны могут играть важную роль на определенных этапах самого процесса происхождения живой материи.

Ниже излагаются основные положения сформировавшейся в рамках кватаронной концепции гипотезы абиогенеза, в которой кватароны выступают как концентраторы основных биогенных элементов и место первичного синтеза биомолекул.

Основная идея новой гипотезы заключается в том, что кватароны служат прекурсорами простейших элементов живой материи. Эта идея возникла из удивительного совпадения размеров полостей в кватаронах и каждого из азотистых соединений (аденина, гуанина, цитозина, тимина, урацила) и фосфатных групп. В таком случае естественно было предположить, что кватароны являются своеобразными реакторами (ячейками) для синтеза или селекции из окружающей среды таких соединений - составных частей (элементов) живой материи. Хотя достоверно состав первичной атмосферы Земли неизвестен [1], есть достаточно оснований для предположения о присутствии в ней в том или ином виде всех биогенных атомов и молекул.

Наиболее вероятными кватаронобразующими молекулами в атмосфере могли быть молекулы СН4 и Н2О. По ряду причин мы отдаем предпочтение молекулам воды.

Существование кластеров (кватаронов) воды -факт давно известный. Еще в конце XIX столетия Вильсон [5] установил, что водяной пар содержит электрически нейтральные кластеры водных молекул. В последующем существование кластеров воды было доказано различными экспериментальными методами, в частности масс-спектро-метрическими [6]. Теоретическое обоснование феномена кластеризации водных молекул в пере-

КВАТАРОННАЯ ГИПОТЕЗА ПРОИСХОЖДЕНИЯ ЖИЗНИ

565

шР

Цитозин

1.28 0.6 нм

1.2 нм

К-цепи

Рис. 1. Взаимосвязь между радиусом кватаронов воды и пересыщением пара [7]. Б, Ь, О - полые кватароны, Ь' - плотные кластеры. Светлые кружки и числа на кривой отвечают плотным магическим кластерам икосаэдрической формы.

сыщенных парах было дано нами в [7] в рамках кватаронной модели образования жидкой воды.

На рис. 1 представлена зависимость между радиусом кватаронов и пересыщением пара согласно модифицированному уравнению Гиббса-Том-сона.

Таким образом, даже в условиях насыщенного пара возможно образование кластеров (Б), содержащих до 16 молекул, а при максимально возможном пересыщении число молекул в кватаронах (в) составляет 60-64. Такие кватароны в состоянии формировать фулереноподобные структуры с достаточно крупными внутренними полостями, радиус которых составляет от 0.3 до 0.6 нм в зависимости от пересыщения пара. В частности, для кватаронов (Н20)20 или (Н20)24, образующих в конденсированном состоянии жидкую воду с плотностью около 1 г/см3, радиус внутренней полости равен 0.384 нм (Ь). В этих полостях могут располагаться не только отдельные атомы и молекулы, но и целые их группы (рис. 2). Принимая во внимание это обстоятельство, предлагаемая нами схема абиогенеза выглядит следующим образом.

Образование водных кватаронов в атмосфере -захват и консервация в полостях кватаронов атомов Н, О, С, К, Р, необходимых для формирования азотистых оснований, фосфатных групп, Б-рибо-зы и т.д., - конденсация кватаронов с "гостевыми" атомами, молекулами (возможно, с уже сформировавшимися функциональными группами) - взаимодействие и агрегация "гостевых" атомов и молекул, азотистых соединений в конденсированной водной среде - полимеризация и формирование молекул РНК и ДНК - биосинтез белка на основе способных к саморепликации нуклеиновых кис-

К-цепи

Рис. 2. Масштабная схема размещения азотистых оснований в кватаронах. Радиус верхнего круга равен 0.3 нм (минимально возможный радиус кватарона), нижнего 0.384 нм (кватароны, формирующие жидкую воду нормальной плотности). Схема спаривания азотистых оснований дана по работе [9].

лот - возникновение доклеточной жизни - формирование одноклеточных организмов.

Надо иметь в виду, что конденсация кватаронов, радиус которых меньше 25, где 5 = 0.3 нм -диаметр молекулы воды, приводит к образованию структурированной воды (кватароны таких размеров не могут сливаться). По этой причине в конденсированном состоянии не только продолжается процесс синтеза функциональных групп, но и сохраняются ранее сформировавшиеся в кватаронах структурные единицы.

В этой схеме нет места маловероятным и сверхсложным процессам. Все процессы на каждом этапе протекают согласно универсальным законам физики и химии. Жизнь детерминирована и возникает в результате закономерных и неизбежных процессов эволюции физико-химической системы определенного состава, находящейся в неравновесных условиях. Этот процесс может повторяться многократно и иметь место во многих местах. Возможно, это происходит и сейчас там, где создаются подходящие условия.

Любопытно, что эта модель частично снимает проблему чрезвычайно малой вероятности спон-

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК том 418 < 4 2008

566

АСХАБОВ

танной самосборки таких сложных биополимеров, как РНК и ДНК, в ходе случайных взаимодействий отдельных элементов. Процесс самосборки из-за явлений предварительной самоорганизации перестает быть полностью случайным. Это уже сборка не из отдельных химических элементов, а из готовых "кирпичиков" и "блоков".

Предложенная кватаронная гипотеза происхождения жизни имеет много общего с существующими теориями (живая материя родилась на Земле, а не где-то; необходимо наличие воды; неслучайность процесса и т.д.). Подробный сравнительный обзор этих теорий см. в [8]. Вместе с тем она принципиально отличается от них в части самых начальных стадий процесса, механизма и места первичной концентрации химических элементов, синтеза и сборки полимерных молекул. Гипотеза не требует упорядоченных твердых (кристаллических) структур ни в качестве прекурсоров, ни в качестве матрицы. В этом смысле наша гипотеза резко отличается от недавно предложенной так называемой LOH-гипотезы (Life Origination Hydrate Hypothesis) [9]. Согласно этой гипотезе, основные процессы, лежащие в ее основе, протекают глубоко в земной коре, внутри кристаллической матрицы гидратов метана. Ключевая идея этой гипотезы о необходимости детерминированной "геометрической матрицы, которая содержит полости разных размеров, соответствующих размерам функциональных групп молекул ДНК и РНК" [9, с. 188], представляется исключительно важной и перекликается с нашей гипотезой. Собственно появление LOH-гипотезы в некоторой степени послужило побудительным мотивом для детального обсуждения роли кватаронов в происхождении жизни.

Ключевые условия возникновения жизни связаны с наличием атмосферы определенного химического состава и воды, сначала в паровой, а затем в жидкой фазе, т.е. химические основы для формирования элементов живой материи закладываются в атмосфере, а собственно их сборка с формированием больших полимерных молекул (ДНк, РНК) происходит уже в жидкой фазе. Важно, что в подвижной жидкой среде сохраняется ближний порядок и отсутствует дальний. В противном случае образование сложных молекул типа РНК, ДНК или АТФ было бы крайне затруднено. По крайней мере в твердой среде трудно представить, каким образом могут оказаться в одном месте в одно и то же время четыре различных азотистых соединения, которые образуют упорядоченные полимерные цепи из чередующихся мономеров. Кроме того, жидкая вода - это как раз та среда, в которой нуклеиновые кислоты способны жить и развиваться.

Интересно, что процессы, указанные в приведенной выше схеме, могут многократно повто-

ряться не то что в геологической истории, но даже за вполне разумные промежутки времени. В этом смысле предлагаемая гипотеза может быть подвергнута экспериментальной проверке. По существу

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Математика»