От абиогенеза к хиральной чистоте

Мы более-менее представляем, как жизнь эволюционирует, но почти никто из нас не понимает, как она возникла. Всю глубину нашего незнания отражает неспособность четко ответить на самый простой вопрос: чем живая природа отличается от неживой?

Разница между собакой и камнем для нас еще очевидна. Мы можем сказать, что собака относится к живой природе, потому что в отличие от камня двигается. Хорошо, но тогда в чем разница, например, между мхом и ржавчиной? Не спешите с ходу отвечать. Я сэкономлю ваше время и скажу, что разницу между живым и неживым по определению нельзя вывести из наблюдения за современными формами жизни. Как вы понимаете, эволюция началась не с собаки и даже не со мха – это результаты ее упорной работы в течение миллиардов лет. Определение жизни нужно искать в том, что происходило около четырех миллиардов лет назад. Именно тогда, по мнению ученых, на Земле зародилась жизнь на уровне одноклеточных организмов. Обычно в этот момент людей осеняет, и они определяют жизнь как способность к размножению. Но и этот ответ далек от правды. Представьте, что к инопланетянам попадает в руки земной муравей-рабочий. По какому признаку они установят, что он живой, не обнаружив у него никаких способностей к размножению? Получается, что определение жизни необходимо искать на химическом уровне. Это уже ближе к истине.

Действительно, если задаться вопросом, чем отличается живое от неживого, то точный ответ мы сможем найти только в молекулярной биологии, в химических свойствах материи. На сегодня наиболее исчерпывающий признак живого организма – хиральная чистота.

Хиральность – это несовместимость объекта со своим зеркальным отражением при любой комбинации вращений и перемещений в трехмерном пространстве. Иначе это свойство можно сформулировать как отсутствие симметрии относительно правой и левой стороны. Слово хиральность происходит от греческого слова χειρ – «рука», потому что наши руки – один из самых наглядных примеров хиральности.

Они зеркально несовместимы: как бы мы их ни вращали, полной идентичности не будет. Если не верите, то попробуйте надеть левую перчатку на правую руку.

Органика не обладает зеркальной симметрией, она всегда асимметрична без каких-либо исключений. Это утверждение выглядит спорным, потому что мы привыкли воспринимать себя как симметричных существ, но это, конечно же, не так. Есть очень хороший эксперимент, который поможет вам в этом убедиться. Сделайте фотографию своего лица, уберите одну его половину и замените ее зеркальным отражением второй – перед вами предстанет незнакомец.

Такую же асимметрию мы увидим во всех кусочках, из которых мы состоим. Это удивительно, но молекулы аминокислот, нуклеотидов и большинства других органических соединений имеют зеркальную несовместимость, а следовательно, являются хиральными.

Молекула аминокислоты и ее зеркальный антипод

На этом сюрпризы не заканчиваются. Оказывается, биологическая жизнь отличается не только хиральностью, но и тем, что из двух возможных зеркальных антиподов в ней используется только один. Это удивительно, так как в неживой природе все химические вещества существуют в виде так называемой рацемической смеси, где 50 % молекул будет иметь правую форму, а 50 % – левую. И только в живых организмах молекулы представлены лишь в одной из форм, либо правой, либо левой. Можем взять человека, можем микроб – в любом случае если посмотрим на соединения, из которых состоят их клетки, то увидим лишь одну из форм. От организма к организму она может меняться на зеркальную, но всегда будет одна и та же у всех представителей какого-либо вида.

Однако самое поразительное открытие было сделано, когда ученые проанализировали хиральную специфичность главных макромолекул «жизни». Речь идет о РНК, ДНК и белках, поскольку именно они лежат в основе единого для всех форм жизни механизма – процесса нашей репликации (самокопирования). Неважно, бактерия это или человек, гриб или щенок – мы можем быть абсолютно разными во всем, но у всех нас «под капотом» будет одна и та же схема, в соответствии с которой генетический код хранится, обрабатывается и передается: ДНК → РНК → Белок. Так вот, ученые обнаружили, что эти главные для всего живого макромолекулы не только обладают хиральной специфичностью, но и, что поразительно, – она одинакова для всех организмов!

Какой бы из них мы ни взяли, мы всегда обнаружим в его РНК и ДНК «правые» нуклеотиды, а в белковых ферментах только «левые» аминокислоты. Исключений из этого правила нет! Так был открыт унифицированный для всего живого тип хиральности, который ученые называют гомохиральностью или «хиральной чистотой».

Весь набор хиральных спецификаций, который я выделил, является единственным однозначным признаком, позволяющим нам безошибочно отделять живое от неживого на фундаментальном уровне. И теперь, когда мы найдем на другой планете любое химическое вещество, то сможем с уверенностью сказать, жизнь это или нет, даже при условии, что оно не будет двигаться и размножаться.

Почему это должно поражать наше воображение?

Потому что «хиральная чистота» настолько точный признак определения живого от неживого, насколько химически необъяснимый. Дело в том, что мы не можем случайным образом, через стихийный процесс, наделять химические вещества хиральной специфичностью. Мы знаем, что хиральность играет определяющую роль для происхождения жизни, но при этом не способны объяснить появление хирально чистых химических веществ на Земле.

Суть этой проблемы в том, что, синтезируя вещества абиогенно, то есть без участия живых организмов, мы всегда будем получать рацемическую смесь, где 50 % молекул имеет правую форму, а 50 % – левую. Как бы мы ни старались, какие бы химические методы ни использовали, нам никогда не добиться, чтобы все полученные молекулы обладали одинаковым знаком хиральности. Наше представление о химических реакциях никак не объясняет возможность существования гомохиральных систем, и, мало того, оно ему противоречит. Все, что мы знаем о химических реакциях – это то, что они происходят через электромагнитное взаимодействие, которое сохраняет зеркальную симметрию и не способно самостоятельно нарушать баланс между левой и правой формами. Электрическое и магнитное поля симметричны: они являются причиной и следствием друг друга, взаимно переходят и взаимно компенсируются. Собственно, именно поэтому зеркальные антиподы – левая и правая молекула – в химических реакциях проявляют себя одинаково.

По этой же причине все аминокислоты, синтезируемые химиками, превращаются в рацемат, из которого ничего живого не создать. Добиться хиральной чистоты можно только двумя способами: либо получить рацемат и вручную удалить из него все молекулы с неправильным знаком хиральности, либо в качестве реагентов для реакции изначально брать только хирально чистые вещества. Возникает закономерный вопрос, как могла появиться жизнь на Земле, если не существует абиогенного способа добиться хиральной чистоты? Откуда четыре миллиарда лет назад возникло изначальное хирально чистое вещество, если любая абиогенная химическая реакция приводит к появлению непригодного для возникновения жизни рацемата? Как четыре миллиарда лет назад в мире, управляемом симметричными взаимодействиями, могло появиться устойчивое во времени нарушение симметрии?

Над этой загадкой ученые бьются больше 160 лет и до сих пор не преуспели.