/
Text
ПРОИСХОЖДЕНИЕ
ПРЕДБИОЛОГИЧЕСКИХ
СИСТЕМ
THE ORIGINS OF PREBIOLOGICAL SYSTEMS
AND OF THEIR MOLECULAR MATRICES
Proceedings of a Conference
Conducted at Wakulla Springs Florida
Edited by
SIDNEY W. FOX
1965
ACADEMIC PRESS NEW YORK AND LONDON
ПРОИСХОЖДЕНИЕ
ПРЕДБИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Перевод с английского
М. Д ГРОЗДОВОЙ, В. И. КЕФЕЛИ, Н. А. РАЙСКОЙ,
Г. А. ДЕБОРИНА, л. М. ГИНОДМАНА
и И. В. СУТОКСКОЙ-АРСАЛАН
Под редакцией и с предисловием
акад А. И. ОПАРИНА
ИЗДАТЕЛЬСТВО «МИР» . Москва 1966
УДК 576.1 + 577.1
В книге собраны доклады крупнейших ученых мира (в числе
докладчиков — акад. А. И. Опарин, Дж. Бернал, Дж. Холдейн и др.),
сделанные ими на симпозиуме, посвященном происхождению систем
и структур, предшествовавших живым системам. Преобладающая
часть докладов представляет собой обзоры новейших данных
и теоретических соображений по основным проблемам происхожде-
ния жизии на Земле. Это придает книге характер сводки, чем она
выгодно отличается от обычных трудов симпозиумов.
Предназначена для биологов всех специальностей, для химиков-
органиков, геофизиков, геохимиков, а также для философов, зани-
мающихся проблемами биологии.
Редакция биологической литературы
ПРЕДИСЛОВИЕ К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ
Вопрос о происхождении жизни, о возникновении на Земле
(а может быть, и в других точках Вселенной) первичных живых
существ принадлежит к числу величайших, основных проблем
естествознания. Без разрешения этого вопроса невозможно построить
рациональное, научно обоснованное мировоззрение и нельзя пра-
вильно подойти к пониманию самой сущности жизни.
В настоящее время становится все более очевидным, что воз-
никновение жизни не явилось какой-то «счастливой случайностью»,
как это думали раньше, а представляло собой неизбежную ступень
общего закономерного развития материи.
Имеющийся в нашем распоряжении фактический материал
показывает, что возникновение жизни на Земле представляло собой
длительный процесс постепенного усложнения углеродистых сое-
динений, образования сложных органических веществ и форми-
рования из них многомолекулярных комплексов, которые в резуль-
тате последующей эволюции послужили материалом для образова-
ния первичных примитивных организмов.
Вследствие того что указанный процесс носил необратимый
характер, мы не можем наблюдать его непосредственно в природных
условиях. Мы лишены также возможности воспроизвести его
искусственно в том виде, в каком он осуществлялся в прошлом
у нас на Земле, так как этот процесс длился миллиарды лет.
Однако мы можем объективно изучать отдельные звенья этого
процесса, обнаруживая их в природе (причем не только на Земле),
если только сохранились условия, существовавшие в эпоху, пред-
шествовавшую появлению жизни. Наряду с этим мы можем, искус-
ственно воспроизводя эти условия в лабораторной обстановке,
моделировать абиогенный синтез веществ, образование из них
многомолекулярных комплексов и возникновение в этих комплек-
6
Предисловие к русскому изданию
сах обмена веществ с внешней средой примерно в том виде, как
это происходило на первичной, еще стерильной Земле. Очень
много в указанном отношении дает изучение сравнительной био-
химии и цитологии, позволяющее выявить эволюцию самых при-
митивных структур и начальные звенья обмена веществ у современ-
ных организмов.
Такой подход к решению проблемы происхождения жизни
создал коренной перелом в отношении к ней ученых во всем мире.
Появились многочисленные исследования, фронт которых прости-
рается очень широко —• от космогонии, астрономии, учения о метео-
ритах, геофизики и геохимии к органическим синтезам и углублен-
ным биохимическим и общебиологическим исследованиям.
Конечно, для рациональной работы над проблемой, носящей
общий характер, требуется объединение усилий ученых различных
специальностей. Впервые это было осуществлено на Международ-
ном симпозиуме по проблеме возникновения жизни, организован-
ном в августе 1957 г. в Москве. В работе этого симпозиума при-
няли участие многие ведущие ученые из 17 стран мира. Здесь были
не только подведены итоги всей предшествующей работы в данной
области, но и намечены согласованные пути дальнейших экспери-
ментальных исследований.
Достойным продолжением Московского симпозиума явилась
конференция по происхождению предбиологических систем, созван-
ная в конце октября 1963 г. во Флориде. В этой конференции при-
нимали участие главным образом крупнейшие американские уче-
ные. Однако в ее работе участвовали также исследователи, спе-
циально приглашенные из других стран — из Советского Союза,
Англии, Японии, Индии и ФРГ.
Настоящая книга представляет собой перевод трудов Флорид-
ской конференции. Первая и последняя ее части посвящены общим
вопросам и изложению взглядов на дальнейшие перспективы раз-
вития обсуждаемой проблемы. В частности, эти главы содержат
краткое изложение истории вопроса (Опарин) и освещают связь
проблемы возникновения жизни с матричной теорией и различ-
ными общебиологическими теориями (Холдейн, Блуа, Мора, Патти
и др.). Большой интерес представляет зачитанный на конференции
доклад Бернала, в котором автор стремится доказать возможность
образования органических веществ еще до возникновения Земли,
Предисловие к русскому изданию
7
в разово-пылевых скоплениях, послуживших материалом для обра-
зования как нашей планеты, так и метеоритов. Начальным стадиям
абиогенного синтеза органических веществ, в частности в метео-
ритном материале, посвящена очень содержательная статья Вал-
лентайна.
Этой статьей начинается вторая часть книги, содержащая очень
большой и совершенно новый экспериментальный материал по воп-
росу о путях абиогенного синтеза разнообразных органических
соединений (мономеров). Приходится удивляться, с какой быстро-
той развивается эта область и как далеко она продвинулась вперед.
В книге приведены интереснейшие данные о синтезе не только
разнообразных аминокислот и мононуклеотидов, но и таких соеди-
нений, как порфирины и другие сложные органические вещества,
в условиях, подобных тем, которые существовали на примитивной
Земле (статьи Акабори, Орб, Гроссенбахера, Харады, Сагана,
Поннамперумы и Шутки).
Полноценно представлен в книге (в ее третьей части) и мате-
риал по абиогенному образованию полимеров. В особенности
здесь нужно отметить статью Липмана (США), а также статью
Шрамма (ФРГ), посвященную абиогенному синтезу полинуклео-
тидов, и статьи ряда учеников Фокса о термическом синтезе про-
теиноидов. Все приведенные здесь факты создают солидную базу
для понимания тех путей, по которым в первичной гидросфере
Земли возникали полимеры, подобные белкам и нуклеиновым кис-
лотам, со случайным расположением мономеров в цепи.
Четвертая часть посвящена проблемам первичного возникно-
вения и эволюции тех многомолекулярных систем, которые явились
исходными на пути к появлению первичных организмов. В частно-
сти, здесь нужно назвать работу Фокса, работу Янга по электронно-
микроскопическому изучению протеиноидных микросфер, а также
работы, осуществленные в Институте биохимии Академии наук
СССР и посвященные формированию первичного обмена в коацер-
ватных каплях (Опарин).
Таким образом, в книге сосредоточены самые последние данные,
относящиеся к проблеме происхождения жизни. Знакомство с ними
совершенно необходимо для многих ученых самых различных
специальностей, занимающихся указанной проблемой. Однако
книга представляет интерес для гораздо более широкого круга
8
Предисловие к русскому изданию
читателей, которые ищут научно обоснованный ответ на общие
философские вопросы. Открывая конференцию во Флориде, Куимби
сказал: «Вопрос о происхождении жизни таит в себе очевидное
и непреодолимое очарование для всего человечества. Им инте-
ресуются все без исключения».
И действительно, сейчас уже существует обширная популярная
литература по данной проблеме, вызванная к жизни большим
интересом к ней самых широких кругов читателей. Учением о воз-
никновении жизни открываются программы по биологии средних
школ в Японии, США и в других странах. Эта проблема интере-
сует любого мыслящего человека.
Я убежден, что книга «Происхождение предбиологических
систем», содержащая в себе новейшие данные по проблеме про-
исхождения жизни, вызовет самый широкий интерес у советского
читателя.
А. И. Опарин
ПРЕДИСЛОВИЕ К АНГЛИЙСКОМУ ИЗДАНИЮ
В последнее время состоялось сразу много конференций, посвя-
щенных проблеме происхождения жизни. В декабре 1956 г. по ини-
циативе Нью-Йоркской академии наук и Американской ассоциа-
ции содействия развитию науки проводился симпозиум «Совре-
менные взгляды на спонтанное зарождение жизни». В августе
1957 г. в Москве открылся Первый Международный симпозиум
по происхождению жизни на Земле, который был организован
Академией наук СССР. В марте 1958 г. Американское химическое
общество на одном из своих научных съездов открыло в Сан-Фран-
циско симпозиум, посвященный биохимическим аспектам про-
исхождения жизни. Это был первый симпозиум, на котором каждый
из шести докладчиков изложил свои концепции, подвергнутые
хотя бы частично экспериментальной проверке.
За этими конференциями 1956—1958 гг. последовал ряд офи-
циальных совещаний с одним или двумя ведущими докладчиками.
Правительство США с самого начала поддержало работы отделе-
ния биологических наук при Национальном управлении по аэро-
навтике и исследованию космического пространства (НАСА), соз-
данного в марте 1960 г. Одной из целей этой организации было
изучение возможности возникновения жизни на любом из участ-
ков вселенной.
Эти исследования благодаря поддержке НАСА настолько про-
двинулись, что было решено провести в конце 1963 г. конференцию
с тем, чтобы по-деловому обсудить как сами эксперименты, так
и пути истолкования полученных результатов.
Для того чтобы содействовать наилучшему обсуждению экспе-
риментальных работ и теоретических проблем, предполагалось
пригласить не более 25 докладчиков из разных лабораторий и соб-
рать их в каком-нибудь живописном уединенном месте.
На конференцию были приглашены практически все те иссле-
дователи, экспериментальная работа которых так или иначе свя-
зана с проблемой происхождения жизни. Почти все смогли при-
нять приглашение.
Когда же встал вопрос о привлечении к работе конференции
ученых, занимающихся созданием обширных теоретических трудов
10
Предисловие к английскому изданию
по данному вопросу, нам пришлось руководствоваться другими
соображениями. Поскольку эта группа более многочисленна, то,
очевидно, было целесообразно пригласить только тех из них, кото-
рые смогли бы изложить на конференции какие-то новые точки
зрения.
В конференции приняли участие ученые, которые были зачи-
нателями в этой области исследований. Поскольку основной идеей
в области происхождения жизни является теория Опарина —
Холдейна, тот факт, что профессор Опарин и профессор Холдейн
впервые встретились лично в 1963 г. на маленькой конференции
в Вакулла-Спрингс во Флориде, имеет историческое значение.
Другая существенная особенность конференции — активное
участие в ней ряда известных биохимиков, которые придали дис-
куссиям конкретный характер и высказали ряд новых идей,—
а ведь еще совсем недавно ортодоксальные биохимики проявляли
пренебрежение к проблемам добиологической химии.
При внимательном чтении сделанных на конференции докладов
читатель без труда обнаружит, что проблема происхождения жизни
приобретает все более прочную экспериментальную основу.
Удалось, например, экспериментально показать, каким обра-
зом в природе могло происходить образование всех аминокислот,
входящих в белки, азотистых оснований, входящих в нуклеиновые
кислоты, сахаров, АТФ, а также продемонстрировать полимери-
зацию аминокислот с образованием первичного белка, ограничен-
ную полимеризацию мононуклеотидов и даже начальные этапы
возникновения доклеточных систем.
Эти же опыты позволяют продвинуться в выяснении такого
вопроса, как спонтанное появление каталитической активности
в доклеточных системах. Было экспериментально доказано, что
некоторые метаболиты могут синтезироваться не одним, а несколь-
кими путями. Однако все же можно попытаться установить после-
довательность отдельных реакций.
Профессор Акабори выразил надежду на то, что именно в Вакул-
ла-Спрингс обсуждение будет особенно успешным, ведь первые
четыре буквы слова Вакулла — ваку — по-японски означают «спон-
танная жизнь».
Октябрь 1964 г.
Сидней В. Фокс
ВСТУПИТЕЛЬНОЕ СЛОВО
Ф. КУ ИМБИ
Exobiology Branch, National Aeronautics and Space Administration,
Washington, D. C.
Леди и джентльмены! В свете экспериментальных данных,
полученных за последние 20 лет, созыв конференции для широкого
обсуждения проблем абиогенеза представляется мне весьма свое-
временным.
Я должен был бы начать свое вступительное слово с обычного
обоснования задач этой конференции, если бы это уже не было
сделано совсем недавно, во время празднования столетнего юбилея
Национальной академии наук 21—23 октября 1963 г.
Программа юбилейной сессии (не считая одного заседания
и приветственного слова президента Кеннеди) явилась, в сущности,
прологом к программе нашей конференции. Особенно это справед-
ливо в отношении двух заседаний юбилейной сессии. Я считаю
целесообразным хотя бы просто упомянуть, даже не называя имен
докладчиков, затронутые там вопросы в том порядке, в котором
они обсуждались.
Первое заседание: происхождение элементов; история звезд
и галактик; история солнечной системы; происхождение континен-
тов, океанов и атмосферы; происхождение жизни.
Второе заседание: проблемы симметрии и законы сохранения;
элементарные частицы; строение ядра; архитектура молекул; орга-
низация живого вещества.
Названия этих тем дают ясное представление о развитии направ-
лений современной науки к их кульминационной точке — проблеме
происхождения живых систем.
Вопрос о происхождении жизни таит в себе очевидное и непрео-
долимое очарование для всего человечества. Им интересуются все
без исключения. Исследования, проведенные в течение последнего
десятилетия, показывают, что эта проблема созрела для того, чтобы
начать ее исследование силами интеллектуальной артиллерии.
Я подразумеваю под этим не исследовательскую «скачку с препят-
ствиями», а выяснение ряда основных вопросов, включение новых
научных сил и развитие предмета в его наиболее важных
аспектах.
12
Ф. Куимби. Вступительное слово
По-видимому, сейчас имеется лишь небольшое число основных
вопросов, формулирование которых, хотя они хорошо известны
большинству из вас, может оказать стимулирующее действие.
Химическая эволюция живого вещества неизбежно должна
была предшествовать эволюции видов; об этом говорит хотя бы
единство молекулярной структуры живого (в других отношениях
живые системы сильно отличаются друг от друга). Маловероятно,
что исходные формы жизни по своей молекулярной структуре
полностью отличались от существующих ныне. В то же время
совершенно очевидно, что объектом для исследования нам служат,
в сущности говоря, те химические соединения, которые существенно
необходимы для жизни в настоящее время,— некоторые из них
находят в древних осадках.
Обнаружение и исследование жизни на других планетах, воз-
можно, выявит какие-то иные принципы химической организации.
Это было бы весьма желательно еще и потому, что иначе никто
не поверит во внеземное происхождение этой жизни.
Мне думается, что воспроизведение жизни в лаборатории не
является нашей первоочередной задачей. Возможно даже, что
это никогда не удастся осуществить. Но чрезвычайно заманчиво
получить правильное материалистическое объяснение того, как
могла .возникнуть жизнь. Приведу грубую аналогию. Мы можем
в конце концов прийти к правильному представлению о солнечной
системе, но весьма неблизок тот день, когда мы окажемся способ-
ными создать такую же. Эта аналогия допустима, поскольку солнеч-
ная система и живые организмы сравнимы по степени сложности
и связаны по происхождению.
При обсуждении интересующей нас с вами проблемы —
да и любой научной проблемы вообще — наибольшие трудности
обусловлены причинами, кроющимися в нас самих: нашими пред-
убеждениями, скептицизмом, чрезмерной приверженностью к логи-
ческим представлениям современной науки, подчас недостаточно
обоснованными обобщениями, неоправданным использованием имею-
щихся данных для подтверждения желаемых концепций, инерт-
ностью научных традиций, геохимической догмой, нашим нетер-
пением и разочарованиями, связанными с ограниченностью наших
возможностей, и, наконец, представлением о том, что мы обязаны
расшифровать путь, пройденный природой за 1—2 миллиарда лет
эволюции, приведший к образованию белков, ДНК, РНК, трехсот
или более ферментов, к возникновению эффективного и быстрого
пути превращения энергии и всех других явлений, составляющих
содержание наших современных концепций о земной биологии,
основанной на соединениях углерода. Как мы отнесемся, напри-
мер, к тому, что кому-нибудь удастся создать маленькие живые
существа, которые абсолютно схожи с известными нам организ-
Ф. Куимби. Вступительное слово
13
мами и отличаются от них только по химическому составу, т. е. не
содержат многих веществ, необходимых с точки зрения современ-
ной биологии?
Я полагаю, что мои последние замечания вряд ли станут широко
известными; поэтому я хотел бы закончить свое выступление шут-
кой, принадлежащей Харлоу Шепли и относящейся к 1961 г.:
«Чрезвычайно приятно быть частью этого грандиозного эволю-
ционного спектакля, даже если нам придется считать себя пря-
мыми потомками тошнотворных газов и грозовых разрядов».
Это замечание перекликается с мыслью, высказанной Гексли
в ответ на вопрос одного оксфордского епископа, который заинте-
ресовался, по дедушке или по бабушке Гексли является прямым
потомком обезьян. Классический и исчерпывающий ответ Гексли
знаком всем, изучавшим дарвинизм. Я цитирую одну из версий
этого ответа: «Если бы меня спросили, предпочел ли бы я быть
потомком этих бедных животных с низким умственным развитием,
передвигающихся на четвереньках, гримасничающих и бормочу-
щих, или же потомком человека, одаренного большими способно-
стями и занимающего высокое положение, но использующего эти
дары для того, чтобы дискредитировать и сокрушать скромных
искателей истины, то, право, затрудняюсь сказать, как бы я
на это ответил».
ВСТУПИТЕЛЬНОЕ СЛОВО
С. ФОКС
institute for Space Biosciences, The Florida State University,
Tallahassee, Florida
Мы приносим искреннюю благодарность д-ру Куимби за ввод-
ные замечания, осветившие состояние интересующего нас вопроса
с разных точек зрения.
Основная цель этой конференции — стимулировать свободное
обсуждение проблемы. Некоторые участники полагают, что дискус-
сия будет свободнее, если она будет записываться, другие же,
напротив, предлагают не вести стенограммы. Мы можем удовлет-
ворить всех, ибо каждый участник имеет право, как и было огово-
рено ранее, наложить вето на любое положение, высказанное
им во время дискуссии или в докладе.
Я прошу д-ра Нормана Пири принять обязанности председа-
теля первого заседания и огласить программу.
Часть 1
ПЕРСПЕКТИВЫ I
РЕЧЬ ПРЕДСЕДАТЕЛЯ
Н. ПИР И
Rothamsted Experimental Station, Harpenden, Herts., England
Единственная причина, которая объясняет, почему мне пору-
чили председательствовать на первом заседании, заключается
в том, что, не считая Холдейна и Опарина, я обратился к интере-
сующим нас вопросам раньше, чем кто-либо другой из присут-
ствующих; мой вклад невелик, если не считать изрядной дозы
скептицизма, но именно его-то нам часто и не хватает. Поэтому
вы, может быть, извините, если его будет несколько больше.
Как вы заметили, тематика симпозиума постепенно изменяется.
Мне нравилось первоначальное название «Молекулярные мат-
рицы» — это звучало прекрасно. Мне кажется неудачным термин
«предбиологические». Можно использовать термины «превиталь-
ные» или «пробиологические» по выбору. Слово же «системы» в заго-
ловке звучит очень хорошо.
Позвольте мне приступить к своим обязанностям. Мне очень
приятно видеть д-ра Холдейна у себя в подчинении. Я всю жизнь
занимал противоположное положение. Он был одним из моих
первых учителей, и если я достиг чего-либо, то исключительно
благодаря тому стимулу, который я получил от него в студенческие
годы. Он продолжает и сейчас оказывать на всех вокруг такое
же влияние. Поэтому я с огромным удовольствием объявляю доклад
д-ра Холдейна.
ИНФОРМАЦИЯ, НЕОБХОДИМАЯ ДЛЯ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ
ПЕРВИЧНОГО ОРГАНИЗМА
ДЖ- ХОЛДЕЙН
Genetics and Biometry Laboratory, Bhubaneswar, India
Я оставил молекулярную биологию в 1932 г. С sex пор я зани-
мался генетикой макроорганизмов (начиная от дрозофилы и кон-
чая человеком), генетикой популяций, физиологией поведения
животных и т. д. и потому сильно отстал в области молекулярной
биологии. Я прошу извинить мое невежество.
Данные, полученные в основном в работах участников этого
симпозиума, позволяют предположить, что в тот период времени,
когда в нашей атмосфере было мало Н2 и О2, в результате различ-
ных метеорологических процессов образовался целый ряд орга-
нических соединений, в том числе аминокислоты и пиримидиновые
и пуриновые основания; углеводороды же, вероятно в частично
окисленном состоянии, образовались в недрах Земли. Мы знаем
значительно меньше о происхождении таких важных промежуточ-
ных продуктов обмена, как макроэргические фосфорные эфиры.
Одним из самых простых известных нам соединений такого типа,
не считая полифосфатов, является карбамилфосфат. Может быть,
именно это соединение следует попытаться обнаружить в продук-
тах, возникающих в газовых смесях при облучении или при раз-
ряде?
Большинство упомянутых соединений является метастабиль-
ными. Для того чтобы судить об их концентрации две или три
тысячи миллионов лет назад, необходимо знать время полу-
жизни этих соединений. Возможно, что какая-то одна группа
соединений была ограничивающим фактором в биогенезе осталь-
ных. По-видимому, аминокислоты, сахара, основания, липиды
и т. д. присутствовали в адекватных количествах, однако, вероятно,
ощущался недостаток макроэргических фосфатов.
По двум причинам я считаю возможным допустить, что все
необходимые низкомолекулярные соединения (молекулярный вес
которых меньше 500) уже имелись в «питательном» растворе.
Во-первых, даже если считать, что на примитивной Земле полный
набор этих веществ мог образовываться весьма редко, все же вероят-
ность существования такого набора была значительно большей,
И нформация для воспроизведения первичного организма
19
чем вероятность синтеза фермента, способного к образованию
хотя бы одного из отсутствующих в наборе веществ. Во-вторых,
совершенно ясно, что если кто-нибудь из нас или из представите-
лей последующего поколения попытается создать живой организм,
даже имея в распоряжении все необходимые исходные вещества,
то эта задача будет достаточно трудной.
Центральным процессом метаболизма современных организмов
является образование АТФ и сходных с ним соединений. Если бы
даже одно из них имелось в готовом виде на примитивной Земле,
то такая направленность метаболизма не была бы необходимой.
Несомненно, на ранних стадиях эволюции было выгодно исполь-
зовать энергию метастабильных молекул другого типа, как это
имеет место в случае обычного анаэробного обмена; при этом обра-
зовывались ферменты, необходимые для такого типа метаболизма.
Но я полагаю, что обмен у первых организмов был направлен —
а у первых синтетических организмов будет направлен — на синтез
нуклеиновых кислот, способных служить матрицей в синтезе белка,
а также на синтез одного или более белков, катализирующих обра-
зование нуклеиновых кислот и белков.
Почти у всех (а может быть, и у всех) современных организмов
первичная информация для синтеза белков содержится в молекуле
относительно стабильной ДНК. Перенос этой информации осуще-
ствляет так называемая информационная РНК (m-РНК); пептиды
строятся с помощью двадцати (или около того) растворимых РНК
(s-PHK) (по одной на каждую аминокислоту) и РНК рибосом.
Однако у РНК-содержащих вирусов информация о синтезе белка
содержится в РНК- Новый вирусный белок синтезируется, по-види-
мому, при использовании растворимой и рибосомной РНК хозяина.
Таким образом, едва ли вирусы можно назвать организмами. По-ви-
димому, нет оснований считать, что ДНК обязательно включается
на какой-либо стадии в процесс воспроизведения вирусной РНК-
Или такие основания есть? Может быть, кто-либо из присутствую-
щих сможет ответить на этот вопрос.
Мне кажется, что неправомерно считать ДНК абсолютно необхо-
димой составной частью простейших организмов. Я предполагаю,
что жизнь, которую я рассматриваю как репликацию совокупно-
стей макромолекул, может базироваться только на РНК, без ДНК-
Вопрос заключается в том, какое количество РНК необходимо
для этого. Триплет нуклеотидов содержит 6 битов информации,
если все четыре основания встречаются с одинаковой частотой.
Захват одной аминокислоты из смеси двадцати остальных соответ-
ствует 4,322 бита информации, опять-таки если все аминокислоты
встречаются с одинаковой частотой. Можно считать, что около
половины информации, заключенной в информационной РНК,
оказывается избыточной при синтезе пептидов.
20
Дж. Холдейн
Если в примитивном организме должен содержаться не только
код для синтеза собственных белков (одного или многих), но также
двадцать типов растворимой РНК (по одной для каждой амино-
кислоты) и эквивалентное количество рибосомной РНК, то наши
потомки все же смогут создать такой организм. Однако мы должны
признать, что в прошлом такой организм мог возникнуть только
из другого, сходного организма; или если предположить здесь
действие какого-то естественного или сверхъестественного агента,
то он должен был быть по крайней мере столь же разумным, как
мы сами, и притом гораздо более знающим.
Если три последовательных уридиновых нуклеотида в инфор-
мационной РНК являются кодом для фенилаланина, то, по-види-
мому, соответствующая молекула s-PHK имеет в определенном
участке три последовательных адениновых нуклеотида. Это вполне
понятно. Мы не понимаем только, почему триплет ААА должен
связывать именно фенилаланин, а не другие аминокислоты.
Насколько я могу судить, пока не исключена полностью воз-
можность того, что в подходящих условиях вполне достаточно
одной цепи РНК для определения специфического синтеза пептида.
Изучение современных организмов и вирусов мало чем может
нам помочь. Возможно, здесь будут полезны данные, полученные
в лабораторных опытах с использованием синтетической РНК-
Если я прав, то основной вопрос сводится к тому, чтобы понять,
почему различные типы s-PHK специфически связывают опреде-
ленные аминокислоты (сам по себе этот факт, по-видимому, уже
твердо установлен). Решить этот вопрос — задача химии, причем,
очевидно, сделать это гораздо труднее, чем объяснить, почему
аденин спаривается с тимином и т. д., но вполне возможно. Вопрос
о том, каким образом реплицируется РНК, можно попытаться
решить (если это вообще возможно), изучая мелкие РНК-содер-
жащие вирусы, например вирус полиомиелита. Однако еще остаются
вопросы. Могут ли белки воспроизводиться без участия РНК?
Может ли белок участвовать в построении РНК, определяющей
его специфический синтез и участвующей впоследствии в его вос-
произведении? Если это так, то открытия Фокса приобретают
гораздо большее значение, чем в том случае, если РНК обязательно
предшествует белку во времени.
Предположим, что мы уменьшили количество РНК, необходи-
мое для синтеза одного белка, до минимума: каким будет в таком
случае синтезированный белок? При наличии в культуральной
среде аминокислот, рибозы, четырех оснований и источника макро-
эргического фосфата возможны следующие реакции: образование
нуклеотидов, соединение нуклеотидов с образованием полинуклео-
тидных цепей, соединение аминокислот с АТФ или каким-либо
сходным веществом, образование из аминокислот пептидной цепи.
И нформация для воспроизведения первичного организма
21
У современных организмов все эти реакции катализируются
различными ферментами. Даже в случае простейших организмов
фермент, помимо активности, должен обладать специфичностью,
т. е. способностью катализировать лишь ограниченное число реак-
ций. В противном случае регулирование обмена веществ было бы
невозможным. Нельзя ли предположить, что первичный организм
содержал только один так называемый «ген» РНК, необходимый
для синтеза лишь одного фермента, например весьма неспецифи-
ческой фосфокиназы, которая катализировала бы все вышеупомя-
нутые реакции?
Может быть, не случаен тот факт, что рибонуклеаза обладает
очень небольшим молекулярным весом. Возможно, именно она
произошла на очень ранней стадии от нашего гипотетического
примитивного фермента и, по-видимому, напоминает его своими
малыми размерами. Весьма вероятно, что первый фермент имел
в своем составе последовательность Асп-Сер-Гли, которая является
частью активного центра фосфоглюкомутазы, трипсина и химо-
трипсина. Рибонуклеаза содержит 124 аминокислотных остатка.
Если бы все аминокислоты встречались с одинаковой частотой,
то это соответствовало бы 540 битам информации. В действитель-
ности это число несколько меньше; оно могло стать меньшим в том
случае, если бы некоторые аминокислоты отсутствовали как в фер-
менте, так и в среде. По-видимому, первичный фермент представ-
лял собой гораздо более короткий пептид, обладавший весьма
невысокой активностью и специфичностью; структура этого пеп-
тида соответствовала только 100 (или около того) битам информа-
ции. Даже это означало бы выбор одной из 1,3-1030 возможностей.
Это число уже непомерно велико. Если бы новый организм созда-
вался каждую минуту в течение 108 лет, то необходимо было бы 1017
одновременных «попыток», чтобы мог возникнуть нужный вариант.
Поверхность Земли составляет 5-103® см2. На мой взгляд, этого
пространства совершенно недостаточно. Шестьдесят бит, или
около 15 аминокислот, были бы более приемлемы с точки зрения
теории вероятностей, но мало приемлемы с биохимической точки
зрения.
Думаю, что первый синтетический организм вполне мог пред-
ставлять собой нечто, подобное вирусу табачной мозаики, но должен
был содержать фермент или ферменты, необходимые для его само-
воспроизведения. Для естественно возникшей (а не для созданной
в лаборатории) жизни необходима полупроницаемая мембрана.
Эта мембрана может строиться из инактивированных ферментов
и липидов. Полагаю, однако, что первый синтетический организм,
может быть, будет гораздо крупнее, чем первый организм, обра-
зовавшийся в природе. Он будет содержать несколько различных
ферментов, что соответствует примерно 5000 битам информации.
22
Дж. Холдейн
И тогда возникает вопрос, насколько меньше был первый возник-
ший в природе организм.
Если сложность этого организма соответствовала 500 битам
информации, приходится предположить, что жизнь на Земле имеет
либо внеземное (как утверждают Надь и Браун), либо какое-то
сверхъестественное происхождение (как учат многие, но далеко не все
религии). Я хочу, однако, предложить иное решение вопроса,
которое одни назовут неовитализмом, другие — грубым материа-
лизмом, а все вместе сочтут чепухой.
Несколько ранее я предположил, что бактерия, сосна или чело-
веческий мозг сохраняют свои характерные признаки и активность
(если они не слишком сильно нарушены) по той же самой совокуп-
ности причин, что атом или молекула.
Эти системы характеризуются энергетическими уровнями, между
которыми возможны квантовые переходы. Разность между энер-
гетическими уровнями для человеческого мозга имеет величину
порядка 10“19 эв с временной неопределенностью порядка 1 сек
и пространственной неопределенностью порядка 1 см2. Для средней
клетки временная неопределенность составляет, по-видимому,
несколько миллионных долей секунды, а для первичного организма
и того меньше. Эта система действует, как я предполагаю, сле-
дующим образом: любое возбуждение увеличивает вероятность
протекания процессов (таких, как окисление молекул или соеди-
нение двух молекул), способствующих возвращению клетки обратно
на низший энергетический уровень.
Если эта точка зрения имеет какой-то смысл, то вполне воз-
можно, что некоторые определенные конфигурации РНК являются
более вероятными, чем другие. Вероятность этих конфигураций
может в принципе быть рассчитана, подобно тому как из атомных
параметров можно рассчитать энергетические уровни молекулы
бензола. Таким образом, вероятность спонтанного образования
биологически целесообразной формы РНК могла быть значительно
большей, так что нет никакой необходимости привлекать жизнен-
ную силу или дух для объяснения возникновения необходимой
конфигурации молекул.
Может быть, я изменю свою точку зрения в ходе этой конфе-
ренции, но при написании статьи меня совершенно не привлекала
теория, согласно которой возникновению жизни предшествовала
биохимическая эволюция, продолжавшаяся много миллионов лет.
Мне кажется, что наличие «полуживых» систем, например ката-
лизаторов, высвобождающих энергию метастабильных молекул,
таких, как пирофосфат или сахар, делало условия для возникнове-
ния первых живых организмов — я имею в виду первые само-
воспроизводящиеся системы — менее благоприятными. Белок, спо-
Информация для воспроизведения первичного организма 23
собный катализировать такие реакции, впоследствии не стал бы
размножаться в большей мере, чем фермент.
Если позволяет время, я хотел бы привести некоторые рассу-
ждения об эволюционных ступенях, следующих за возникновением
простейших организмов. То, что я хотел бы сказать, можно свести
к следующему. Мы имеем достаточно оснований думать, что реп-
ликация РНК есть вероятностный процесс и что РНК-содержащие
вирусы производят большое количество материала, который неспо-
собен репродуцироваться дальше. Это может не иметь значения
в случае достаточно простой системы, в которой синтезируется
всего три или четыре белка, но как только мы переходим к сис-
теме, содержащей хотя бы дюжину различных белков, то оказы-
вается целесообразным использование ДНК Для кодирования,
если даже это потребует еще одного фермента для перевода инфор-
мации в структуру РНК- Я хотел бы еще раз подчеркнуть, что
ДНК возникла как более позднее приспособление уже сформиро-
вавшейся сложной системы, а не являлась составной частью при-
митивной системы.
ОБСУЖДЕНИЕ ДОКЛАДА
Бернал. Очень хорошо, что на конференции, подобной этой,
мы начинаем рассмотрение вопроса о том, как жизнь могла бы
произойти биохимическим путем. Проф. Холдейн знает, как знаем
все мы, что любая выдвигаемая модель вряд ли соответствует дей-
ствительному положению вещей. Но тот факт, что такая модель
может быть сформулирована с использованием не совсем невероят-
ных положений, стимулирует других исследователей — по край-
ней мере на критику ее. Профессор Холдейн, который является,
по существу, одним из двух основоположников современного пред-
ставления о происхождении жизни, равно как и одним из осно-
вателей современной биохимии, поднял в своем докладе ряд инте-
ресных вопросов.
Мне хотелось бы сделать некоторые замечания. Одно из них,
которое я выдвину также позднее при обсуждении доклада д-ра
Мора, сводится к тому, что мы не должны переоценивать понятия
«вероятность» или, вернее, «невероятность». Предположив, что
жизнь возникла в результате ступенчатого процесса, мы уменьшим
количество необходимой информации на много порядков. По-види-
мому, предполагаемое сейчас количество необходимой информации
столь велико именно потому, что мы не знаем того пути, по кото-
рому действительно создавалась жизнь. Но наступит время,
когда мы сможем понять, как это могло происходить шаг за ша-
гом, причем каждая стадия сама по себе не слишком уж неве-
роятна.
24
Дж. Холдейн
Мне особенно нравится точка зрения Холдейна, что события,
приводящие кобразованию специфического полинуклеотида, должны
быть результатом выбора из целого ряда равновероятных альтер-
натив. Однако я пошел бы дальше и предположил, что энергия
кристаллической решетки некоторых из этих конфигураций может
быть заметно ниже, и, следовательно, именно они будут образо-
вываться предпочтительно.
Я не совсем согласен с д-ром Холдейном в вопросе, касающемся
размеров примитивного организма; он рассматривал организмы
изолированными от окружающей среды. Он берет в качестве модели
вирус в тот момент, когда вирус не функционирует после гибели
первоначально инфицированной клетки и перед инфицированием
новой; но это всего лишь препарат.
Я скорее допускаю, что первая самовоспроизводящаяся живая
структура была не изолированным организмом или даже изолиро-
ванной органеллой, но чем-то, что возникало и функционировало
в менее организованной невоспроизводящейся среде, представляв-
шей собой высококонцентрированную часть первичной среды.
Шрамм. Один из обсуждаемых вопросов — вопрос о про-
тивопоставлении ДНК и РНК. Однако мне кажется, что в подобном
противопоставлении нет необходимости. В самом начале суще-
ствовало, по-видимому, нечто более примитивное, нежели ДНК
и РНК, возможно соединение сахара с какими-либо основаниями,—
соединение, которое нельзя назвать ни ДНК, ни РНК-
Холдейн. Я полностью согласен с вами. Могу сказать, что,
обдумывая этот вопрос, я имел в виду строение будущего синтети-
ческого организма, а не первого организма, каким он мог бы быть.
Поннамперума. Я не думаю, чтобы кто-либо мог сооб-
щить данные, которые могли бы ответить на вопрос д-ра Холдейна
об образовании карбамилфосфата. Однако нам удалось получить
макроэргический фосфат (АТФ). Используя метафосфат, который
недавно использовал д-р Шрамм, мы смогли присоединить к аде-
нозину семь фосфатных групп.
Фокс. Я тоже хотел бы сказать несколько слов на эту тему.
В 1961 г. Харада и я сообщили о получении урацила при высокой
температуре в среде, в которой присутствовали яблочная кислота,
полифосфорная кислота и мочевина. Проф. Холдейн спрашивал,
как мог бы образоваться карбамилфосфат. Весьма вероятно, что
карбамилфосфат образовывался в системах, подобных использо-
ванной нами. Он мог бы также образоваться в результате сходных
реакций из полифосфорной кислоты и мочевины.
Оро. Можно добавить, что карбамилфосфат был синтезирован
несколько лет назад из цианата и фосфата (Джоунс, Спек-
тор и Липман, J. Am. Chem. Soc., 77, 819, 1955) и что обра-
зование этого соединения в абиотических условиях обсуждалось
Информация для воспроизведения первичного организма
25
в статье Джоунса и Липмана (Proc. Natl. Acad. Sci.,
46, 423, 1960). При обсуждении абиотического образования макро-
эргических фосфатов необходимо принимать во внимание, что
содержание фосфора во вселенной сравнительно низко (менее 0,3%,
в расчете на Р2О5 в углистых хондритах), причем этот элемент
обнаруживается в природе главным образом в виде фосфатов щелоч-
ноземельных металлов.
Я совершенно согласен с мнением проф. Холдейна о том, что
одной из важнейших проблем, связанных с вопросом происхожде-
ния жизни на Земле, является химия фосфатных соединений.
Теоретически существует довольно много соединений, которые
можно назвать кандидатами на роль первичных, примитивных
макроэргических фосфатных соединений. Сюда относятся по край-
ней мере двенадцать различных соединений, состоящих из фос-
фата и какого-либо одноуглеродного реагента, например цианида,
цианата, мочевины, изомочевины и т. д. Не следует исключать
из рассмотрения и обычные полифосфаты.
Опарин. Я хотел бы спросить д-ра Холдейна о следующем.
Во-первых, имела ли, по его мнению, примитивная РНК фиксиро-
ванную последовательность нуклеотидов или же она характеризо-
валась более или менее беспорядочной последовательностью?
Во-вторых, как он представляет себе образование ферментов, кото-
рые обеспечивали воспроизведение определенной последователь-
ности?
Холдейн. Основываясь на том, что рассказал мне д-р Син-
дел, я мог бы предположить, что РНК имела довольно определен-
ную последовательность. Воспроизведение этой РНК было не
слишком точным; я полагаю, что было бы очень важно иметь такую
РНК, которая синтезировала бы фермент типа фосфокиназы или
же два-три фермента, способных каким-то образом приводить
к образованию больших молекул РНК на подходящей матрице
при участии энергии. Я не могу сказать ничего более по этому
вопросу. Все мы лишь ищем пути для ответа.
Б у х а н а н. Полагаете ли вы, что воспроизведение первой
молекулы РНК происходило в отсутствие белоксинтезирующего'
фермента?
Холдейн. Мне кажется, что один и тот же фермент ката-
лизировал много реакций (например, если таким ферментом была
относительно неспецифичная фосфокиназа).
Б у х а н а н. Но происходила ли репликация новой молекулы
РНК? Происходило ли это в присутствии или в отсутствие фер-
мента?
Холдейн. О, конечно, в присутствии. Я не представляю»
себе, как это могло бы происходить в отсутствие фермента.
Буханан. А мне это кажется возможным.
26 Дж. Холдейн
Холдейн. Ну что же, желаю удачи.
Шрамм. Мы исследовали полимеризацию нуклеотидов,
используя эфиры метафосфорной кислоты, и нашли, что добавле-
ние некоторых основных пептидов ускоряет полимеризацию. Поэто-
му я считаю совсем необязательным предполагать наличие спе-
циального фермента; скорее здесь играл роль белок, подобный
структурному белку рибосом. Может быть, именно он был наи-
более примитивной структурой, ускоряющей полимеризацию.
Необходимость в ферментах возникла позже.
Стюарт. Д-р Холдейн, для вашего первого организма потре-
буется огромное количество информации, но для одного фермента
нужен только активный центр плюс носитель. Если в системе
присутствуют предобразованные полимеры и один активный центр,
имеющий небольшие размеры, то даже для десяти или пятнадцати
ферментов вашего примитивного организма потребуется очень
небольшое количество информации — всего какая-нибудь сотня
битов.
Холдейн. В своих рассуждениях я и пытался сократить
количество информации до сотни битов. Но сотня битов — это
-еще слишком много. Сотня битов означает одну из 1,3-10®° воз-
можностей.
БЕСПОРЯДОЧНЫЕ ПОЛИМЕРЫ КАК МАТРИЦА
ДЛЯ ХИМИЧЕСКОЙ ЭВОЛЮЦИИ
М. БЛУА
Biophisics Laboratory, Stanford University, Stanford, California
Механизмы химической эволюции, при помощи которых про-
стые углеродные соединения, приходящие в возбужденное состоя-
ние под действием природных источников энергии, способны час-
тично превращаться в вещества с большим молекулярным весом,
распадаются в общем на две группы механизмов: гомогенные и гете-
рогенные. Наибольший интерес представляют механизмы второй
группы: прежде всего, они облегчают поиски движущих сил химиче-
ской эволюции (выражающейся в увеличении веса и сложности моле-
кул). Кроме того, эти механизмы соответствуют предположению о том,
что примитивная Земля была, в сущности, гетерогенной системой.
Бернал предположил, что в основе механизма, обеспечивающего
увеличение концентрации органических соединений, рассеянных
в первичном океане, лежит адсорбция этих соединений на глино-
земах и на тонкоизмельченных неорганических частицах. Холод-
ный [7] и Вильямс [12] выдвинули предположение о том, что вновь
образованные молекулы должны были быть адсорбированы на
минеральных частицах; это, по их мнению, сделало невозможным
обратные реакции, такие, как фотолиз или пиролиз. Кроме того,
помимо концентрации и защиты молекул, адсорбция на поверхно-
стях минералов рассматривалась как возможный механизм ката-
лиза или возникновения стереоспецифичности молекул в процессе
их полимеризации. Эта точка зрения получила экспериментальное
обоснование в исследованиях Акабори [1] по синтезу полипептидов
глицина из аминоацетонитрила, адсорбированного на каолине,
а также в некоторых его позднейших работах.
В нашу задачу входило рассмотрение твердой фазы другого
типа, которая могла быть широко распространена на примитивной
Земле, фазы не минеральной, а органической. Этот субстрат, отно-
сящийся к классу беспорядочных полимеров, носящий отчасти
ароматический характер, занимает особое место в химической
эволюции, поскольку образование его, по-видимому, имело место
в результате фотополимеризации еще в предбиологический период.
Синтез таких полимеров продолжается и в настоящее время всеми
живыми организмами.
28
М. С. Блуа
МЕЛАНИН КАК БЕСПОРЯДОЧНЫЙ ПОЛИМЕР
Меланинами называют черные или коричневые пигменты био-
логического происхождения, по-видимому представляющие собой
азотсодержащие полимеры. Вследствие своей нерастворимости
НО.
НО'
СН2
СН-СООН
nh2
ДОПА-хинон
•ы ^СООН
н
ЛейкоВопахром
НО
__СН2
У С1Н-СООН
НО' nh2
ЗД-Диоксифенилаланин
(ДОПА)
НО.
Н
-1 л
О
Н J
МЕЛАНИН
НО
5,6-Индахинон
^СН,
У CH-COOH
1^2
Тирозин
Фиг. 1. Схема синтеза меланина по Рейперу — Мейзону [8, 11].
НО'
о
о
и устойчивости к гидролизу меланин лишь с трудом поддается
химическому анализу; поэтому до сих пор не удалось провести
четкий анализ его структуры. Классическая схема биосинтеза
меланина (авторы этой схемы Рейпер и Мейзон) представлена
на фиг. 1 [8, 11]. Согласно этой схеме, при биосинтезе меланина
происходит ряд последовательных окислений и восстановлений,
ведущих к образованию 5,6-индохинона, из которого, по-видимому,
Беспорядочные полимеры — матрица для химической эволюции 29
за счет реакции конденсации образуется полимер. Участие фер-
ментов было установлено только для первых двух этапов, причем
один и тот же фермент тирозиназа (или «фенолазный комплекс»)
оказался способным превращать тирозин в ДОПА и затем окис-
лять ДОПА. Однако Накамура [9] показал, что ДОПА-оксидаза
активна только в отношении образования семихинона. Нико-
лаус [10] недавно сообщил о результатах изучения продуктов
Лейкодопахром
Допахром
Фиг. 2. Схема Рейпера — Мейзона в модификации Николауса.
разрушения меланина и привел доказательства того, что на самом
деле биосинтез меланина гораздо сложнее, чем полагали ранее.
Вместо мономера 5,6-индохинона он ввел в схему свыше 10 раз-
личных производных индохинона. Эта предположительная схема-
синтеза представлена на фиг. 2, но и она, по мнению автора, слиш-
ком упрощена. Гипотетическая структура меланина, предложен-
ная Николаусом, изображена на фиг. 3.
С точки зрения химии свободных радикалов преимуществом
схемы Рейпера является ряд последовательных окислительно-
восстановительных реакций. Между каждой парой диамагнитных
структур, начиная с ДОПА, по-видимому должно происходить
промежуточное образование семихинона по свободнорадикальному
механизму. Вертц и сотр. [14] изучали in vitro автоокисление
соон
Фиг. 3. Гипотетическая структура сепия-меланина [10].
Предполагается, что цистеин связывает полимерный меланин и белок. При этс
образуется гранула меланопротеида
Беспорядочные полимеры — матрица для химической эволюции 31
ДОПА, причем некоторые предполагаемые семихиноны были
идентифицированы методом электронного парамагнитного резо-
нанса (ЭПР). Следует ожидать, что в такой гетерогенной систе-
ме каждый из промежуточных свободных радикалов может
инициировать реакции полимеризации. На основании исследова-
ний меланина методом ЭПР [1, 3] мы пришли к заключению,
что в биосинтезе меланина скорее всего принимает участие
такой процесс полимеризации свободных радикалов. Эти экспе-
риментальные данные показали, что все природные меланины
захватывают свободные радикалы и включают их в полимер. Свой-
ства этих свободных радикалов (значение g, ширина цепочки,
ультратонкая структура, доступность для других молекул, напри-
мер для О2, Н2О и др., связь радикалов с образованием фотосиг-
налов в меланине, зависимость спиновой плотности от темпера-
туры) сходны со свойствами аналогичных полимеров, полученных
синтетическим путем при помощи автоокисления, причем для
синтетических полимеров уже установлено, что полимеризация
происходит при участии свободных радикалов. Еще одним свиде-
тельством против теории возникновения меланина в результате
конденсации хинонов является поведение резорцина (1,3-бензо-
хинона). Это соединение не может превращаться в хинон, но спо-
собно претерпевать автоокисление с образованием полимера, свой-
ства которого практически идентичны свойствам полимеров, обра-
зованных из других простых дифенолов. На этом основании мы
выдвинули идею о том, что, по-видимому, биосинтез меланина
происходит путем полимеризации свободных радикалов, как это
схематически и изображено на фиг. 4. Результаты анализа мето-
дом ЭПР, а также тот факт, что у природных меланинов отсутствует
кристаллическая структура,— все это заставляет считать мало-
вероятным представление, согласно которому внутри меланосом
(органелл синтеза меланина) может осуществляться присоединение
мономеров в каком-то строгом порядке. В связи с этим следует
заключить, что природный меланин представляет собой беспоря-
дочный полимер. Николаус предположил, что меланин состоит
приблизительно из десятка различных мономеров, каждый из
которых полифункционален и соединен с другими 3—4 типами
связей. Таким образом, меланин—это трехмерный полимер,
У которого число вероятных структур скорее всего равняется
числу молекул меланина, встречающихся в природе, т. е., по-види-
мому, в природе просто не бывает двух совершенно идентичных
молекул меланина.
В классе биологических полимеров меланин, видимо, занимает
особое положение, поскольку он характеризуется особым типом
синтеза и в высшей степени беспорядочной структурой. Нельзя ли
на основании этого последнего свойства предположить у меланина,
32
М. С. Блуа
во-первых, существование антигенных свойств и, во-вторых, спо-
собность подвергаться ферментативному гидролизу?
Если меланин не имеет какой-то определенной фиксированной
структуры, то каким же образом антитело, возникшее на основе
одной молекулы меланина, сможет «узнать» другую молекулу?
С другой стороны, каким образом фермент сможет «узнавать»
молекулы, подлежащие гидролизу? Выдвинутое a priori мнение,
Фиг. 4. Гипотетическая схема синтеза меланина, предполагающая участие
свободных радикалов семихинона.
отрицающее наличие у меланинов антигенных свойств и способ-
ности подвергаться гидролизу, легко подвергнуть изучению, но
вместе с тем довольно трудно обосновать экспериментально. Пред-
варительные опыты дали следующие результаты. Меланин, полу-
ченный из 2-С14-ПЬ-ДОПА в результате автоокисления, вводили
в смеси с адъювантом Фрейнда кроликам внутримышечно в течение
трех месяцев, инъекции проводили с интервалом около месяца.
«Иммунизирующие» дозы содержали примерно 2—5 мг меланина.
Последующие попытки обнаружить антитела в сыворотке кроли-
ков с помощью реакций агглютинации и преципитации, диффузии
в агар и введения в кожу морских свинок оказались безуспеш-
ными. В конце «иммунизационного» периода степень освобождения
от меченого меланина у опытных и у контрольных животных была
Беспорядочные полимеры — матрица для химической эволюции 33
примерно одинакова. Для выяснения степени устойчивости мела-
нина аналогичным образом меченный меланин добавляли в сме-
шанную бактериальную культуру и инкубировали в течение
нескольких дней в мешочке для диализа. Периодически из жидкой
среды, окружающей мембрану мешочка, отбирали образцы; анализ
этих образцов не выявил присутствия в наружной среде отщепив-
шихся частей молекул полимера, диффундировавших через мем-
брану. Параллельно проводили опыты с меченым меланином,
который добавляли к культуре микроорганизма, причем в процессе
инкубации периодически отбирали образцы культуры. Никаких
потерь метки из системы не наблюдалось, хотя можно было ожидать,
что в случае усвоения меланина организмы должны были частью
превратить его в СО2, частью же выделить в форме диффузата.
В одной серии опытов смешанная культура бактерий состояла
из Escherichia coli, Proteus vulgaris и Bacillus cereus, а в другой —
из микроорганизмов, выделенных из неизвестного почвенного
образца. Ни в одном из опытов не было обнаружено разрушения
меланина. Эти опыты показали, что меланин не действует губи-
тельно на микроорганизмы — токсические мономеры, по возмож-
ности, были удалены при диализе. Следует указать, что это лишь
первые результаты, и поэтому в настоящее время какие бы то ни
было заключения следует делать лишь с большой осторожностью.
По-видимому, автоокисленный ДОПА-меланин не является анти-
генным для кроликов и не утилизируется вышеназванными микро-
организмами. Эти свойства, конечно, лишь весьма отдаленно харак-
теризуют роль этих полимеров в молекулярной эволюции. Вместе
с тем данные о том, что эти макромолекулярные вещества не являют-
ся чужеродными для ныне живущих организмов, представляли бы
значительный интерес.
МЕЛАНИНЫ КАК КЛАСС БЕСПОРЯДОЧНЫХ ПОЛИМЕРОВ
Выше мы уже говорили о том, что природные меланины и мела-
нины, синтезированные ферментативным путем, а также меланины,
полученные в результате автоокисления, обладают очень сходными
свойствами; это было установлено методом ЭПР. Сходной у них
является также и оптическая плотность, однако спектроскопиче-
ские исследования не давали удовлетворительных результатов
до тех пор, пока не была использована техника инфракрасной
спектроскопии. На фиг. 5 дано сравнение инфракрасных спектров,
снятых для природного меланина и трех автоокисленных мелани-
нов. Несмотря на видимое сходство спектров этих веществ, мы
должны воздержаться от проведения тесных аналогий между
этими четырьмя меланинами, так как известно, что их мономерные
Длина волны, мк
Фиг. 5. Инфракрасные спектры меланина Loligo opalescens (/), автоокис-
ленного пирокатехинового меланина (2), автоокисленного L-ДОПА-мела-
нина (3), автоокисленного гидрохинон-мелаиина (4), графита (5) и активи-
рованного угля (6).
Все образцы заключались в таблетки КВг.
Фиг. 6. Инфракрасные спектры поглощения природного сепия-меланина (/),
фотополимера фенилаланина, полученного путем облучения ультрафиолетом
(2537 А) в отсутствие О2 (2) и автоокисленного L-ДОПА-меланина (3).
Небольшие отклонения вблизи 3,5 мк являются артефактами, обусловленными погреш-
ностями прибора.
Беспорядочные полимеры — матрица для химической эволюции 35
компоненты отличаются друг от друга даже по элементарному
составу.
Вместе с тем с точки зрения высказанного ранее предположения
об отсутствии определенной упорядоченной структуры у различных
образцов этих полимеров сходство широких полос в спектрах погло-
щения, по-видимому, означает, что число связей в молекулах
этих соединений и окружение этих связей также сходны, хотя бы
в чисто статистическом выражении. На фиг. 6 сопоставлены инфра-
красные спектры двух из упомянутых выше препаратов меланина
со спектром полимера, полученного при облучении водного рас-
твора фенилаланина ультрафиолетом в бескислородной среде.
Этот полимер в отличие от двух темноокрашенных меланинов
имеет светло-коричневый цвет и величину ЭПР, близкую к ЭПР
темноокрашенных меланинов. Известно, однако, что меланины
Могут быть обратимо восстановлены, и это будет сопровождаться
изменением цвета от черного до коричневого. Мы установили мето-
дом ЭПР, что цвет и парамагнитные свойства природного и синте-
тического меланинов совершенно не зависят друг от друга и могут
изменяться самостоятельно [31.
По-видимому, полимер фенилаланина, полученный при дей-
ствии облучения, подобно меланинам относится к классу случайно
построенных беспорядочных полимеров. В основе этого заключения
лежит сходство свойств меланинов и полифенилаланина.
ОБРАЗОВАНИЕ ПОЛИМЕРОВ ПУТЕМ ОБЛУЧЕНИЯ
УЛЬТРАФИОЛЕТОМ 1 * *
Данные, полученные в опытах с фотолизом ароматических
аминокислот, показали, что фотоокисление играет ведущую роль
по сравнению с другими вторичными реакциями. Это явствует,
в частности, из фиг. 7, на которой приведены изменения в погло-
щении, наблюдающиеся в водном растворе фенилаланина (5-10~4Л1)
при облучении светом с длиной волны 2532 А. В том случае, когда
насыщенный кислородом раствор подвергали облучению на воз-
духе, было обнаружено, что сначала поглощение возрастает, а затем
интенсивность поглощения начинает падать; наблюдалось, в част-
ности, быстрое уменьшение поглощения в коротковолновой области
1 В недавних опытах по фотообразованию полифенилаланина Кенион
применил в качестве заполняющего газа N2, специально очищенный от
кислорода. Оказалось, что для полимеризации необходимы чрезвычайно
малые количества кислорода. В более ранних опытах с целью ускорения
полимеризации использовали N2, содержащий в виде примеси заметное коли-
чество кислорода; в то же время при использовании высокоочищенного N2
полимер не образовывался [6].
36
М. С. Блуа
спектра. Когда же проводили облучение раствора, насыщенного
азотом, в атмосфере азота, сначала наблюдали аналогичные изме-
нения в поглощении света, но затем, по-видимому, устанавлива-
лось равновесие и видимых изменений в интенсивности поглощения
не происходило. В этом случае по окончании реакции наблюда-
лось выпадение нерастворимого осадка, тогда как при облучении
в атмосфере кислорода осадок хотя и образовывался, но затем
в процессе дальнейшего облучения исчезал. Объяснить эти резуль-
таты можно следующим образом: как в присутствии, так и в отсут-
ствие кислорода первичные фотохимические реакции в общем
2000 2200 2000 2600 2800 3000 2000 2200 2000 26Q0 2800 3000
Длина волны, А
Фиг. 7. Изменения в спектрах поглощения фенилаланина, облучавшегося
ультрафиолетом в атмосфере азота (Л) и кислорода (5) в течение различных
промежутков времени.
/ __ контроль; 2 — 1 час; 3 — 4 час; 4 — 9 час; 5 — I6V2 час (Д) и 16 час (Б); 6—32 час.
имеют однотипный характер, причем в обоих случаях происходит
фотополимеризация. Полимер стабилен по отношению к ультра-
фиолетовому свету только в отсутствие кислорода. Это было под-
тверждено в ряде специальных опытов. Результаты аналогичного
эксперимента с водным раствором тирозина (6-Ю"8 М) представ-
лены на фиг. 8, и хотя обратимые изменения в поглощении света
имеют место в системах обоих типов, анаэробная система все-таки
оказывается более устойчивой к фотолизу. Как в случае фенил-
аланина, так и в случае тирозина наличие поглощения при
2200 А может свидетельствовать лишь о присутствии ароматиче-
ских соединений, но отнюдь не об образовании полимеров.
Для изучения этого явления мы использовали С14-фенилаланин
и С14-тирозин. Эти соединения были приготовлены в водном рас-
творе; для облучения использовали свет с длиной волны 2537 А,
причем в процессе облучения через раствор пропускали О2 или N2.
В предварительных опытах была установлена оптимальная доза
облучения, при которой имеет место максимальное поглощение
Беспорядочные полимеры — матрица для химической эволюции 37
света раствором. После облучения растворы переносили в мешочки
для диализа и затем определяли изменение удельной активности
содержимого мешочков во времени. Кривые, приведенные на
фиг. 9 и 10, показывают скорость исчезновения метки через диа-
лизационную мембрану. Поскольку диализ производили против
проточной воды, небольшие диффундирующие молекулы прони-
кали через мембрану с экспоненциальной скоростью; поэтому на
Фиг. 8. Изменения в поглощении тирозина, облучавшегося ультрафиолетом
в атмосфере азота (Л) и кислорода (5).
/ — контроль; 2 — У2 час; 3 — I час; 4 — 2 час; 5 — З1/* час; 6 — 5*/г час.
графике получаются прямые линии. Скорость диализа обоих сое-
динений в атмосфере кислорода выше, чем в атмосфере азота, однако,
как указывалось ранее, применявшаяся при облучении доза была
недостаточной для того, чтобы фотоокисление образовавшегося
полимера прошло до конца. Количественное изучение равновесия
между этими веществами заставляет предположить, что при диа-
лизе какой-то полимерный остаток не диффундирует. Добавление
соли не оказывает никакого влияния на концентрацию этого неспо-
собного к диффузии компонента, что, по-видимому, исключает
вероятность задержки радиоактивности электростатически заря-
женными низкомолекулярными соединениями. Результаты иссле-
дований Кениона [5], продемонстрировавшего образование фото-
продуктов при облучении ультрафиолетом водного раствора фенил-
аланина в присутствии и в отсутствие кислорода, находятся
в соответствии с приведенными выше данными. Периодический
отбор проб облучаемого раствора и последующее хроматографи-
рование этих проб показали, что в основном радиоактивность
Продолжительность диализа, час
Фиг. 9. Скорость диализа фотопродуктов фенилаланина (5- 10"4Л4), полу-
ченных прн облучении ультрафиолетом (2537 А) в атмосфере N2 (7) и О2 (2).
3 — контроль. Радиоактивность приводится в расчете на 1 мл раствора.
Фиг. 10. Скорость диализа фотопродуктов тирозина (1,8-10'3Л1), получен-
ных при облучении ультрафиолетом (2537 А) в атмосфере азота (/) и кисло-
рода (2).
3 — контроль. Радиоактивность приводится в расчете на 1 мл раствора.
Беспорядочные полимеры — матрица для химической эволюции 39
сосредоточена в двух фракциях, одна из которых имеет Rf = О
и соответствует полимеру, а другая соответствует исходному,
неполимеризованному фенилаланину. Результаты этих опытов
Фиг. 11. Кинетика изменения общей радиоактивности (/), а также радио-
активности исходного фенилаланина (2) и его фотополимера, Rf = 0 (3),
в зависимости от продолжительности облучения ультрафиолетом С14-фенил-
аланииа. Облучение проводили в атмосфере азота (Л) и кислорода (Б).
Время, мин
представлены на фиг. 11. Следует указать, что в присутствии О2
образование полимера происходит быстрее, однако при длительном
облучении он вскоре исчезает в результате фотоокисления.
БЕСПОРЯДОЧНЫЕ ПОЛИМЕРЫ НА ПРИМИТИВНОЙ ЗЕМЛЕ
Для того чтобы уложить полученные факты в какую-либо единую
схему химической эволюции, следует прежде всего допустить
существование ароматических соединений абиогенного происхо-
ждения. На данной конференции будут рассмотрены различные
механизмы синтеза подобных соединений. Нам достаточно просто
предположить, что они существовали на примитивной Земле. При
наличии восстановительной атмосферы под действием коротко-
волновой ультрафиолетовой радиации Солнца эти ароматические
соединения должны были взаимодействовать с образованием слу-
чайных полимеров — соединений, обладающих наиболее стабиль-
ной конфигурацией. Эти случайные полимеры имели, по-видимому,
свойства, характерные для современного меланина. Поскольку
они были инертными в химическом отношении и отличались ста-
40
М. С. Блуа
бильностью в условиях, вызывающих фотолиз, их можно рассмат-
ривать как термодинамический тупик, в который зашли многие
пути химической эволюции.
Этот субстрат в качестве матрицы для дальнейшей химической
эволюции обладал, по-видимому, рядом преимуществ по срав-
нению с простой адсорбцией веществ на минералах. В отличие
от правильной структуры кристаллической решетки минералов
поверхность и внутренняя, пронизанная порами структура поли-
мерных частиц, по-видимому, характеризуются бесконечным разно-
образием пространственных конфигураций. Если представлять
себе некую комбинацию стереоспецифичных участков и соответ-
ствующих функциональных групп (даже просто содержащих ионы
металлов) в качестве прототипа механизма ферментативных реак-
ций, то меланин окажется несравненно более подходящим объек-
том для размышлений, нежели поверхность минерала.
Исследование меланина методом ЭПР показало, что он обла-
дает рядом свойств, важных с точки зрения молекулярной эво-
люции [3]. Известно, что неспаренные электроны распределены
во всем объеме частиц меланина, где они защищены от действия
многих химических реагентов. Так, аскорбиновая кислота, а также,
по-видимому, молекулярный кислород не способны проникать
в зону неспаренных электронов. Ион меди, напротив, может про-
никнуть непосредственно в эту зону и устранить парамагнетизм,
хотя существуют и другие активные участки, с которыми ионы
меди могут реагировать в первую очередь. Вода способна диффун-
дировать вплотную к неспаренным электронам, сильно изменяя
их периоды релаксации. Таким образом, меланин обладает свой-
ствами, присущими молекулярным ситам и ионообменным смолам.
На нашем современном уровне понимания химической эволю-
ции всегда рискованно считать, что одна биохимическая молекула
более «примитивна», чем другая. И все-таки не исключено, что на
вопрос: «Какой полимер возник раньше — белок или ДНК?»—
мы получим ответ: «Меланин».
ЛИТЕРАТУРА
1. A k а b о г i S., The Origin of Life on the Earth, Moscow Symposium,
I.U.B. Pergamon Press, London and New York, 1959.
2. В e r n a 1 J. D., The Physical Basis of Life, Routledge and Kegan Paul.
Ltd., London, 1951.
3. Blois M. S., Z a h 1 a n A. B., Mating J. E., готовится к печати.
1963.
4. Cope F. W., Sever R. J., Polis B.D., Arch. Biochem. Biophys.,
100, 171, 1963.
5. Kenyon D. H., неопубликованные данные. 1963.
6. Kenyon D. H., Blois M. S., Protochem. Photobiol, в печати, 1964.
Беспорядочные полимеры — матрица для химической эволюции
41
7. Холодный Н., Изв. Арм. филиала АН СССР, 9, 10, 89 (1942).
8. Mason Н. S., J. Biol. Chem., 172, 83 (1948).
9. N а к a m u г а Т., Biochem. Biophys. Res. Commun. 2, 111 (1960).
10. N i с о 1 a u s R. A., Rass. di Med. Speriment. Anno IX, Suppl., 1, 1962.
11. R a p e r H. S., Physiol. Rev., 8, 245 (1928).
12. В и л ь я м с В. Р., Избранные сочинения, т. 1, 1956.
13. Vivo -Acrivos J. L., Blois M. S., Informal Discussion on Free
Radical Stabilization (abstracts). Faraday Society, Sheffield, England, 1958.
14. Wertz J. E., R e i t z D. C., D r a v n i e к s F., Free Radicals in
Biological Systems (M. S. Blois, et al. eds.), p. 183. Academic Press, New
York, 1961.
ОБСУЖДЕНИЕ ДОКЛАДА
П p о ф. П и p и. Благодарю вас, д-р Блуа. Ваш доклад должен
был доставить большое удовольствие неискушенным химикам
вроде меня, поскольку нас всегда беспокоили отходы, возни-
кающие в тех случаях, когда мы пытаемся получить что-нибудь
согласно указаниям учебников. До того момента, как я прослушал
ваш доклад, я и не подозревал, что, изучая основные явления
природы, мы выливаем в раковину как раз то, что составляет
неотъемлемую часть изучаемой системы.
И еще одно, уже более серьезное, замечание, для того чтобы
начать обсуждение. В верхней части первой структурной формулы
стоит цистеин. Вы считаете, что он является составной частью этой
молекулы?
Блуа. Этот рисунок был взят из работы Николауса и изобра-
жает природный меланин, сепия-меланин. Большая часть наших
работ была проведена с дифенолами, и в этих случаях цистеин,
естественно, отсутствовал.
Оро. Вы сказали, что у вас не было никаких данных относи-
тельно гидролиза.
Блуа. Вопрос состоит в том, может ли фотополимер фенил-
аланина гидролизоваться до фенилаланина. Этот полимер так же
устойчив, как и меланин. Нам не удалось обнаружить в растворе
исходный материал или добиться разрушения полимера. Вместе
с тем у нас не было доказательств наличия пептидных связей в поли-
мере.
Я принял допущение о предсуществовании ароматических моле-
кул, надеясь, что кто-нибудь найдет тому доказательства. Однако,
согласно данным радиохимии ненасыщенных углеводородов, мало-
вероятно, что такой механизм может быть обнаружен.
Ч а р г а ф ф. Вы сказали, что вами получен беспорядочный
полимер. Считаете ли вы, что вы вправе для своих целей исполь-
зовать только один меланин? Каким способом вы следили за гомо-
генностью вашего препарата? Не могла ли это быть смесь упоря-
доченных полимеров различного типа?
42
Л4. С. Блуа
Блуа. Это интересный вопрос. Каким образом отличить смесь
упорядоченных полимеров от беспорядочного полимера?
Чаргафф. Да, как вам удастся отличить смесь различных
упорядоченных полимеров от беспорядочного полимера? Этот воп-
рос часто возникает при исследовании так называемых макро-
молекул.
Блуа. Наши данные ничего не говорят относительно после-
довательности. Магнитные свойства позволяют предположить, что
вещество не является высокополимерным. Не имея четких дока-
зательств, можно лишь предположить, что структура случайна.
По-видимому, мономеры, содержащие неспаренные электроны,
должны предоставлять неэквивалентные молекулярные участки,
однако это еще ничего не говорит о структурной идентичности.
Наилучшим доказательством того, что меланин не является смесью
различных упорядоченных полимеров, служит отсутствие периодич-
ности, что было установлено методом дифракции рентгеновских лучей.
Шутка. В том случае, когда вы демонстрировали инфракрас-
ные спектры меланина и синтезированного соединения, вы их как-то
нормализовали? Если вы их не нормализовали, то, поскольку
уровень их пиков одинаков, это могло бы послужить одним из кри-
териев идентичности этих соединений.
Б л у а. Я не придавал этому большого значения. Нормализации
не проводили. Количество взятого образца могло отличаться от раз-
меров других образцов.
Шутка. Это не повлияло на высоту уровней?
Блуа. Нет.
Шутка. Итак, уровни не нормализовались?
Блуа. Совершенно верно.
Чаргафф. У меня вот какой вопрос. В то время как у пер-
вых двух кривых имеется пик, он отсутствует у последующих
кривых. Я заметил это различие с самого начала.
Шутка. Мне кажется, что в этом случае можно немного
порассуждать. Если у вас более крупный полимер и если некото-
рые его группы, дающие, например, пик при 3,5 мк, тесно связаны,
то эти группы не проявятся или проявятся на более узком участке.
Того же следует ожидать и в случае окисленных продуктов. Однако
я должен согласиться с д-ром Блуа в том отношении, что общий
характер спектра почти аналогичен спектру меланина пирокате-
хинового типа.
Блуа. Все они кажутся очень сходными. Сверху вы видите
спектр сепия-меланина, ниже — спектр автоокисленного пиро-
катехина. Поскольку пирокатехин не содержит азота, его полимер
должен отличаться по своему элементарному составу.
Чаргафф. Я могу заключить, что вы не слишком много
можете сказать о ваших инфракрасных спектрах.
Беспорядочные полимеры — матрица для химической эволюции 43
Блуа. Все, что я отметил, говорит в пользу их статистиче-
ского совпадения.
Г россенбахер. Для того чтобы снять эти спектры, вам
потребовалось анализируемые вещества в чем-то растворить. Вы
полагаете, что при растворении вы не разрушили молекулы. На чем
основано это предположение?
Блуа. Для проведения анализа использовали таблетки мела-
нина в КВг. Никакого растворения не производилось. Я могу
описать наши соображения и опыты, которые возникли как ответ
на вопрос, поставленный ранее перед нами д-ром Чаргаффом.
Если меланин действительно является беспорядочным полиме-
ром, как я предположил, то тогда прежде всего возникает вопрос
относительно его антигенных свойств. Поскольку все молекулы
меланина совершенно различны, неизвестно, каким образом будет
происходить «узнавание» этих молекул, ведь их строение ни разу
не повторяется дважды? Я и д-р Розенберг (факультет медицин-
ской микробиологии) провели предварительные опыты. Мы попы-
тались обычными методами иммунизировать кроликов синтетиче-
ским меланином в течение 6 недель. Затем, применив разнообраз-
ные приемы, например образование преципитина и агглютинина,
диффузию в агар, пассивный перенос на кожу кролика и изучение
скорости исчезновения меченого антигена из крови кролика, мы не
смогли установить наличие антигенных свойств.
Я предположил, что этот факт поможет обнаружить разницу
между беспорядочными молекулами и смесью высокоупорядочен-
ных молекул.
Ч а р г а ф ф. Не знаю, я не настолько сведущ в иммунологии,
чтобы судить об этом. По-видимому, существует много веществ,
также не обладающих антигенными свойствами. Не уверен, что
это свойство может служить веским аргументом.
Оро. Отрицательные результаты мало что объясняют. Даже
если бы вы получили положительный ответ, то в вашем случае
это все равно не было бы доказательством, поскольку с гаптеном
соединяются лишь небольшие участки молекул.
Блуа. Гаптены — это микромолекулы.
Оро. Тем более, ведь в природе микромолекула не комбини-
руется со всей макромолекулой. Она связывается только с ее частью.
Точно так же молекула антигена соединяется с антителом посред-
ством определенных взаимодействующих участков, обычно пред-
ставляющих собой лишь небольшую часть молекулы.
Основное положение вашего доклада относительно способности
первичных беспорядочно построенных органических полимеров
играть роль протоферментов представляется мне рациональным.
Действительно, углистые хондриты содержат полимерное веще-
ство черного цвета, составляющее большую часть органического
44
М. С. Блуа
материала, присутствующего в этих метеоритах. Структура этого
полимера нам мало известна. Возможно, это высококонденсирован-
ная ароматическая система, напоминающая по своей структуре
графит, но имеющая беспорядочное строение. В некотором смысле
это вещество, по-видимому, сходно с описанным вами полимером.
Остается выяснить, обладает ли этот полимер каталитической
активностью.
Поннамперума. Мне бы хотелось задать вопрос, выхо-
дящий за рамки общей дискуссии по меланину. Образовывались ли
у вас при облучении тирозина какие-либо другие аминокислоты
или полипептиды?
Блуа. Да, я хотел об этом сказать. Мы не хроматографировали
продукты облучения тирозина, однако при облучении фенилала-
нина мы идентифицировали тирозин в качестве промежуточного
продукта.
Поннамперума. Были ли выявлены пептиды в ваших
опытах?.
Блуа. Нам ни разу не удалось обнаружить образование
пептидных связей.
Г а ф ф р о н. Я бы снова хотел обратиться к опытам по диа-
лизу. Один из опытов может стать ключевым для дальнейших иссле-
дований. Как развивалась окраска в том случае, когда вы про-
водили облучение в атмосфере азота, а затем быстро диализовали
облученный продукт? Насколько быстро вам удалось обнаружить
обесцвечивание продукта? Не наблюдали ли вы какие-либо изме-
нения в окраске задолго до прекращения облучения?
Блуа. В опыте по диализу мы облучали водный раствор
вещества в течение определенного времени, а затем помещали
этот раствор в мешочек для диализа. Последующего облучения
не проводилось.
Г а ф ф р о н. Да, но в этих условиях не проявлялась ли какая-
нибудь окраска?
Блуа. Раствор при облучении приобретал светло-желтую
окраску. Как я уже говорил, он начинал слабо опалесцировать,
но обычно осадка при этом не образовывалось.
Г а ф ф р о н. Конечно, применяя свет с длиной волны 2537 А,
вы тем самым применили сильный источник энергии. Я никогда
не производил опытов в анаэробных условиях. Используя флуо-
ресцеин в качестве сенсибилизатора, можно легко окислять тиро-
зин в водном растворе и при видимом свете.
Б л у а. И поглощение сдвигается при этом в видимую область.
Г а ф ф р о и. Сенсибилизирующее действие красителя в види-
мом свете, по-видимому, отличается большей избирательностью.
Было бы интересно выяснить, возникают ли полимеры в подобного
типа опытах, проводимых при видимом свете.
Беспорядочные полимеры — матрица для химической эволюции 45
Фокс. Я хотел бы сделать добавление к тем замечаниям,
которые были здесь высказаны.
Во-первых, я сомневаюсь, что иммунологический подход помо-
жет разрешить эту проблему. Он не только привносит те слож-
ности, о которых уже упоминалось...
Блуа. Эти эксперименты имели самостоятельный интерес.
Фокс. Даже если это так, то и в этом случае следует помнить,
что иммунологическая специфичность очень часто не является
абсолютной. Ведь еще Ландштейнер и другие исследователи уста-
новили, что изменения в молекулах антигенов, даже небольшие
структурные отклонения, приводят в большинстве случаев к незна-
чительным количественным изменениям в иммунологических реак-
циях и в реакции преципитации. Поэтому я не уверен, что с помо-
щью этого метода можно установить гомогенность исследуемого
материала.
Блуа. Мы не ставили перед собой такую задачу. Предполага-
лось, что это вещество не должно быть антигенным, и у нас воз-
никла мысль, нельзя ли этот продукт использовать в качестве
соединения, добавляемого к плазме.
Он очень сходен с физиологическим материалом, и я полагаю,
что если бы он не обладал антигенными свойствами, его можно
было бы использовать для добавления к плазме. В этом случае
отрицательный результат представляет ценность.
Фокс. Следует также со всех сторон рассмотреть возмож-
ность образования дикетопиперазина, циклопептида фенилаланина,
который представляет собой нерастворимое соединение, очень
медленно диффундирующее через диализационный мешочек. Если
вы уверены в том, что у вас отсутствует нерастворимое соединение,
то тогда вопрос отпадает; однако нам кажется существенным,
особенно в случае термической полимеризации как одного фенил-
аланина, так и фенилаланина с аспарагиновой кислотой, пере-
водить исследуемые продукты в форму растворимых натриевых
солей, а затем проводить диализ, причем перед диализом раствор
следует фильтровать, для того чтобы убедиться, что дикетопипера-
зин фенилаланина отсутствует.
Мы не работали с аналогом тирозина, но я думаю, что он обла-
дает сходными свойствами.
Кроме того, мне хотелось бы задать еще один вопрос. Вы упо-
минали о стереоспецифичных участках молекулы меланина. Для
меня осталось неясным, считаете ли вы, что стереоспецифичность
связана с характером свертывания или с конформацией всей моле-
кулы или же что она определяется особенностями конфигурации
мономеров?
Хотелось бы знать, намерены ли вы заняться выяснением этого
вопроса.
46 М. С. Блуа
Блуа. Да. Нам кажется, что при попытках выявить простей-
шие каталитические или проферментные механизмы, в которых
необходимо установить тот или иной специфичный участок,
а может быть, определить расположение активного атома, меланин
будет значительно более подходящим объектом, чем кристалл
кварца, любой другой кристалл или же минерал.
Валлентайн. Какие концентрации аминокислот вы исполь-
зовали в опытах с поглощением излучения? Всегда ли концен-
трация была критической?
Блуа. Она была порядка 10~3 или 10 4 М.
Валлентайн. А что произойдет, если вы увеличите кон-
центрацию в 10 или 100 раз? Интересно, влияет ли концентрация
на характер реакции.
Блуа. Мы не изучали действие различных концентраций.
НЕСОСТОЯТЕЛЬНОСТЬ ВЕРОЯТНОСТНОГО ПОДХОДА
П. МОРА
National Institutes о[ Health, Bethesda, Maryland
Понятие вероятности представляется весьма полезным при рас-
смотрении эволюции жизни. Мы считаем, что различные формы
жизни появляются в результате отбора случайно возникающих
мутантов. Понятие вероятности используется в настоящей статье,
например, для того, чтобы объяснить возникновение какого-либо
мутанта в результате изменения структуры отдельного нуклеотида
ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) при случайном воздей-
ствии на него излучения или такого химического мутагена, как
азотистая кислота (ср. [4]). Понятие вероятности оказывается
очень полезным также при изучении in vitro на молекулярном
уровне тех или иных биохимических процессов, например кине-
тики какого-либо ферментативного процесса. Вероятностные законо-
мерности выполняются в кинетике химических реакций, а при-
менение статистики приносит большую пользу в химии полиме-
ров [3]. В настоящем сообщении я хочу обсудить практику привле-
чения теории вероятностей для объяснения возникновения жизни.
По моему мнению, выбор для этой цели вероятностного метода
оказывается неудачным, а само понятие вероятности — неподходя-
щим. Как и следовало ожидать, я, конечно, не смогу предложить
вместо него никакого другого понятия — разве лишь нечто весьма
неопределенное и расплывчатое.
Я начну с рассмотрения противоречий и несоответствий, воз-
никающих при использовании понятия вероятности в гипотезах
о происхождении жизни. Затем я перейду к рассмотрению того,
что я называю семантической путаницей при использовании поня-
тия селективность, которое имеет по крайней мере три различных
операциональных значения. Потом я собираюсь обсудить некоторые
ограничения современного научного подхода, позволяющие объяс-
нить наше пристрастие к понятию вероятности. Наконец, я попы-
таюсь обратить внимание на необходимость телеологического под-
хода, который, по моему мнению, следует использовать в биологии
И который может привести нас к новым идеям или по крайней
мере к пересмотру в новом свете интересующих нас проблем, свя-
48
П. Мора
занных с происхождением жизни. Однако я должен признать,
что мне не удастся выдвинуть каких-либо вполне определенных
и плодотворных положений, в чем вы и убедитесь в дальнейшем.
1. ПРОТИВОРЕЧИЯ и НЕСООТВЕТСТВИЯ
А. УПОРЯДОЧЕННОСТЬ И МАКРОМОЛЕКУЛЯРНАЯ СТРУКТУРА
В любой химической реакции, например при полимеризации
мономеров, мы получаем продукты реакции, скажем полимеры,
свойства которых предопределены реакционной способностью функ-
циональных групп исходного соединения и условиями реакции
(энергия активации, наличие или отсутствие катализаторов и т. д.).
Особенность реакции полимеризации заключается в следующем:
в полученном продукте взаимное расположение мономеров и связей
между ними подчиняется законам теории вероятностей в пределах,
определяемых условиями протекания реакции. Образовавшийся
в реакции продукт может иметь неупорядоченную или упорядочен-
ную структуру, но степень упорядоченности не может быть выше
той, которую следовало бы ожидать, исходя из заданных пара-
метров, определяющих ход реакции.
Так, например, мы показали [14, 15], что продукт поликонден-
сации глюкозы, протекающей при повышенной температуре, пред-
ставляет собой полимер глюкозы с сильно разветвленной цепью.
Степень ветвления и частота межмолекулярных связей через опре-
деленную гидроксильную группу задаются относительными реак-
ционными способностями гидроксила в условиях данного экспе-
римента. При более высоких температурах различные гидроксилы,
не участвующие в образовании глюкозидной связи, меньше отли-
чаются друг от друга по своей реакционной способности. Следо-
вательно, существует большая вероятность участия одного моно-
мера в образовании более чем одной связи, а это должно привести
к большей степени ветвления. Аналогичным образом структура
полимеров других сахаров (в том числе рибозы, дезоксиглюкозы
и т. д.) обладает ожидаемой неупорядоченностью как в отношении
частоты различных типов связей и их распределения, так и в отно-
шении ожидаемой степени ветвления, зависящей от вида функцио-
нальных групп данного мономера и от выбранных условий реак-
ции [И, 16]. Молекулы синтетических полисахаридов имели сфе-
рическую форму вследствие вообще высокой степени ветвления.
Сравним структуру соединений такого типа со структурой
полисахаридов биологического происхождения.. Для функциониро-
вания последних важны характер связей и последовательность
мономеров в молекуле. Например, среди полисахаридов клеточных
мембран преобладают линейные молекулы. Все вообще полисаха-
Несостоятельность вероятностного подхода
49
риды биологического происхождения характеризуются высокоспеци-
фичным расположением связей и последовательностью мономеров;
эта упорядоченность лежит в основе их функций (ср. последователь-
ность мономеров в антигенных детерминантах олигосахаридов).
Мы знаем, что такая специфическая структура полисахаридов
возникает под действием ферментов; это действие в свою оче-
редь определяется генетической информацией, сложившейся в про-
цессе эволюции данного вида и передаваемой нуклеиновыми кис-
лотами в процессе воспроизведения.
Проводя сополимеризацию смесей 2',3'-фосфатов различных
нуклеозидов под действием дифенилхлорфосфата, Майкелсон [9]
обнаружил соответствующие сополимеры, характеризующиеся слу-
чайным распределением нуклеотидов. Лишь осторожная сополи-
меризация олигонуклеотидов с защищенными связями, при кото-
рой не разрываются предсуществующие фосфодиэфирные связи,
приводит к возникновению повторяющейся последовательности
оснований [9]. Так, например, после циклизации концевого фос-
фата из динуклеотида аденилил-3',5'-уридин-3'-фосфата получаются
олигонуклеотиды с определенным расположением чередующихся
остатков адениловой и уридиловой кислот [9]. При действии дици-
клогексилкарбодиимида удалось получить ряд олигонуклеотидов
с определенной последовательностью оснований [6]. Для этого
пришлось тщательно подбирать как олигонуклеотиды, так и усло-
вия реакции. Такая химическая реакция аналогична ступенчатой
или контролируемой полимеризации производных аминокислот,
впервые осуществленной в лаборатории Фишера; в настоящее
время ею активно занимаются в институте Вейцмана и в ряде дру-
гих лабораторий.
Я считаю, что при всех таких реакциях, будь то беспорядочная
полимеризация, наступающая в результате поликонденсации саха-
ров (с участием фосфора или фосфорной кислоты, служивших ката-
лизаторами в отсутствие воды [3], или с участием раствора пяти-
окиси фосфора в эфире [24]), или же химически направленная,
селективная полимеризация, в результате которой возникает упо-
рядоченная последовательность, продукт содержит только ту
«информацию», которая была вложена в него физико-химическими
параметрами [11].
В подобных химических экспериментах мы вызываем только
беспорядочную или регулируемую перегруппировку межатомных
связей, характер которой определяется реакционной способностью
атомов или функциональных групп; на последнюю в свою очередь
влияет уровень энергии активации и наличие или отсутствие
соответствующего катализатора. Продукты реакции представляют
собой или неупорядоченные смеси, или закономерно повторяющиеся
структуры; частоту появления и тип (структуру) их компонентов
50 П. Мора
(в том числе последовательность мономеров) можно предсказать
исходя из теории вероятностей и из данных химического характера.
Подобные эксперименты — это всего лишь упражнения по орга-
нической химии, не более. Они могут оказаться полезными при
решении вопроса о том, как необходимые для жизни вещества
в виде различных молекул и полимеров накапливаются в орга-
низме. Однако я считаю неубедительным мотивировать необхо-
димость проведения таких экспериментов тем, что они имеют отно-
шение к возникновению жизненных процессов вследствие нали-
чия целого ряда сходных явлений.
Для современных живых систем характерна чрезвычайно слож-
ная упорядоченность (обусловленная специфической информацией,
заключенной в специфической структуре макромолекул), простран-
ственно-временная координация (пока еще очень плохо изученная)
и регуляционные процессы. Но способны ли процессы полимери-
зации, упорядочиваемые или регулируемые чем-то (например,
поверхностным катализом), привести в конечном счете к появле-
нию подобных систем?
Можно, конечно, предположить, что линейный порядок воз-
никает в природных условиях на макромолекулярном уровне,
например в результате процессов, до некоторой степени аналогич-
ных стереоспецифической сополимеризации [17]. Однако следует
учитывать, что упорядоченность в блок-сополимерах с их регулярно
повторяющимися короткими последовательностями или структу-
рами больше походит на упорядоченность расположения атомов
в кристаллах, чем на сложный «порядок», служащий информацией
для самовоспроизводящихся систем. Далее, линейная полимери-
зация отлична от существующего в природе пути воспроизве-
дения живых организмов (на молекулярном уровне). Для меха-
низма биологического воспроизведения характерно матричное,
параллельное копирование информации.
Работа Тьюринга сделала возможной разработку простых
механических моделей вычислительных машин последовательного
действия и эквивалентных математических моделей двоичных
регистров сдвига с обратной связью, генерирующих определен-
ную последовательность символов, повторяющуюся с данным
периодом. Такие модели предлагали использовать [20] для одного
из возможных объяснений возникновения в природе макромолекул
с высокой степенью упорядоченности. Однако как механические
модели, так и вычислительные машины должны работать согласно
некоторой системе команд, и для создания упорядоченной после-
довательности в них следует ввести некоторое количество инфор-
мации. Получившийся порядок — это не что иное, как порядок,
который может обусловливаться информацией, внутренне прису-
щей системе, например молекулярным свойствам мономеров [12].
Несостоятельность вероятностного подхода 51
Вопрос о том, каким образом при помощи какого-то процесса
типа молекулярного отбора могла бы возникнуть непрерывно дейст-
вующая, самовоспроизводящаяся система с внутренней регуляцией,
остается нерешенным [12].
Б. ТЕРМОДИНАМИКА
При рассмотрении распределения вещества или энергии с при-
влечением вероятностных соображений всегда ожидают общего
возрастания энтропии. Конечно, в отдельных случаях могут суще-
ствовать системы с низкой энтропией, если этому состоянию соответ-
ствует наиболее низкая энергия, что определяется атомными и моле-
кулярными параметрами; примером такой системы может служить
кристалл. Кристаллизация приводит к образованию простых,
весьма однородных, повторяющихся и устойчивых структур. Эти
структуры не несут никакой функции и не являются продуктом
какой-либо функции. Упорядоченность живых систем имеет
совершенно иной характер: биологические структуры организуются
под контролем биологических же единиц в условиях, при которых
одни лишь молекулярные силы обычно не могут способствовать
их образованию. Архитектура живых систем не сводится к простому
повторению, она вовсе не проста и далеко не стабильна. Для про-
цессов жизнедеятельности характерна непрерывность, а их слож-
ная структурная упорядоченность обеспечивает возможность функ-
ционирования биологических структур. Биологические системы
«избегают» состояний с наименьшей энергией независимо от того,
характеризуются ли эти состояния упорядоченностью или разупоря-
доченностью. Примером того, как биологические системы «избе-
гают» состояния с малой энергией, при котором лишь атомные
и молекулярные параметры должны были бы обусловить упорядо-
ченность другого типа (кристаллическое состояние), служит сле-
дующий известный факт: для сохранения жизнеспособности пере-
охлажденной клетки необходимо предотвратить кристаллизацию
воды и других содержащихся в ней молекулярных компонентов.
Можно получать кристаллы компонентов гомогената клеток, но
кристаллы компонентов живой клетки получить нельзя.
Термодинамика необратимых процессов в открытых системах
предсказывает, что при переходе системы в стационарное состояние
скорость возрастания энтропии стремится к своей наименьшей
величине [211. Переход к стационарному состоянию можно считать
аналогичным процессу роста [22]. Пригожин '[21 ] показал, что
хотя энтропия такой системы может уменьшаться, в некоторых
случаях она может и возрастать. Энтропия всегда должна была
бы возрастать в изолированных системах, если бы не то обстоя-
тельство, что такие системы не могут находиться в стационарном
52
П. Мора
неравновесном состоянии в течение длительного времени. Итак,
хотя поведение живых организмов не противоречит термодинамике
открытых систем, во всяком случае в отношении изменения энтро-
пии [22], все же нужно еще объяснить, каким образом биологиче-
ские объекты могут подчиняться тем же термодинамическим зако-
нам, что и необратимые процессы, т. е. почему в процессе роста
энтропия всегда уменьшается, а с момента смерти организма она
сразу же начинает увеличиваться.
В. ВНУТРЕННЯЯ РЕГУЛЯЦИЯ
Регуляция клеточных функций на молекулярном уровне, т. е.
деятельность целого ряда молекул, координированная в простран-
стве и во времени, осуществляется информацией, каким-то образом
генерируемой в самой клетке [26]. Сигналы (молекулы) могут
поступать извне, хотя в некоторых случаях очень трудно себе
представить, как это может происходить. Рассмотрим, например,
наиболее ранний этап дифференцировки бластулы. Изучая вопрос
о возникновении жизни, мы предполагаем, что вначале действовал
какой-то вид внешней регуляции, а затем, начиная с какого-то
момента, появился внутренний контроль, теперь извне поступают
лишь сигналы.
Для того чтобы реакция шла в соответствии с законом действия
масс, необходим непрерывный приток энергии и определенных
веществ (молекул) и непрерывное удаление продуктов реакции.
Предполагается, что в предбиологических системах такое управ-
ление потоком материи и энергии осуществляется извне, за счет
случайных, редких совпадений, а самопроизвольно образующиеся
границы раздела, мембраны капелек и т. д. отделяют внутреннюю
фазу от наружной.
Ни предположение о физических ограничениях распределения-
вещества в гелях (например, достижение лимитирующей концен-
трации или ограниченная ди^узия через мембраны) [8], ни пред-
положение об аллостерических конфигурационных изменениях
ферментов, идущих параллельно с изменением их активности [10],
не позволяют решить вопрос о происхождении регулируемого
изнутри клетки процесса. Мне кажется, что хотя мембраны, лими-
тирующие концентрации в гелях, и тому подобные механизмы
играют важную роль в регуляции молекулярных процессов в живых
клетках, ими нельзя объяснить возникновение «молекулярного»
типа регуляции клеточных процессов.
Здесь требуется ввести еще некоторое допущение. Внутри изо-
лированной системы каким-то образом должна была развиться
регуляция. По-видимому, именно это можно считать началом воз-
никновения живой системы. Обычно полагают, что развитие такой
Несостоятельность вероятностного подхода
53
регуляции обеспечивается постепенно возникающими примитивными
процессами типа отбора, протекающими на молекулярном уров-
не [5, 19]. Ниже я собираюсь обсудить семантическую путаницу,
связанную с употреблением понятия «отбор» на молекулярном
и биологическом уровнях. Я попытаюсь показать, что если прин-
цип отбора действует в одном направлении, то отсюда нельзя делать
вывода о его действии в другом направлении.
Г. МИНИМАЛЬНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ
С точки зрения современных представлений молекулярной био-
логии минимальным требованием, необходимым для возникновения
самовоспроизводящейся и способной к мутациям системы, является
существование информационных макромолекул двух типов. Это,
во-первых, полинуклеотиды и, во-вторых, макромолекулы типа
белка. Здесь следует учитывать, что вначале белок тоже, по-види-
мому, обладал способностью к самовоспроизведению: ведь его
молекула не обладает способностью сохраняться бесконечно
долго. В противном случае между макромолекулами этих двух
типов должна была бы существовать некая прямая комплементар-
ность.
Если допустить, что в наиболее примитивных самовоспроизводя-
щихся системах в качестве информационных макромолекул высту-
пали молекулы соединения, подобного РНК (рибонуклеиновая
кислота), то тогда, вероятно, должна была существовать и какая-то
зависящая от РНК нуклеотидполимераза; однако это совсем не
обязательно должно быть именно так. В самом деле, на ранних
стадиях эволюции воспроизведение РНК могло представлять собой
некаталитический, медленно идущий процесс копирования мат-
рицы. Однако где-то должны были существовать либо макромоле-
кулы по крайней мере еще одного типа—некая примитивная пептид-
синтетаза, способная к самовоспроизведению,— либо какой-то
механизм переноса информации, либо и то и другое вместе. Иными
словами, нужно допустить существование особых молекул РНК,
способных переводить информацию, содержащуюся в РНК, на
язык полипептидов (при этом должна образовываться последова-
тельность аминокислот, каким-то образом направляемая последо-
вательностью полинуклеотидов РНК). Такая РНК может либо
создаваться при помощи РНК, либо — если допустить участие
какой-то примитивной полипептидсинтетазы — воспроизводиться
независимо или опять-таки при помощи РНК. В любом случае,
однако, ее упорядочивающая функция должна зависеть от РНК.
Можно представить себе и другой, альтернативный механизм,
в котором первой информационной молекулой служит примитивная
молекула типа молекулы белка.
54 П. Мора
Итак, здесь должны выполняться два чрезвычайно трудных усло-
вия: наличие, во-первых, механизма регуляции, обеспечивающего
координацию рассматриваемых систем в пространстве и во времени,
и, во-вторых, механизма, обеспечивающего процесс воспроизве-
дения [13].
Д. «УЛОВКИ», СВЯЗАННЫЕ С ВВЕДЕНИЕМ БЕСКОНЕЧНОСТЕЙ
Теперь мне хотелось бы обсудить то, что я называю практикой
«уловок». Таким способом мы надеемся избежать заключения о том,
что вероятность возникновения самовоспроизводящейся системы
равна нулю. К такому заключению мы должны прийти, исходя
из принципов классической квантовой механики [27]. Эти уловки
сводятся к тому, что предполагается наличие почти бесконечного
времени и почти бесконечного количества вещества (мономеры),
так что оказывается возможным наступление даже самого неве-
роятного события. Но это значит опираться на вероятностные
и статистические соображения там, где они теряют смысл. Если
приходится предполагать наличие бесконечных промежутков вре-
мени и бесконечно большого количества вещества, то понятие
вероятности становится неприемлемым. Такими рассуждениями
можно доказать все, что угодно, например, что объект любой слож-
ности будет возникать снова и снова точно в одном и том же виде
бесчисленное число раз.
Е. ОДНОМОМЕНТНОСТЬ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЖИЗНИ
И НЕКОТОРЫЕ НЕРАЗРЕШИМЫЕ ВОПРОСЫ
Живым системам на Земле присуще некое единообразие, прояв-
ляющееся в удивительном сходстве протекающих в этих системах
биохимических процессов. Все живые системы используют одни
и те же атомы и мономеры (нуклеотиды, аминокислоты, сахара),
одни и те же источники энергии (АТФ). Отсюда можно сделать
следующий вывод: либо жизнь возникла сразу, одномоментно,
либо, если это произошло в несколько стадий, образовавшиеся
системы приняли весьма сходные формы, что позволило им исполь-
зовать примерно одинаковые ингредиенты примерно одинаковыми
биохимическими путями, лишая тем самым этих веществ своих
менее приспособленных и более примитивных предшественников.
Теперь следует поставить вопросы, столь часто поднимаемые Пири,
например: почему из других поливалентных атомов не возникли
самовоспроизводящиеся мутабильные системы, использующие иные
ингредиенты и иные биохимические пути? Мы можем ответить, что,
быть может, несходные с нашими живые системы существовали,
но в настоящее время они вымерли. Вопрос об их существовании
Несостоятельность вероятностного подхода 55
решить теперь невозможно. Предположение об их спонтанном
исчезновении несовместимо с требованием, которому, по-видимому,
должна удовлетворять существующая система живых организмов
в целом, а именно что общий прирост, обеспечиваемый непрерыв-
ным воспроизведением, должен компенсировать комбинированный
эффект физико-химических разрушающих воздействий и леталь-
ных мутаций.
Можно привести еще один не очень убедительный ответ: усло-
вия на Земле изменились настолько резко, что множество других
форм жизни, которые могли бы начать развиваться, к настоящему
времени исчезли. Такой ответ исключает любые теории, осно-
ванные на закономерностях физики и химии, так как он не по-
зволяет нам производить экстраполяцию к давно прошедшим
временам. Мы не в состоянии ни подтвердить, ни опровергнуть
подобные положения, что сразу же выводит их за рамки науки.
Кое-что мы могли бы узнать из исследований космического
пространства. Конечно, самое существование какой-то другой
системы живого, способной к непрерывному самовоспроизведению,
поставит нас лицом к лицу с загадкой, не менее таинственной,
чем существование земных живых систем, и только усложнит
нашу задачу. Однако я признаю, что обнаружение других вне-
земных систем подкрепит положение о том, что при соответствую-
щих условиях постоянно самовоспроизводящиеся и способные
к мутациям системы должны появляться автоматически, благодаря
какому-то свойству, присущему материи.
Однако и при этом я не уверен, что можно все объяснить одной
случайностью и что для решения вопроса достаточно наших сегод-
няшних ограниченных знаний о свойствах материи. Вполне воз-
можно, что возникновение жизни зависит от какого-то нам сейчас
еще не известного свойства материи. Однако, если такое свойство
и существует, оно отлично от таких неотделимых от материи атри-
бутов, как масса или гравитационные взаимодействия. Последние
присущи материи всегда, тогда как проявления жизни присущи
материи только в течение того периода, пока она является живой.
Вы можете сказать, что это равносильно введению старого понятия
жизненной силы. Учтите, однако, что при рассмотрении свойств
материи мы в течение нескольких последних столетий обращали
особое внимание на физику. С помощью биохимии, основанной
на физике, нам удалось полностью объяснить лишь отдельные,
изолированные процессы, которые в конце концов останавливаются.
Но коль скоро речь идет о рассмотрении всей живой особи в целом,
я не могу примирить законы физики с явлениями жизни [13].
Интересно, что, по мнению Нильса Бора, жизнь — это качественно
иной атрибут материи, не поддающийся обычному физическому
рассмотрению [1].
56
П. Мора
II. семантическая путаница
В биохимии и биологии понятие «селективность» имеет два
совершенно разных операциональных значения. В рамках физиче-
ской химии «селективность» означает «избирательность». Молекулы
вступают в реакцию или не вступают в нее в зависимости от того,
находятся ли они при столкновении в соответствующем энергети-
ческом состоянии, «подходят» ли они друг другу и т. д. Иногда
селективности реакции способствует присутствие каких-либо ката-
лизаторов; к их числу относятся также ферменты, с участием кото-
рых проходят чрезвычайно сложные и эффективные молекулярные
процессы.
При наличии подобной селективности химические процессы
и биохимические реакции in vitro могут идти до конца. Подобная
селективность на молекулярном уровне играет весьма важную
роль в целом ряде биохимических процессов, в том числе в про-
цессах, проходящих с участием биологических макромолекул.
Взаимодействие фермента с субстратом, антигена с антителом,
комплементарность при образовании макромолекулярных струк-
тур любого типа, наконец, комплементарность и селективность
в процессах биосинтеза белка (в рамках наших современных пред-
ставлений об этом процессе) и т. д.— все это примеры селектив-
ности, действующей на молекулярном уровне.
Хорошо известно, что биологические макромолекулы несут
в себе информацию, необходимую для создания структур следую-
щего уровня иерархии, и, следовательно, служат основой для
возникновения определенных функций. Некоторые L-аминокислоты
в ряде растворителей образуют а-спираль; азотистые основания,
входящие в состав нуклеотидов, складываются в «стопки»; ком-
плементарные полинуклеотидные цепи образуют двойную спираль;
субъединицы вирусного белка (например, белка вируса табачной
мозаики) способны объединяться; мономеры в бесклеточных сис-
темах соединяются с образованием биополимеров, причем после-
довательность расположения мономеров определяется матрицей
(см. также работу [7], посвященную синтезу трансформирующей
ДНК в бесклеточной системе). Однако все подобные идущие in vitro
процессы всего лишь переводят систему на одну ступеньку выше.
Необходимая для этого информация содержится в молекулярных
параметрах компонентов, предобразованных in vivo, а также
в условиях протекания данного процесса in vitro (концентрация,
температурами т. д.). Далее, и это наиболее важно, отдельный,
изолированный процесс in vitro приостанавливается и в конце
концов прекращается, а все компоненты системы разрушаются
беспорядочно действующими физико-химическими силами (броу-
новское движение и т. п.). Такие процессы не способны длительно
Несостоятельность вероятностного подхода
57
продолжаться и не ведут к появлению самоподдерживающейся,
самовоспроизводящейся системы, стремящейся по мере своего
развития к все большей и большей сложности, как это характерно
для живой системы. Они составляют лишь часть процессов, иду-
щих in vivo, и создают только метастабильные (временные) порядок
или функцию, исчезающие тем быстрее, чем они сложнее.
Физико-химическим принципом селективности — даже в тех
случаях, когда он действует в процессах in vivo,— нельзя восполь-
зоваться для объяснения некоторых свойств живого организма
как целого; его нельзя также применить для того, чтобы объяснить
возникновение устойчивой самовоспроизводящейся системы из
молекулярных компонентов в предбиологических условиях [13].
В понятие отбора в том смысле, в каком его понимают Горовиц [5]
и Опарин [19], входит нечто большее, чем описанный выше пассив-
ный физико-химический принцип отбора. При этом молчаливо
допускается также способность приобретения или создания чего-то
менее вероятного и более сложного из более вероятного и менее
сложного, а также возможность повышения стабильности струк-
туры с увеличением ее сложности. Наконец, предполагается, что
любая функция возникает в результате отбора молекул; это регу-
лируемый изнутри системы процесс, для которого характерно
удивительное постоянство и тенденция к эволюции в направлении
все большей и большей функциональной сложности.
По-моему, такое объяснение возникновения первой, постоянно
воспроизводящейся единицы в какой-то предбиологической системе
представляет собой недопустимое расширение понятия отбора,
использованного Дарвином в правильном, но несколько другом
операциональном смысле. Вспомним, что дарвиновские понятия
отбора и эволюции были введены им на основании опыта — из
наблюдения всего разнообразия существующих видов, а также
из того факта, что в потомстве живых организмов преобладают
особи с определенными признаками.
Конечно, отбор в дарвиновском понимании служит необходи-
мым атрибутом живого, обеспечивающим его приспособление
к изменяющейся среде. Однако этот атрибут нельзя считать доста-
точным. Мутации могут возникать только при наличии постоянного
воспроизведения. Таким образом, способность к мутациям сле-
дует считать следствием способности к воспроизведению, а не на-
оборот.
Итак, имеется два различных смысла слова «селективность»—
физико-химическое и дарвиновское; каждое из них правильно при
использовании в соответствующем контексте. А нельзя ли пред-
положить, что есть и третий смысл? Именно в этом, по-моему,
кроется причина ничем не оправданного представления о том,
что возникновение первой постоянно воспроизводящейся живой
П. Мора
единицы, обладающей внутренней регуляцией, можно объяснить
молекулярным отбором какого-то определенного типа.
По-моему, введение понятия вероятности, использующего пред-
ставление об отборе некоторого типа, являющемся чем-то средним
между физико-химическим отбором, действующим на молекуляр-
ном уровне, и биологическим отбором в дарвиновском смысле, дей-
ствующим в мире уже существующих живых форм, нельзя считать
полезным и удачным; и уж во всяком случае его нельзя считать
достаточным. При возрастании сложности молекулярных агрега-
тов и межмолекулярных взаимодействий — а ведь даже в самых
простых из известных нам живых систем необходимы чрезвычайно
сложные взаимодействия молекул — вероятность непрерывного
существования таких специфическим образом взаимодействующих
систем, испытывающих разрушающее влияние беспорядочно дей-
ствующих физико-химических сил, должна уменьшаться. Вероят-
ность того, что некая взаимодействующая система будет функ-
ционировать таким образом, чтобы поглощать питательные веще-
ства и регенерироваться, очень невелика. Еще меньше вероятность
того, что подобная система будет воспроизводиться, и уж совсем
мала вероятность ее постоянного воспроизведения, так чтобы
благоприятные изменения позволяли преодолевать вредные, небла-
гоприятные изменения (мутации). Следуя теории вероятностей,
мы должны заключить, что происхождение жизни и ее поддержание
не контролируются законами теории вероятностей. Жизнь и ее
проявления, по которым мы судим о наличии живых организмов,
противоречат тому, чего следовало бы ожидать на основании чисто
статистических и вероятностных соображений. Это относится
в первую очередь к сложной упорядоченности структуры и про-
странственно-временных процессов регуляции, характерной даже
для наиболее простых из известных нам живых организмов.
III. ОГРАНИЧЕНИЯ НАУЧНОГО ПОДХОДА
К ИЗУЧАЕМОЙ ПРОБЛЕМЕ
1. В настоящее время теории вероятностей уделяется очень
много внимания. Разумеется, понятие вероятности вполне пригодно
и весьма плодотворно при решении целого ряда математических
и физических проблем. Большой интерес представляют также
вопросы передачи информации. Одним из достижений применения
обеих теорий служит создание электронных вычислительных
машин. Фон Нейман [18] теоретически доказал возможность созда-
ния аналоговых вычислительных машин, в которых количество
информации, хранящееся в огромном, но все же конечном «гене-
тическом отсеке», достаточно для того, чтобы обеспечить само-
Несостоятельность вероятностного подхода
59
воспроизведение посредством организации материии из внешней
среды.
Однако такой автомат с конечным числом состояний потребует
вначале упорядоченной, довольно длинной линейной последова-
тельности внешних инструкций, аналогичной генетической инфор-
мации, заключенной в линейной последовательности генов. Однако
вопрос о возможном происхождении таких инструкций выходил
за пределы проблемы, поставленной Нейманом, и подобные моде-
ли — независимо от того, носят ли они физический или матема-
тический характер,— не имеют отношения к вопросу о происхо-
ждении жизни.
2. Существуют некоторые гносеологические ограничения, при-
сущие нашему современному физическому мышлению и опреде-
ляемые, по-моему, характером развития науки в течение послед-
них трех-четырех столетий.
Для практических целей мы развиваем упрощенный физический
подход. В этом отношении мы следуем рекомендации Декарта,
который предлагал разделить встречающиеся вопросы на макси-
мально большое число отдельных проблем, изучать сначала наибо-
лее простые, а затем переходить к изучению все более сложных
проблем [2]. Для биологических систем характерна большая слож-
ность. Изучение сложнейших взаимосвязей множества молекул
во времени и пространстве требует разработки соответствующих
научных подходов. В физике мы избегаем какой бы то ни было
телеологии, что исторически вполне понятно. Однако к изучению
живых систем придется привлечь телеологический подход опре-
деленного типа, так как для этих систем может идти речь об огра-
ниченных, вероятно вполне материальных, регулируемых изнутри
целях (я имею в виду, например, самосохранение или воспроизве-
дение).
3. Основной закон науки гласит, что любое утверждение должно
быть доказуемым: в противном случае мы рискуем увязнуть
в трясине болота метафизики. Поэтому в наших рассужде-
ниях о происхождении жизни всегда есть важное ограничение.
Мы никогда не наблюдали возникновения живых организмов
de novo и никому не удалось синтезировать постоянно самовоспро-
изводящиеся организмы, способные к мутациям.
В настоящее время любые догадки по поводу происхождения
жизни являются ненаучными, ибо наука требует, чтобы утвер-
ждение можно было доказать. Единственно законным является
подход, основанный на тщательной экстраполяции существующих
в настоящее время биохимических данных к прошлому.
Разумеется, можно прибегнуть к недоказуемым предположе-
ниям, создавая тем самым иллюзию приближения к решению инте-
ресующей нас проблемы. Конечно, если станут известны все детали
60
П. Мора
биохимических процессов в живых организмах, то, быть может,
все приобретет смысл и мозаика превратится в целостную картину.
Однако подобные рассуждения заставляют нас избегать рассмот-
рения как раз тех проблем сложности и взаимозависимости, кото-
рые столь характерны для всего живого. Еще одно такое пред-
положение состоит в том, что проблема происхождения жизни
имеет существенно вероятностный характер. Впрочем, как я надеюсь,
мне удалось убедить вас, что в данном случае понятие вероятности
нельзя считать ни достаточным, ни подходящим. Более того, я счи-
таю его даже опасным. Введение этого понятия ведет к самоуспо-
коению. Мы тешимся иллюзией, что вопрос может быть решен
на основании существующих данных (весьма естественное стрем-
ление для ученых), и перестаем по-настоящему заниматься им. Какие
же другие подходы можем мы предложить?
IV. НОВЫЕ ПОДХОДЫ
Конечно, мы должны придерживаться принципа доказуемости
любого утверждения. Если мы исходим из того, что живым систе-
мам свойственна сложность и что взаимные связи в них и их слож-
ность являются существенными атрибутами живого, то нужно
подумать о том, как связать с законами молекулярной биологии
регулируемые взаимодействия множества молекул. Мы видим
обнадеживающие зачатки нового подхода в исследованиях по гене-
тике микроорганизмов, в исследованиях механизмов клеточной
регуляции и, быть может, в некоторых новых направлениях кван-
товой механики [25].
Однако я полагаю, что при рассмотрении поведения живого
организма в целом и при планировании экспериментов, позволяю-
щих ответить на возникающие при этом вопросы, мы должны напра-
вить наше мышление в сторону телеологии. Тогда мы сможем пред-
ложить полезные предварительные утверждения, проверяя их затем
путем использования критерия доказуемости.
Для того чтобы иметь возможность ставить вопросы, касаю-
щиеся происхождения жизни, и выдвигать хотя бы обнадеживаю-
щие утверждения, необходимо исследовать простейшие из суще-
ствующих сейчас живых клеток, обращая особое внимание на изу-
чение таких атрибутов клетки, которые вряд ли могут обусловли-
ваться только известными физико-химическими свойствами ее ком-
понентов и которые нельзя обнаружить в изолированном виде,
т. е. вне живой клетки. Разумеется, сюда входят также проблемы
регуляции поведения всей клетки, особенно вопросы, связанные
с сохранением непрерывности и постоянства как на уровне инди-
видуума, так и в ряду поколений.
Несостоятельность вероятностного подхода 61
Конечно, легче найти ответ на вопросы, к которым можно обыч-
ным образом применить то, что нам известно из физики и химии;
именно так обстоит дело при исследовании деталей жизненных
процессов, рассматриваемых изолированно и, разумеется, на моле-
кулярном уровне. Подобный подход сейчас широко принят в био-
химии и молекулярной биологии. Однако в настоящее время ста-
новится возможным — даже при использовании имеющихся науч-
ных методов — найти подходы к некоторым вопросам, касающимся
регуляторных механизмов клетки в целом и инициации репро-
дуктивного цикла. Теперь мы должны пойти дальше и заняться
поддающимися экспериментальной проверке вопросами о некоем
внутреннем «стремлении», обеспечивающем самовоспроизведение
и распространение отдельных живых организмов, а также вопро-
сами, касающимися непрерывности живой системы как целого [13].
Исследования в этих направлениях могут помочь нам глубже
проникнуть в тайну происхождения жизни.
Не будем стеснять себя никакими ограничениями. Не будем
пугаться сомнений в достаточности физических принципов для
биологии, как бы ни было успешно их использование в физике.
Особенно осторожно следует нам обращаться с понятием вероят-
ности в тех случаях, когда для его введения нет никаких основа-
ний. Осмелимся даже спросить, не присуще ли живому организму
нечто специфическое, не поддающееся изучению с помощью суще-
ствующих физических методов, но тем не менее доступное для
научного изучения, требующего возможности доказать или опро-
вергнуть любое положение.
Размышляя таким образом, мы, вероятно, сможем придумать
эксперименты, результаты которых будут способствовать расши-
рению наших знаний. Быть может, нам удастся осветить новые
стороны этой старой проблемы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Bohr N., Naturwissenschaften, 13, 245 (1933).
2. Descartes R., Discourses on Method, 1637.
3. F 1 о г у P. J., Principles of Polymer Chemistry, Cornell Univ. Press,
Ithaca, New York, 1953.
4. Freese E , In «Molecular Genetics» (Taylor J. H., ed.), Part. 1, pp. 207—
269, Academic Press, New York, 1963. («Молекулярная генетика», ч. I,
стр. 226, изд-во «Мир», М., 1964.)
5. Horowitz N. Н„ Proc. Natl. Acad. Sci. U.S. (1945).
6-Khorana H. G., «Some Recent Developments in the Chemistry of
Phosphate Esters of Biological Interest». Wiley, New York (1961); also J.
Am. Chem. Soc., 85, 3821, 3828, 3835, 3841, 3852 , 3857 (1963).
' Litman R. M., S z у b a 1 s k i W., Biochem. Biophys Res Commun
10, 473 (1963).
'“McLaren A. D,, Ba b cock K. L., Enzymologia, 22, 365 (1961).
62
П. Мора
9. Michel son А. М., J. Chem. Soc., 1371, 3635 (1959).
10. М о п о d J., Changeux J. Р., J а с о b F., J. Mol. Biol , 6, 306
(1963).
11. Mora P. T., Nature, 199, 212 (1963).
12. M о г a P. T., Random Polycondensation of Sugars. This volume, p 281
(1964).
13. Mora P. T., Remarks on Patee’s H. H. contribution to this volume,
p. 402 (1964).
14. M о r a P. T., W о о d J. W., J. Am. Chem. Soc., 80, 685 (1958).
15. M о r a P. T., Wood J. W., M a u r v P., Young B. G., J Am.
Chem. Soc., 80, 693 (1958).
16. M о r a P. T., W о о d J. W., McFarland V. W., J. Am. Chem.
Soc., 82, 3418 (1960).
17. N a t t a C., Pino P., С о r r a d i n i P., D a m 1 s s о F., Manti-
c a F., M a z z a n t С., M о г a g 1 i о G., J. Am. Chem. Soc., 77, 1708
(1955).
18. V о n Neumann J., In «The General and Logical Theory of Automata,
in Cerebral Mechanism in Behavior» (Jefress L. H., ed.), Wiley, New York,
1951.
19. О п a p и и А. И., Life, its Nature, Origin and Development. Oliver
and Boyd, Edinburgh and London, 1951.
20. P a t t e e H. H., Biophys. J., 1, 683: Also, contribution to this volume
(1961).
21. Prigogine I., Introduction to Thermodynamics of Irreversible Proces-
ses, Wylie (Interscience), New York, 1962.
22. P г i g о g i n e I., W i a m e J. M., Experientia, 2, 451 (1946).
23. Rich A., In «Horizons in Biochemistry» (Kasha M. and Pullman B.,
eds.), p. 103, Academic Press, N. York, 1962. («Горизонты биохимии» под
ред. М. Каша и Б. Пюльмана, изд-во «Мир», М., 1965.)
24. Schramm G., Gro tsch Н., Р о 1 1 m a n и N., Angew. Chem.,
74, 53; also contribution to this volume (1961).
25. T i s z a G. L., Rev. Mod. Phys., 35, 151 (1963).
26. Weiss P., In «The Molecular Control of Cellular Activity» (Allen J. M..
ed.). McGraw-Hill, New York, 1962.
27. Wigner E. P., In «The Logic of Personal Knowledge», Routledge and
Kegan Paul, London, 1961.
ОБСУЖДЕНИЕ ДОКЛАДА
Бернал. Статья д-ра Мора и порожденная ею дискуссия
выдвигают наиболее важные вопросы теории происхождения жизни
из всех, которые были подняты как на нашей конференции, так —
насколько я знаю — ив других собраниях. По-моему, полезнее
всего в ней то, что она по своему характеру негативна и крити-
кует небрежное использование терминов в дискуссиях, развернув-
шихся по вопросу о происхождении жизни. В своей статье д-р Мора
показал — вероятно, даже без заранее обдуманного намерения,—
что законами экспериментальной науки нельзя пользоваться при
обсуждении происхождения жизни и вообще проблем происхо-
ждения. Единственное, чего можно достигнуть при таком обсу-
ждении,— это выдвигать утверждения, которые д-р Мора относит
Несостоятельность вероятностного подхода
63
к доказуемым, а Пири — к недоказуемым. По-моему, такие утвер-
ждения вовсе не лишены смысла. Для вопросов происхождения
характерна своя особая логика. Этим, насколько я знаю, еще
никогда серьезно не занимались. Прежде всего, вопросы могут
быть неверно поставлены. Например, по мере того как растет
объем наших знаний и мы осознаем пространственную и времен-
ную ограниченность Вселенной, становится все более очевидным,
что вопрос о том, «могла ли жизнь возникнуть в результате слу-
чайных взаимодействий атомов», заслуживает отрицательного отве-
та. Из этого, а также из факта существования жизни на Земле
следует, по-моему, сделать вывод, что к возникновению тех форм
жизни, которые нам сейчас известны, должны были привести
какие-то иные причины, помимо случайных.
Другим возможным препятствием к построению удовлетвори-
тельной теории происхождения жизни служит недостаточное зна-
ние основных фактов. Быть может, нам просто не хватает сведе-
ний по органической химии, космохимии и геохимии, для того
чтобы правильно сформулировать вопрос. Это относится, в част-
ности, к первой проблеме, рассмотренной в моем докладе, а именно
к возникновению низкомолекулярных соединений, из которых
состоял так называемый «первичный бульон». Этот вопрос имеет
в настоящее время совсем иное значение, так как теперь известно,
что достаточно сложные соединения углерода образовались в пре-
делах солнечной системы по крайней мере 4500 миллионов лет
назад.
Третье затруднение состоит в том, что мы, по-видимому, ставим
вопросы, на которые в настоящее время нельзя получить ответа.
Это может объясняться тем, что некоторые существенные элементы
лежат за пределами нашего научного мышления. Как отмечал
Альвен, до открытия радиоактивности представлялось совершенно
невозможным разработать теорию, объясняющую природу излу-
чения Солнца. Законы физики, известные в 1895 г., не могли здесь
ничем помочь. Конечно, недостающий элемент не обязательно
должен быть материальным; он может быть связан с нашим обра-
зом мышления, с несостоятельностью наших логических построе-
ний или с отсутствием соответствующего математического аппа-
рата. Очень часто противоречия в том или ином научном вопросе
бывают связаны с незнанием специфических механизмов. Например,
до тех пор пока не была создана теория дислокаций, механизм
роста кристаллов и их прочность никак не удавалось объяснить
(дислокация — это геометрическая нерегулярность в трехмерной
кристаллической структуре). У меня есть особое мнение насчет
тех выводов, которые мы делаем из неудач, постигающих наши
попытки объяснить проблемы организации. Ведь в крайнем случае
можно предположить, что они порождаются нашим неумением
64
П. Мора
представить себе «геометрию» соответствующего процесса. Та же
мысль вытекает из доклада д-ра Мора, но мы с ним делаем прямо
противоположные выводы. Я согласен с ним, что известных нам
на сегодняшний день физических законов недостаточно для объяс-
нения происхождения жизни. По его мнению, это открывает дорогу
телеологии, или, что то же самое, представлениям о каком-то разум-
ном начале. Обе эти гипотезы были вполне приемлемы до XV или
даже до XIX в. Сейчас же они еще менее правдоподобны, чем любая
гипотеза, в которой сомневается д-р Мора.
Если считать, что он доказал невозможность возникновения
жизни в результате случайности, то остаются только две возмож-
ности. Одна из них заключается в том, что вообще ничего не воз-
никло и что все изучаемое нами — иллюзия, мираж. Это старый
аргумент Парменида; его логика приводит к выводу, что бытие
едино и что любая видимая множественность иллюзорна. Вторая же
сводится к тому, что мы попросту еще не в состоянии разгадать
тайну происхождения жизни. Последнее объяснение кажется мне
a priori более вероятным.
В прошлом развитие научных теорий, в частности в физике,
тормозилось неумением мыслить настолько глубоко, чтобы допус-
тить возможность невероятного или даже абсурдного, например
допустить возможность сосуществования у одного объекта волно-
вых и корпускулярных свойств, как это сделала квантовая меха-
ника. В проблемах, с которыми мы встречаемся, трудность, по-види-
мому, заключается не в этом, а скорее в невероятной сложности
всей ситуации в целом. По-моему, нам вряд ли посчастливится
выбрать правильный путь благодаря блистательной догадке гения,
который выведет формулу для происхождения жизни; скорее всего
придется вести непрерывные исследования по многим направле-
ниям, что позволит устранить все больше и больше неясностей
в общей картине и привести проблему к такому состоянию, что
решение станет как бы очевидным.
Д-р Мора придает особое значение проблеме селективности
и связанной с этим понятием семантической путанице. Я считаю
его критику чрезвычайно ценной, но его отрицательные высказы-
вания не так строго обоснованы, как ему кажется. Так, например,
он говорит, что биологические макромолекулы несут в себе инфор-
мацию, необходимую для создания следующего уровня структур-
ной иерархии и обеспечения его функции. По-моему, такое утвер-
ждение несет в себе зародыш решения проблемы селективности
в теории происхождения жизни. Приняв его, мы должны предпо-
ложить, что все функции живого заложены в предыдущем более
низком уровне. Если это утверждение допускает возможность
перехода с одного уровня на другой, то непонятно, почему этот
процесс останавливается здесь. То же справедливо и для следую-
Несостоятельность вероятностного подхода
65
щего, еще более низкого, уровня и так далее вплоть до атомов.
Нам нужно изучать и попытаться понять именно происхождение
этих имманентных свойств, а также структур, обеспечивающих
их появление.
Как я указывал в моем докладе, мы вводили ранее представле-
ние (вообще говоря, слишком ограниченное) о некотором типе
упорядоченности, примером которого служит обычный кристалл,
упаковка в трехмерную решетку. Для более сложных молекул
можно допустить, не привлекая никаких новых физических зако-
нов, упаковку в двумерную и одномерную решетку; в первом слу-
чае возникают обычные жидкие кристаллы, во втором — одномер-
ные кристаллы, которые могут претерпевать вторичные и третичные
усложнения, и все рни будут имманентными. Это обеспечивает
форму для самовоспроизведения. Теперь требуется некое внутрен-
нее «стремление», «дуновение жизни», «побуждение», которое д-р
Мора объясняет с телеологических позиций. Насколько я пони-
маю, это «побуждение» так же хорошо можно объяснить, исходя
из физико-химических свойств макроэргических фосфатов. Не сле-
дует отчаиваться, если на это потребуется очень длительное время
и привлечение многих принципов математической логики; зато
нам вовсе не придется обращаться к каким-либо иным физико-
химическим закономерностям. Вместо этого, быть может, придется
добавить к уже известным положениям геометрию сложных систем.
Проблема молекулярного отбора представляется совершенно нераз-
решимой, если предположить, что образовавшееся в процессе
отбора вещество или структура не обладают какими-то внутрен-
ними преимуществами, пусть даже только термодинамического
или кинетического характера. Совокупность жидких кристаллов
характеризуется, с одной стороны, низкой энергией (кристалли-
ческое состояние), а с другой— большой вероятностью жидкого
состояния. Это в еще большей мере справедливо для биологических
систем.
Двумерный жидкий кристалл можно превратить в систему
сложенных или скрученных структур, аналогичных миелиновым.
Селективность, которую мы ищем в ранних формах жизни, как
раз на одну ступень выше селективности в неорганическом мире,
где редкие элементы могут скапливаться в очень больших кон-
центрациях в кристаллах минералов.
Я не согласен с теми ограничениями возможностей научного
метода, которые выдвинул д-р Мора; однако, по-моему, чрезвычайно
важно было их отметить. Я считаю ошибочным противопоставле-
ние декартовой физики с ее материальной причинностью телео-
логической биологии с ее предустановленными целями. Тем не
менее из такого противопоставления вытекает, что на различных
уровнях справедливы разные законы, т. е. вполне марксистский
66 П. Мора
вывод. По мнению д-ра Мора, основной закон науки заключается
в том, что любое утверждение должно быть доказуемым. Однако
отсюда не следует, что оно должно быть доказуемо уже сейчас.
Предстоит еще много потрудиться, прежде чем удастся так изме-
нить интересующую нас проблему, чтобы соответствующее утвер-
ждение можно было доказать или, вернее, опровергнуть.
Телеологический метод, к которому призывает нас вернуться
д-р Мора, был оставлен не столько потому, что он оказался непри-
годным, а главным образом из-за его субъективности. Если суще-
ствует что-то, заставляющее жить и размножаться нас с вами, то
нельзя ли на этом основании предположить, что аналогичные при-
чины могут действовать и на более низких уровнях, вплоть до
молекул, из которых возникает жизнь. Наш склад ума очень легко
допускает возможность такого переноса. Однако подобная гипо-
теза уже не пригодна в век молекулярной биологии. Действительно,
нет абсолютно никаких данных в пользу наличия у таких систем
ощущений и мышления; не существует также никакого объекта,
с которым можно было бы связать внутреннее «стремление», о кото-
ром говорил д-р Мора. В рамках молекулярной биологии у суще-
ствующих ныне живых объектов любая структура возникает
в результате некоего предписания. Эта структура связана только
вторично — посредством механизма обратной связи — с исходным,
находящимся на более низком уровне материалом, из которого
она возникла. Я считаю, что привлекать для описания биологиче-
ских явлений представление о каком-то внутреннем принуждении,
которое обеспечивает самоподдержание, недопустимо, а теперь
и излишне.
Дискуссия, развернувшаяся после доклада д-ра Мора, кажется
мне весьма интересной. Особенно интересны высказывания Оро,
Холдейна и Чаргаффа. Действительно, Холдейн полагает, что
могут существовать более сложные взаимодействия атомов, чем
те, которыми занимается современная квантовая химия. Это могут
быть как раз те недостающие элементы, которые я считал необхо-
димыми для получения дальнейших сведений физико-химического
характера о возникновении жизни. Вопрос о том, следует ли счи-
тать «сверхупорядоченную систему» д-ра Оро живой, зависит
от таких функций, хотя, по-моему, едва ли можно допустить, что
вирус табачной мозаики может служить примером подобной сис-
темы; скорее он является частью какой-то значительно большей
системы.
Мне хотелось бы отметить здесь весьма важное обстоятельство:
наша дискуссия развивается иначе, чем еще несколько лет назад.
У нас нет более необходимости привлекать понятия, которые пра-
вильно было бы назвать — и д-р Мора именно так их и назвал —
метафизическими; сейчас мы используем представления о конкрет-
Несостоятельность вероятностного подхода
67
ных структурах, причем к некоторым структурам мы возвраща-
лись множество раз. Речь идет здесь об азотистых основаниях,
в частности об аденине, который, как показал Чаргафф, представ-
ляет собой полимеризованный цианистый водород, о метафосфатной
связи через кислород, о липидах и аминокислотах; все они создаются
по отдельности, автоматически, без участия какого-либо биологи-
ческого процесса. Д-р Мора хочет ввести понятие какого-то телео-
логического толчка, стимула, но такая аргументация могла быть
приемлемой несколько веков назад в Индии; это нечто среднее
между воззрениями Мелеагра (школа Платона) и буддийского
монаха. Последний, заявляя, что колесница сделана из колес,
кузова, дышла, вожжей и т. д., торжествующе вопрошал: «А где
душа колесницы?» Не получив ответа на свой вопрос, он сказал:
«Если у колесницы нет души, то как же мы можем считать, что
она есть у человека?»
П и р и. Д-р Мора, вы заставили нас призадуматься. Что
касается меня, могу только сказать: удивительно, как часто моя
реакция была почти точно противоположна вашей. Нередко, когда
вы говорили «доказано», я бы сказал «опровергнуто», так как мне
кажется, что мы очень редко можем провести эксперименты, кото-
рые вообще что-то доказывают. В сущности все, что мы можем
сделать, это так спланировать эксперимент, чтобы с его помощью
опровергнуть одну из возможных точек зрения. Если бы в вашем
выступлении все «доказано» заменить на «опровергнуто», то я
в значительной степени был бы согласен с вами.
Валлентайн. Представьте себе, что вы увеличили клетку
табака до размеров земного шара и рассматриваете ее как океан,
заполненный молекулами всех сортов; введите теперь в нее вирус
табачной мозаики. Является ли он живым?
Холдейн. Так рассуждать нельзя, поскольку здесь вы
сталкиваетесь с совершенно иными качественными закономерно-
стями. При рассмотрении жизни в любой ее форме вы всегда должны
принимать во внимание, что в происходящих переходах участвуют
квантовые закономерности, так что вы лишены возможности при-
бегать к моделям.
Оро. Вы, по-видимому, приходите к выводу о существовании
какой-то неизвестной силы или какого-то неизвестного свойства
материи (все же отделимых от материи), от которых зависит возник-
новение жизни. По-вашему, выходит, что вы разбираете недо-
статки современных представлений. В таком случае не хотите ли
вы выдвинуть какие-либо предположения о природе этой неизвест-
ной силы (или этих сил), которые могли бы объяснить существо-
вание живых организмов?
Мора. Нет. К сожалению, я не могу сказать ничего убедитель-
ного, конструктивного или полезного. Я только говорю, что.
68 П. Мора
по-моему, влияние физики на ученых сейчас столь велико, что
очень трудно мыслить, не прибегая к физическим понятиям. Я счи-
таю, что создавшаяся ситуация почти аналогична той, которая
существовала в конце царствования схоластической школы, когда
господство телеологии было столь подавляющим, что нельзя было
даже представить себе соображения и подходы, принятые сейчас
в физике. Например, понадобились века, чтобы понятие доказуе-
мости приобрело операциональный смысл.
Потребовались десятилетия, а может быть, и века, чтобы прин-
цип «начало от наиболее простого, а затем дальнейшее развитие
из него» приобрел операциональный смысл и чтобы мы смогли
освободиться из плена телеологических представлений.
Теперь, по-моему, мы снова, как и ранее, сталкиваемся с подав-
ляющим господством определенных представлений, но их характер
стал совсем иным. В самом деле, наше мышление так строго кон-
тролируется физическими понятиями, что мы не можем подумать
о каких-либо новых представлениях. Я указал здесь несколько
положений, которые, быть может, могли послужить исходным
пунктом для рассуждений, например положение о процессах регу-
ляции, происходящих в любой самой простой живой единице.
Как клетка может существовать дольше, чем следовало бы ожидать
исходя из того, что она представляет собой совокупность молекул?
Как она «исправляет» свои повреждения, как она воспроизводится?
Подумайте о природе самоподдержания и об общем «стремлении»
живой системы к развитию и к противодействию разрушающим
физико-химическим силам. Один из путей решения этих проблем
состоит, по-видимому, в исследованиях механизмов регуляции,
проводимых Моно и Жакобом.
Оро. Мне кажется, что основной упор в своем докладе вы
делаете на семантику. Вероятно, это отражает весьма скромные
до сего времени попытки изучения органической эволюции на
молекулярном уровне. Наша дискуссия была бы, вероятно, более
плодотворной, если бы мы сначала тщательно рассмотрели и обсу-
дили некоторые конструктивные предложения, например те, кото-
рые выдвинули Патти [20] и Рич [23]. Они показывают, как на
молекулярном уровне может повышаться степень организации,
и, по моему мнению, эти гипотезы снимают ряд несообразностей,
на которые вы указали.
Поннамперума. Я хочу развить мысль д-ра Оро. Слово
«стремление», применяемое д-ром Мора,— это просто другое назва-
ние для каких-то химических закономерностей. Следует напомнить
д-ру Мора написанную уже давно статью Пири, посвященную
«бессмысленности понятия жизнь».
Патти. Я хотел бы сказать несколько слов, не связанных
непосредственно с основными аргументами, касающимися воз-
Несостоятельность вероятностного подхода
69
можности объяснения жизни исходя из законов физики. Мне хочется
заступиться за вероятность, так как ваш доклад называется «Несос-
тоятельность вероятностного подхода».
По-моему, понятие вероятности здесь употребляется неправиль-
но, во всяком случае не в том смысле, какой ему придавали Лаплас
и другие. Основная идея заключается в следующем: две модели,
описанные достаточно полно, для того чтобы к ним можно было
применить вероятностный подход, поддаются объективному срав-
нению с использованием теории вероятностей, т. е. чисто матема-
тической теории. В этом смысле теория вероятностей, по-видимому,
вообще ничего не может объяснить. Она позволяет лишь объек-
тивно сравнивать две разные модели. И в таком смысле я не считаю
ее применение бессмысленным.
Мора. Быть может, я действительно воспользовался не тем
словом. Многие считают, что жизнь возникла в результате какого-то
случая или удивительного совпадения неожиданных комбинаций;
видимо, я не должен был здесь применять слово «вероятность».
Но я хотел сказать, что когда вы пытаетесь объяснить такую слу-
чайность исходя из предположения об очень больших промежут-
ках времени и очень больших массах материи, то это убедительно
лишь для людей определенного склада ума. Я считаю, что такие
рассуждения рождают больше вопросов, чем ответов.
Патти. Я думаю, все согласны с тем, Что вероятностная гипо-
теза не годится для объяснения происхождения жизни. Она не
только бесплодна теоретически, но и не поддается эмпирической
проверке. Однако если мы создадим другую модель, описанную
достаточно полно, чтобы можно было воспользоваться теорией
вероятностей, то тогда ее можно применить правильно. И теория
вероятностей не виновата, что до сих пор еще не создана хорошая
модель.
Фокс. Я хотел бы отметить, что некоторые ученые считают
продуктивными именно те исследования, которые рождают больше
вопросов, чем ответов.
Холдейн. Я считаю, что фактически мы не используем
физику. Рассматривая какое-либо элементарное событие на уровне
атомов, мы видим, что здесь-то как раз и происходит нечто, напо-
минающее «стремление», о котором говорит д-р Мора; именно так
обстоит, например, дело при исчезновении электрона и позитрона
с образованием фотона. И этот процесс можно рассчитать. Таким
образом, физика в своих расчетах может предвидеть будущее.
В физике практически установлено, что при объяснении свойств
и поведения любой сложной физической системы, будь то атом,
рассматриваемый как совокупность ядра и электронов, или моле-
кула, рассматриваемая как совокупность атомов, на каждом этапе
анализа мы сталкиваемся с новыми принципами организации. Теперь
70
П. Мора
нам известны некоторые законы взаимодействия между атомами,
между молекулами и т. д., изучаемые квантовой физикой, но для
этого нам пришлось изучить сами молекулы. Я почти не сомне-
ваюсь в наличии у живых систем значительно более сложных законо-
мерностей того же типа, помогающих им сохранять свою струк-
туру и функцию. Но я думаю, что мы еще недостаточно хорошо
разбираемся в современной физике, более того, я беру на себя
смелость утверждать, что большинство биологов мыслят катего-
риями физики 1920, а не 1963 г.
Мора. По-моему, в квантовой физике появились признаки
новых подходов. Сошлюсь на статью Тисса, появившуюся в одном
из последних номеров журнала Reviews of Modern Physics (35,
151, 1963), в которой он развивает новые концептуальные кван-
товые подходы к проблемам мультиплетности и взаимодейст-
вия. Его исходные положения представляются мне весьма важ-
ными.
Саган. Меня удивляет, почему мы так мало интересуемся
временной шкалой для интересующих нас событий.
При расчетах мы рассматриваем замкнутую систему с извест-
ными параметрами. Затем мы задаемся вопросом, через сколько
времени должно произойти какое-то определенное событие (напри-
мер, самопроизвольный синтез ДНК), и сравниваем полученный
ответ с промежутком времени, которым мы располагаем. Например,
если расчет показывает, что событие может произойти через про-
межуток времени, значительно превышающий 5-10е лет, то оно
соответственно маловероятно, если же этот промежуток времени
много меньше 5- 10е лет, то такое событие вполне вероятно. Исполь-
зование вероятностной аргументации представляется мне вполне
законным и плодотворным.
Мора. По-моему, сущность вопроса сводится к следующему:
продолжаем ли мы шкалу времени настолько, чтобы допустить
какую-то возможность наступления данного события? Мы обычно
расширяем шкалу времени и увеличиваем количество доступного
вещества, чтобы сделать событие возможным. По-моему, когда
указанные параметры так близки к бесконечно большим, вероят-
ностные соображения лишаются смысла.
Саган. Я считаю, что 5-Ю9 лет — это значительно меньше
бесконечности.
Мора. Я не знаю. Это зависит от точки зрения.
Шутка. При обсуждении вопроса о возникновении живых
систем следует учитывать возможность действия нескольких пара-
метров, что увеличивает вероятность наступления соответствую-
щего события. Я говорил здесь о двух молекулах, способных взаи-
модействовать. Есть какая-то вероятность, что они начнут взаимо-
действовать через неограниченно большой срок; но если суще-
Несостоятельность вероятностного подхода
71
ствует какая-то сила, действующая на них, то вероятность их
взаимодействия увеличится. Кроме того, возможно действие несколь-
ких неизвестных нам параметров, что также может увеличить
вероятность наступления данного события. Как вы считаете, д-р
Мора, возможно ли это?
Мора. Да. Я надеюсь, что из моего выступления нельзя вывести
возможности чисто случайного наступления события, без участия
каких-то еще неизвестных атрибутов или физико-химических
свойств взаимодействующих молекул. Я хотел отметить, что такие
события вполне могут происходить самопроизвольно, но я высту-
паю против распространенного убеждения, что они происходят
чисто случайно, так как тогда мы не учитываем особых условий.
Например, тем, о чем вы говорили, может служить новый моле-
кулярный параметр, о котором я упоминал.
Оро. Разрешите задать вопрос д-ру Мора. Можно ли предста-
вить себе переход от менее сложной системы к более сложной под
действием известных нам сейчас сил?
Мора. Да.
Оро. Каким образом?
Мора. Я могу привести в качестве примера восстановление
двухцепочечной структуры у ДНК, предварительно денатуриро-
ванной нагреванием, или процессы, происходящие при любых
молекулярных реакциях, ведущих к синтезу. Я утверждаю только,
что при таких реакциях исходная информация, заключенная в свой-
ствах вещества и в условиях реакции, контролирует соответствую-
щую ступеньку иерархии функции и структуры и что в этой инфор-
мации содержится все необходимое для достижения следующей
ступеньки. Но затем физико-химические процессы в конце концов
прекращаются; в них не заложено непрерывного стремления к само-
поддержанию, к воспроизведению, к «движению» в направлении
следующих, более высоких уровней и т. д.; таким образом, уве-
личение выхода достигается за счет порождения потомства, т. е. за
счет непрерывности живой системы. Наиболее существенно здесь
именно то, что физико-химические процессы в конце концов пре-
кращаются. Однако нам хорошо известно, что существуют силы,
обеспечивающие создание более сложной материи. Именно этим,
в сущности, и занимается химия.
Оро. Итак, вы приходите к выводу, что мы действительно не
знаем точного механизма этого процесса?
Мора. Да.
Оро. Я хотел бы изложить некоторые общие соображения,
касающиеся организации материи во Вселенной. Насчитывается
по крайней мере пять основных уровней (или элементов) органи-
зации; перечислим их в порядке возрастания сложности: 1) элемен-
тарные частицы, 2) химические элементы (ядра и атомы), 3) моле-
72
П. Мора
кулы, 4) агрегированные системы (кристаллы), 5) сверхупорядо-
ченные органические системы.
Примем основную идею тезиса д-ра Мора, гласящую, что невоз-
можно достичь более высокого уровня или более высокой степени
организации, чем та, которая содержится во взаимодействующих
компонентах и их окружении; тогда мы должны будем прийти
к одному из следующих двух заключений: а) невозможно идти от
элементарных частиц к атомам, от атомов к молекулам, от молекул
к сложным, агрегированным системам или к сверхупорядоченным
органическим системам и б) если это возможно, то информация
содержится во взаимодействующих компонентах и в окружающей
их среде. Теоретически представляется удовлетворительным лишь
одно из этих двух решений проблемы.
Однако известно, что описанные выше процессы действительно
происходят в природе. Хотя мы и не знаем точно механизма прев-
ращения протона (или водорода) в углерод, этот процесс происхо-
дит в природе (в звездах). Астрофизики говорят нам, что из п о-
тонов образуются а-частицы, которые, сливаясь друг с другом,
дают углерод; конечно, последний представляет собой значительно
более сложно организованный элемент, чем водород. В резуль-
тате захвата а-частиц из углерода образуется кислород и т. д.
Иными словами, в природе происходит синтез элементов, и отри-
цать этого нельзя. Более того, мы знаем, что элементы образуют
молекулы — это известно химикам из их опытов. Химики знают,
что если поместить атомы в подходящую среду, то они превра-
тятся в более или менее сложные молекулы. И этого тоже нельзя
отрицать. Это факт. Итак, подобные процессы происходят в при-
роде и, следовательно, в соответствии с заключением «б», информа-
ция должна содержаться во взаимодействующих элементах и в окру-
жающей их среде. Если применить выводы д-ра Мора для пере-
численных выше пяти систем, то придется согласиться, что, пока не
найдена какая-то неизвестная сила, понять переход от элементарных
частиц к элементам, от элементов к молекулам и т. д. невозможно.
Насколько я понимаю, основную мысль д-ра Мора, когда он
говорит о тщетности вероятностного подхода, лучше всего, по-види-
мому, проиллюстрировать следующим образом: если попытаться,
не располагая соответствующими химическими данными, теорети-
чески рассчитать вероятность того, что пять атомов водорода,
пять атомов углерода и пять атомов азота, соединяясь, займут
соответствующие места и образуют аденин, то вероятность эта
окажется столь малой, что придется прийти к заключению о прак-
тической невозможности образования этого соединения, если только
этим процессом не управляет какая-то неизвестная особая сила.
Однако известно, что из водорода, углерода и азота могут обра-
зовываться значительные количества аденина. Ясно, что этот про-
Несостоятельность вероятностного подхода
73
цесс не является одноступенчатым. Сначала из водорода, кисло-
рода и азота образуется цианистый водород, из которого в соответ-
ствующей среде образуются более сложные молекулы; последние,
взаимодействуя друг с другом, в конце концов образуют среди
прочих продуктов реакции аденин.
Итак, возвращаясь к моему исходному положению, повторяю,
что в своем сообщении вы обращаете особое внимание на семан-
тику, на истолкование смысла терминов; из всего этого становится
ясным, насколько трудно сформулировать определение, с которым
бы все согласились. Мне кажется, что если бы мы смогли усесться
в кружок и совместно поискать какое-то определение вероятности
(и жизни), то нам бы удалось в конце концов прийти к какому-то
соглашению. Однако из вашего сообщения, пожалуй, следует, что
для достижения высшего уровня организации материи требуется
какая-то особая сила или особое свойство, помимо «присущих
материи атрибутов».
Мора. Разрешите спросить, какой смысл вы вкладываете
в понятие сверхупорядоченной органической системы?
Оро. Здесь мы опять сталкиваемся со сложной задачей форму-
лировки определения. Примером сверхупорядоченной органической
системы может служить частица вируса табачной мозаики.
Мора. Обладает ли она сама по себе способностью к постоян-
ному воспроизведению и к мутациям?
Оро. Нет, только в том случае, если она находится в соответ-
ствующей среде.
Мора. Я хотел бы узнать, с каким из ваших пяти уровней
организации вы связываете понятие сверхупорядоченной органиче-
ской системы. Дело в том, что четыре уровня из пяти находят
объяснение на основе известных законов, т. е. того, что я считаю
разумными физическими и химическими объяснениями. Я хотел бы
узнать, не называете ли вы сверхупорядоченной органической
системой то, для чего я употребляю слово «живая». Все пять уров-
ней можно прекрасно объяснить при помощи известных положений
физики. Считаете ли вы, что живые системы относятся к пятому
уровню?
Оро. Рассмотрим частицу вируса табачной мозаики. Хотя
представление о сверхупорядоченной системе позволяет описать
его структурно, оно недостаточно для полного биологического
Описания вируса. Биологу для характеристики подобной системы
придется добавить дополнительные элементы (ферменты, метабо-
лические предшественники, мутагенные факторы) х.
1 Для разъяснения и в качестве ответа на вопрос д-ра Мора приведем
высказывание Оро (см. J. О г 6, Experimental Investigation of Organo-Chemical
Evolution in Current Research in Exobiology, ed. by M. H. Briggs and G. Ma-
mikunian, Pergamon Press, в печати). Сверхупорядоченную органическую
74 П. Мора
Мора. Нужно ли добавить сюда растительные клетки?
О р о. Не обязательно. Специалистам по структурной биохимии
не нужно больше ничего добавлять. Биологам следует добавить
еще растительную клетку или ее эквивалент. Если бы было точно
известно, как сделать частицу вируса табачной мозаики, какие
другие элементы нужно добавить и какой должна быть окружаю-
щая среда, чтобы обеспечить постоянную ее репликацию, то у нас
был бы план первого эксперимента по созданию «живой» системы.
Из самого факта нашего сегодняшнего собрания уже следует, что
мы не располагаем планом такого опыта.
Мора. Итак, вы не относите к пятому уровню те группы или
системы, которые мы считаем живыми?
Оро. Я включаю их путем экстраполяции; так я поступил
в своем последнем сообщении (см. сноску). Можете ли вы назвать
мне какой-нибудь другой путь создания живых организмов, кото-
рые, как мы знаем, состоят из тех же основных элементов, что и вся
Вселенная? Можно ли предложить что-нибудь другое?
Мора. Нет, я думаю, что только эти элементы и материя,
образующие предложенные вами пять уровней организации, могут
обеспечить появление живых систем. И я согласен с вами, если
вы остановитесь на вирусе табачной мозаики и не добавите расти-
тельную клетку. До сих пор все прекрасно объясняется физическими
законами. Затруднения возникают дальше.
Г а ф ф р о н. Но эти затруднения существовали и в геологи-
ческую эпоху?
Мора. Конечно.
Гаффрон. В самом деле, все, что нам известно, мы узнаем
неожиданно. Для того чтобы объяснить синтез аденина, понадоби-
лось 2000 лет. Вполне возможно, хотя мы сейчас и не можем пред-
видеть, как именно это произойдет, что результаты будущих экспе-
риментов внезапно подскажут нам то, чего нам сейчас не хватает.
Наша задача — экспериментировать и экспериментировать.
Мора. Да.
Г а ф ф р о н. Начинать следует именно с этого. В противном
случае нужно все бросить.
Ч а р г а фф. Сколько аденина вы получили? Получали ли вы
одну молекулу аденина из пяти молекул HCN?
систему можно определить как организованную совокупность органических
молекул, которая в соответствующей среде обнаруживает одно, несколько
или все свойства, существенные для живого организма. Следует учитывать,
что для биологов, работающих в разных областях биологии, определение
«живого» организма далеко не одинаково. Например, для биохимика простой
вирус — это упорядоченный комплекс молекул двух или нескольких типов,
обладающий некоторыми определенными свойствами. Вместе с тем биолог
обычно считает его микроорганизмом, достигшим высокой степени парази-
тизма.
Несостоятельность вероятностного подхода
75
Оро. Уже давно известно, что аденин — это полимер, состоя-
щий из пяти молекул HCN.
Ч а р г а ф ф. Это я знаю. Я имел в виду ваши эксперименты
Оро. Да, в том смысле, что все атомы, содержащиеся в одной
молекуле аденина, сначала принадлежат пяти молекулам HCN.
Ч а р г а ф ф. Считаете ли вы, что вероятность образования из
HCN других веществ выше, чем вероятность образования аденина?
Оро. Разумеется. Однако, хотя при препаративном синтезе
выход продукта, как правило, мал, отсюда никак не следует, что
нельзя синтезировать значительные количества аденина.
Чаргафф. Однако между возможным и вероятным — дис-
танция огромного размера.
Оро. Правильно.
Чаргафф. А мы непрерывно перескакиваем с одного на
другое.
Оро. Считается, что образование углерода в ядерной реакции
весьма маловероятно, однако углерод по своей распространенности
во Вселенной стоит на четвертом или пятом месте. Как сказал один
шутник, по теории вероятностей мы все должны были бы быть
мертвецами. Тем не менее мы живы.
Чаргафф. Но мы все-таки умрем.
Мора. В том-то и беда.
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МАТРИЦЫ ЖИВЫХ СИСТЕМ
ДЖ. БЕРНАЛ
Department of Physics, Birkbeck College, University of London
London, England
Ввиду того что на настоящей конференции, в которой я, к сожа-
лению, не смог принять личного участия \ собрались специалисты,
я не буду делать общего введения. Я ограничусь лишь постановкой
ряда вопросов; не потому, что я надеюсь немедленно получить
на них ответы, а лишь для того, чтобы выявить направления, в кото-
рых развиваются ныне экспериментальные исследования и теоре-
тические представления.
Постановка таких вопросов в научных статьях вполне право-
мерна, примером чего может служить «Оптика» Ньютона. Этот
прием представляется мне особенно подходящим при обсуждении
проблемы возникновения жизни, так как здесь нельзя получить
непосредственных данных, а сравнительные исследования в настоя-
щее время невозможны. Мы надеемся, однако, что такая возмож-
ность возникнет в ближайшем будущем, когда космические полеты
человека позволят обнаружить иные формы жизни.
Таким образом, мы подходим к первому вопросу: являются
ли существующие на Земле формы жизни случайными или необхо-
димыми? Иными словами: если на других небесных телах будет
найдена жизнь, то будет ли она отличаться от тех ее форм, которые
мы встречаем на Земле? В настоящее время у нас нет оснований
ожидать идентичности форм жизни на Земле и на других небесных
телах. В то же время мы достаточно много знаем о химии элемен-
тов периодической системы, знаем, что других элементов не суще-
ствует; поэтому нет оснований ожидать открытия каких-либо форм
жизни, построенных из совершенно других элементов. Это сле-
дует, во-первых, из того, что жизнь на Земле основана на самых
распространенных элементах, встречающихся и на Солнце, и на
звездах, а во-вторых, из квантовых расчетов энергетического
обмена таких атомов, как кремний и мышьяк, расчетов, показав-
1 Вследствие отсутствия Бернала доклад зачитывается Холдейном,
замечания Бернала в прениях сделаны им по стенограмме.
Молекулярные матрицы живых систем
77
ших невозможность легкого осуществления на их основе фермен-
тативных реакций, характерных для земных форм жизни.
Самый факт созыва настоящей конференции делает очевидным,
что проблема возникновения жизни в настоящее время не только
пользуется большой популярностью, но и приобрела определенную
научную поддержку. Исследование этой проблемы все более рас-
ширяется и углубляется. В наши дни она перестала быть проблемой
жизни на Земле, а стала проблемой жизни в пределах солнечной
системы и даже за ее пределами. Исследования космического про-
странства в значительной части связаны с этой проблемой. При
этом не только открывается возможность сравнительного изуче-
ния форм жизни на небесных телах, но и возникает вопрос огром-
ного практического значения: как предохранить эти тела от непро-
извольного заражения земными формами жизни?
Последние открытия в области биофизики, биохимии и особенно
молекулярной биологии снова выдвинули на первый план вопрос
о возникновении жизни. Один из основоположников этой проблемы
Астбюри 1 понимал это, когда говорил: «Путь, которого я пред-
лагаю придерживаться, состоит в том, чтобы начинать со струк-
туры, затем переходить к свойствам, наконец идти все глубже,
пытаясь проникнуть в тайну происхождения вещей».
Любое исчерпывающее представление о биохимической струк-
туре приобретает смысл только в том случае, если имеется ги-
потеза возникновения этой структуры. Такая гипотеза столь же
необходима для современной биохимии, как сто лет назад была
необходима идея об эволюционном древе для биологической си-
стематики.
Каковы наиболее успешные пути развития этой проблемы?
Ответ на этот вопрос как раз и является основной задачей нашей
конференции. По-видимому, направлений может быть намечено
столько, сколько участников в нашем симпозиуме, или даже еще
больше. Мне бы хотелось выделить лишь те вопросы, которые,
по моему мнению, требуют скорейшего ответа. Мы не касаемся
больше вопроса о том, возникла ли жизнь самопроизвольно. Мы
хотим не доказать самый факт возникновения жизни, а показать,
как это произошло. Среди возможных путей возникновения жизни
мы хотим выделить один, истинный. Гипотеза Опарина — Холдейна
вывела эту проблему из сферы чистых спекуляций. Началась
экспериментальная работа по синтезам, однако, хотя подобные
исследования и имеют важное значение для химии, необходимо
доказать, что эти синтезы имеют место в условиях, подобных тем,
в которых, как есть основания считать, возникала жизнь. В этой
связи я хочу отметить, что наша экспериментальная работа, имея
1 Adventures in Molecular Biology. The Harvey Lectures, 46, 3 (1952.)
7ь
Дж. Бернал
самостоятельное значение, может в то же время не иметь отноше-
ния к вопросу о возникновении жизни.
Синтетический подход к проблеме возникновения жизни требует
определенной вероятности наличия тех соединений, из которых
возникла жизнь, и тех условий, при которых это произошло. Так
как мы не ограничены ныне вопросом о возникновении жизни
на Земле, а рассматриваем проблему возникновения жизни в общем
виде, как проблему возникновения предбиологических форм слож-
ных соединений углерода и азота, необходимо учитывать еще и спе-
циальные вопросы астрофизики звезд и туманностей.
Любая обоснованная теория возникновения жизни должна
объяснить существование не только соединений, встречающихся
в современных организмах, но и соединений углерода, обнаружи-
ваемых в метеоритах и в изверженных горных породах.
Мы должны разрешить и другой вопрос: являются ли эти две
линии доказательств сопоставимыми? Другими словами, действи-
тельно ли соединения углерода, найденные в метеоритах, сходны
с соединениями, найденными на Земле и возникшими, как можно
полагать, в результате жизнедеятельности организмов?
Углистая фракция метеоритов состоит из весьма трудно под-
дающихся анализу веществ с высоким молекулярным весом; к ним
неприменимы методы, разработанные для изучения органических
соединений биологического происхождения, образовавшихся на
Земле. Возможно, этот материал представляет собой просто аморф-
ную массу, состоящую из углерода, азота, водорода и кислорода,
такую, как, например, древесный уголь. Он может существовать
в первичной и вторичной формах. Первичная форма, найденная
в метеоритах, возможно, связана с силикатами, гидратированными
при сравнительно низких температурах, как показал, в частности,
Керридж в моей лаборатории. Однако эти структуры найдены
в метеоритах в сопровождении сравнительно высокотемператур-
ных форм.
Существуют альтернативные теории возникновения углистых
хондритов. Мюллер развивает идею их вулканического происхо-
ждения. Я поддержал эту теорию, предложив такой механизм
образования астероида, согласно которому углистые хондриты
происходят из промежуточного слоя, где они могли образоваться
при умеренных температурах и в конечном итоге были выброшены
вулканическими процессами. Другая теория, решительно поддер-
живаемая Вудом, сводится к тому, что углистые хондриты являются
образцами первичного вещества и сконденсировались из пылевого
облака, окружавшего образовавшееся ранее Солнце: первичные
частицы пыли были расплавлены ударной волной, а затем быстро
охлаждены. Это подтверждается стекловидной природой неболь-
ших хондритов. Возраст их составляет приблизительно 4,2 мил-
Молекулярные матрицы живых систем
79
лиарда лет; наличие сравнительно больших количеств ксенона-128,
образовавшегося из иода-128 — радиоактивного элемента с корот-
ким периодом полураспада,— указывает на то, что образование
хондритов из пылевого облака, окружавшего Солнце, продолжа-
лось несколько миллионов лет.
Хондры включены в основное вещество, содержащее углистый
материал и силикаты, которые, по данным Керриджа, аналогичны
серпентинам. Некоторые из них содержат кристаллизационную
воду, обогащенную дейтерием.
Согласно последним данным Вуда, содержание ксенона во всем
хондрите меньше, чем в хондрах; следовательно, промежуточный
материал значительно моложе. Многие хондриты, в частности
не содержащие углерода или содержащие его в малых количе-
ствах, обнаруживают следы последующих метаморфизмов в ахон-
дриты с офитовой структурой. Ясно, однако, что углистое вещество
с гидратированными силикатами после своего образования уже
не подвергалось действию температур свыше 150°, так как и орга-
ническое вещество, и гидратированные силикаты разлагаются
при таких температурах.
Теория образования хондритов из расплавленной пыли может
оказаться совместимой с вулканической теорией, если принять,
что хондриты с большим количеством углистого вещества состав-
ляли поверхность астероида, которая никогда не нагревалась
и содержала смесь веществ, захваченных при образовании асте-
роида и попавших на нее позже в форме вулканической пыли.
Эта проблема, вероятно, сможет быть разрешена сравнительно
скоро, как только мы получим образцы почвы с поверхности Луны
и образцы метеоритной пыли, в особенности из серебристых об-
лаков.
Вопрос об углистом материале метеоритов связан с различными
гипотезами возникновения жизни. На основе изучения углеводо-
родных фракций Надь и Меншайн утверждают, что углерод метео-
ритов имеет биогенное происхождение и что, следовательно, на
астероидах, являющихся родительскими телами этих метеоритов,
существовала жизнь. Это весьма спорный вопрос, во-первых,
потому, что трудно интерпретировать результаты анализов, а во-вто-
рых, потому, что крайне трудно объяснить возникновение жизни
на небесных телах, вероятно не имевших гидросферы. Однако
здесь нет необходимости подробно обсуждать эти вопросы; для
нас важен тот факт, что в метеоритах содержатся сложные при-
родные органические вещества, вплоть до пуринов и пиримидинов.
И уже самый факт их наличия в метеоритах требует существенного
изменения первоначальной гипотезы Опарина — Холдейна в той
ее части, которая касается первичного образования углистых
соединений.
80
Дж. Бернал
Новая гипотеза возникновения углистых соединений, которую
я выдвигаю, состоит в том, что сначала происходила конденсация
низкотемпературных газов на поверхности металлического железа
и силикатной пыли. Эти соединения, вероятно, состояли главным
образом изо льда, а также — при более низких температурах —
из аммиака, метана или радикалов СН2. При небольшом повышении
температуры (вследствие проникновения солнечного света сквозь
первичные облака пыли) они испарялись бы, хотя и не полностью,
о чем свидетельствует факт обнаружения льда в ночных серебри-
стых облаках. Кроме того, в некоторых случаях небольшая часть
материала могла полимеризоваться за счет действия излучения,
источником которого служили вспышки на Солнце или космиче-
ские лучи. Такой полимерный материал, обладающий высоким
молекулярным весом, уже не испарялся вместе со льдом и конден-
сированными газами. Эти предположения находят подтверждение
в данных Дюшеня, обнаружившего свободные радикалы в угли-
стых метеоритах. Кроме того, предложенная гипотеза согласуется
с тем, что известно о строении этих метеоритов; они состоят главным
образом из очень старых оливинов, образовавшихся при высоких
температурах, или энстатитовых хондр, расположенных в более
мягком основном веществе из углистого материала и гидратирован-
ных силикатов. Обнаруженное в них количество дейтерия, в четыре
раза превышающее его содержание на Земле в настоящее время,
показывает, что они являются остатками гидратной оболочки,
и свидетельствует о длительном периоде селективного испарения
воды и концентрирования дейтерия.
В настоящее время быстро накапливаются фактические данные
в пользу только что высказанных представлений. Данные эти
получены при изучении метеоритной пыли, найденной в красно-
цветных глинах на дне океана и во льдах Арктики и Антарктики
или собранной на океанических островах, как это было сделано
Паркином. Представляется, что во всех случаях исходные час-
тицы состоят из железо-никелевого ядра, которое может окисляться
в основном до магнетита под действием атмосферных газов или
морской воды; в то же время частицы меньшего размера могут
медленно опускаться до уровня моря, не подвергаясь окислению.
Они имеют, по-видимому, органическую кору, способную к окис-
лению. Последующие исследования позволили изучить эту пыль
in situ в ночных серебристых облаках; это было осуществлено сов-
местной шведско-американской экспедицией летом 1962 г.
Сами облака, вероятно, состоят в основном из мелких частиц
льда. Каждая частица имеет ядро — мельчайшее сферическое тело,
представляющее собой частицу космической пыли диаметром 0,05—
0,5 мк. Однако до сих пор углерод в этих частицах обнаружить
не удалось.
Молекулярные матрицы живых систем
81
Подобного рода исследования, несомненно, прольют свет на
вопрос о возможности космического происхождения гипотетического
вещества, которое ранее называли «первичным бульоном», и первых
источников свободной энергии, необходимой для дальнейших
химических превращений, приведших к возникновению жизни.
Имеется гораздо большая вероятность образования таких сое-
динений на субстрате, поверхность которого значительно превос-
ходит его массу; это вполне может заменить представления об
образовании достаточных количеств первичных соединений угле-
рода на поверхности таких планет, как Земля, вне зависимости
от превращений богатой углеродом примитивной восстановительной
атмосферы. Согласно метеоритной теории, небольшие планеты,
в том числе Земля, образовались в результате накопления хон-
дритных тел. Представляется вероятным, что соединения углерода,
найденные позже на поверхности Земли — именно из них, согласно
теории, начала развиваться жизнь,— составляют всего лишь неболь-
шую вышедшую на поверхность Земли часть вещества, перво-
начально составлявшего ее массу.
Причина, по которой я склонен придавать метеоритам такое
большое значение в построении теории возникновения жизни
(хотя они совершенно не принимались в расчет более ранними
теориями), состоит в том, что в метеоритах содержатся единствен-
ные известные нам примитивные соединения углерода. То, что мы
знаем об обновлении поверхности Земли в результате перемещения
континентов, образования гор и океанских впадин, указывает
на невозможность непосредственного сравнения образовавшихся
соединений с теми, которые, как мы считаем, образовались в срав-
нительно изолированных условиях в других частях солнечной
системы, возраст которых известен.
На первый взгляд представляется, что перенесение первых
стадий возникновения жизни с Земли в космическое пространство
приведет к резким различиям в химических теориях ее эволюции.
На деле, однако, это различие много меньше, чем можно было
ожидать. С одной стороны, состав «первичного бульона», образовав-
шегося в результате фотосинтетических процессов в первичной
атмосфере, в высшей степени гипотетичен. С другой стороны, опыты
/Чиллера и других авторов показали, что одни и те же соединения
могут образовываться в результате большого числа процессов из
весьма разнообразных исходных элементов. Основной чертой этих
соединений является то, что все они в биохимическом смысле абио-
тические, все они образуются без участия ферментов. В крайнем
случае необходимы очень простые неспецифичные катализаторы,
такие, как комплексы железа и никеля.
Все, что я говорил до сих пор, относится к первой из трех
стадий возникновения жизни: накоплению в высоких концентра-
82
Дж. Бернал
циях очень сложных соединений углерода, азота, кислорода и водо-
рода. Если эти соединения возникли в результате действия какого-
либо из видов излучения, то образовывалась равновесная смесь
того типа, который был получен в различных экспериментах, начи-
ная с опытов Миллера. Эти соединения носят абиотический харак-
тер, и для перехода к следующей стадии необходим подвод свобод-
ной энергии, источником которой могли бы служить короткоживу-
щие радиоактивные изотопы, богатые энергией связи или сво-
бодные радикалы.
Я изложил метеоритную теорию образования основных соеди-
нений углерода, которой я в настоящее время придерживаюсь,
хотя ее пока и нельзя доказать из-за недостатка и разрозненности
имеющихся фактов. Общепринятая теория, предлагающая фото-
синтетический путь абиотического образования молекул на суше,
в атмосфере или в морских водах, вероятна лишь качественно.
Детально проследить пути превращений таких соединений, как
азотистые основания, аминокислоты и сахара, можно лишь исходя
из формальдегида и цианистого водорода, образовавшихся в верх-
них слоях атмосферы. Было показано, что эти два вещества взаимо-
действуют в водной среде при низких температурах. Первая проб-
лема, возникающая при рассмотрении биопоэза на Земле, состоит
в этом случае в обнаружении подходящего способа концентрирова-
ния продуктов реакций. Такое концентрирование могло происхо-
дить либо за счет образования сравнительно слаборастворимых
продуктов, либо при повсеместном образовании растворимых сое-
динений в столь высоких концентрациях, чтобы не требовалось
их дальнейшего обогащения. Думаю, что второе маловероятно.
Что касается первой возможности, то я уже высказал ранее пред-
положение о вероятном механизме концентрирования, основанном
на поверхностноактивных свойствах этих соединений; последние
накапливаются в результате давления, оказываемого на них вет-
ром и волнами у берегов и в устьях рек, и затем адсорбируются
береговым илом.
В своем выступлении я хочу рассмотреть также вторую стадию,
которая является наиболее неясной и умозрительной. Каким обра-
зом из равновесной смеси соединений углерода и азота, которая
могла образоваться при действии ионизирующего излучения на
небольшие молекулы, могли развиться системы, которые мы назы-
ваем живыми? Вторая стадия, как я ее понимаю, независимо от
того, связано ли ее происхождение с космическим пространством
или с атмосферой из равновесной смеси, развертывалась на Земле,
в ее гидросфере (в свободной воде или береговом иле).
В любом случае мы имеем теперь право пользоваться не только
данными геологии, но и данными биохимии, в частности резуль-
татами изучения биогенеза веществ, входящих в состав современ-
Молекулярные матрицы живых систем 83
ных организмов. Многие биохимики полагают, что жизнь начи-
нается с РНК и ДНК, и считают пустой тратой времени изучать,
как они появились. Однако меня этот вопрос интересует, а я являюсь
в меньшей степени биохимиком, чем кристаллографом-структур-
щиком. Как же возникли самовоспроизводящиеся молекулы?
Если без механизма самовоспроизведения невозможно суще-
ствование жизни с ее биохимическими функциями и структурами,
то мы находимся в полном тупике. Однако, определив проблему
более четко, мы оказываемся в более благоприятном положении.
Нельзя ли предположить, что мы подошли к вопросу воспроизве-
дения молекул слишком требовательно, представляя его себе как
процесс, обязательно протекающий лишь с участием нуклеиновой
кислоты и рибосом? В действительности воспроизведение является
процессом значительно более общего характера и могло возникнуть
самыми различными путями.
Основной принцип воспроизведения молекул можно вывести
из явления кристаллизации, рассматривая математические закойы,
описывающие взаимодействие атомов и молекул. Для осуществле-
ния воспроизведения в полном смысле объект, подлежащий вос-
произведению, должен быть доступен для небольших молекул,
объединяющихся для снятия с него копии, хотя и не обязательно
весь в одно и то же время. Это подразумевает, далее, одномерную
организацию типа линейного полимера, а если имеет место пере-
дача информации, то линейного гетерополимера. Она должна быть
линейной лишь в топологическом смысле, т. е. допускается раз-
личного рода свертывание и скручивание, которое, по-видимому,
даже необходимо. Топологически структура, образовавшаяся из
исходной молекулы и ее копии, должна быть конечной, иначе
получится дву- или трехмерный бесконечный кристалл. Простей-
шим случаем подобной системы является сдвоенная структура,
разъединения которой на две части достаточно, чтобы обеспечить
бесконечную дупликацию.
Помимо воспроизведения в этом смысле, существует процесс
специфического производства молекул — по одной, друг за дру-
гом — по шаблону, не идентичному строящейся молекуле. Именно
в этом в общем смысле состоит суть ферментативного действия.
Истинные свойства процессов воспроизведения и производства
молекул в сумме обеспечивают то, что составляет необходимую
химическую основу жизненных процессов. Последние, вероятно,
могут базироваться на большом числе различных систем. Системы
нуклеиновая кислота — белок, лежащие в основе жизни на Земле,
являются, вероятно, наиболее удачными системами, осуществляю-
щими обе эти функции.
Рассуждая таким образом, мы сразу же возвращаемся к вопросу
о том, каким образом механизм, аналогичный механизму с цсполь-
84
Дж. Бернал
зованием нуклеиновых кислот и белков, действует в условиях
более простых структур? Основываясь на геологических данных,
я высказал предположение, что жизнь, определяемая как обмен
метаболитов и использование свободной энергии, возникла до того,
как появились организмы. Конечно, организмы, согласно нашим
современным представлениям, должны обладать такими микро-
структурами, как мембраны, органеллы и т. п., являющиеся сос-
тавными частями простейшей клетки или вируса.
Дальнейшие открытия покажут, что воспроизведение не есть
просто случайное деление целого организма надвое или появление
нового организма путем почкования; воспроизведение происходит
постоянно в любой органической системе. Можно сказать, что
не существует отдельно метаболизма и воспроизведения: метаболизм
сам является воспроизведением. Это еще более усложняет проблему
возникновения жизни. Всего лет 10 назад мы сталкивались только
с вопросом о воспроизведении клеток и организмов. Теперь нам
необходимо объяснить также, почему органеллы и сам метаболизм
включают в себя сложную систему воспроизведения.
Чисто биохимические функции равновесной массы химических
веществ, существовавшей до появления организмов, предполагают
наличие определенных общих условий. Прежде всего, эти веще-
ства должны быть сконцентрированы в определенных объемах.
Последние, однако, не должны иметь постоянной локализации: функ-
ции жизни могут флуктуировать в значительно большем объеме,
так же как фронт огня в тлеющем куске дерева. Динамические,
а не статические функции — вот все, что требуется. Но при таком
динамическом характере взаимодействия концентрации должны
быть достаточно высокими для поддержания метаболизма: про-
цессы типа взрыва и горения не распространяются в очень разбав-
ленной среде. Здесь мы сталкиваемся с серьезным аргументом,
противоречащим на первый взгляд представлению о том, что жизнь
возникла в водной среде, например в море, так как там вещества
находились в очень разбавленном состоянии. Однако известен
целый ряд физических процессов, способствующих концентриро-
ванию веществ в этих условиях. Речь идет о таких механизмах,
как, например, адсорбция на глине (о чем я говорил много лет
назад) или спонтанное образование полимеров. Последнее зави-
сит от предсуществования или образования коллоидов типа коацер-
ватов Опарина. Одним из основных является вопрос, могли ли
такие коллоиды возникнуть в условиях, когда механизм воспро-
изведения молекул при помощи нуклеиновых кислот отсутст-
вует.
Химические реакции в такой среде не должны быть связаны
с большим квантовым скачком (иначе говоря, они сохраняют квази-
изотермичность) и должны идти при участии примитивных ката-
Молекулярные матрицы живых систем
85
лизаторов, выполняющих ту же роль, какую выполняют ферменты
в живых системах.
Сейчас известно, что современные ферменты сами являются
продуктами цикла нуклеиновая кислота — рибосома. Поэтому мы
вынуждены постулировать возможность существования неких прото-
ферментов; источником таких протоферментов могут служить даже
обычные неорганические компоненты гидросферы. Протоферменты
относятся главным образом к производным переходных элементов;
из них самым распространенным является железо, далее идут
медь, кобальт, марганец и др.
Это представляется верным для основных ферментов метабо-
лизма — цитохромов (окислительных ферментов), позднее при-
способленных в качестве переносчиков кислорода в гемоглобине
или фотонной ловушки в хлорофилле. Мне представляется, что
роль высокоспецифичного полипептида, присоединенного к прото-
ферменту, состоит в активировании субстрата, придании ему спе-
цифичности в отношении данной реакции. У известных нам фер-
ментов эта специфичность очень ярко выражена. Обычно фермент
может катализировать несколько реакций, однако в специализации
ферментов и, следовательно, в увеличении числа их типов имеется
определенное эволюционное преимущество.
Другой группой функционально важных молекул являются
молекулы, способные осуществлять перенос энергии — обычно
путем переноса протона или перевода системы на более высокий
энергетический уровень; я назову это явление коферментной функ-
цией. Здесь первостепенное значение имеют органические азоти-
стые основания — пурины и пиримидины, а также некоторые кон-
денсированные циклические структуры, не содержащие азота,
например флавоны. Полифосфаты, несомненно, также играют важ-
ную роль как при переносе энергии, так и в качестве активаторов
полимеризации.
Есть все основания считать, что пиримидиновые и пуриновые
основания являются весьма ранними продуктами спонтанной орга-
низации в первичные углеродные и азот-водородные комплексы.
Представляется вероятным, что начало второй стадии, когда про-
стейшие биохимические молекулы отделились от аморфного угле-
род-азотного комплекса, было связано с водной средой и, следо-
вательно, с Землей. Трудно себе представить, хотя я сам это пред-
положил, что этот процесс протекает также в толще астероидов.
Однако, где бы он ни происходил, его результатом явилось воз-
никновение смеси сахаров, органических кислот, аминокислот
и азотистых оснований, которые, как мы должны себе представ-
лять, принимали участие во второй стадии возникновения жизни.
Азотистые основания, содержащие связи углевод — фосфат
и игравшие важную роль в качестве протокоферментов, весьма
86
Дж. Бернал
легко полимеризуются. Возможно, как я это предположил впер-
вые в 1957 г., в результате такой полимеризации сначала образо-
вались растворимые нуклеиновые кислоты; затем, постепенно накап-
ливаясь, цепи нуклеиновых кислот образовывали современные
высокополимерные РНК и ДНК и в конечном счете гены сложных
биологических систем.
В своих попытках нарисовать последовательную или хотя бы
просто правдоподобную картину возникновения жизни мы сталки-
ваемся со значительно большими трудностями, чем это ожидалось
еще совсем недавно. Становится все более очевидным, что механизм
воспроизведения молекул нуклеиновых кислот и синтеза сложных
ферментных белков включает значительно больше стадий, чем мы
полагали прежде. Об этом свидетельствуют данные, полученные
главным образом современной биохимией, в частности цитобио-
химией, позволившей дифференцировать ферментативные про-
цессы в клетке и установить их локализацию в определенных ее
участках. Само совершенство этих механизмов заставляет нас счи-
тать маловероятным их самопроизвольное возникновение, так же
как и самопроизвольное возникновение соответствующих функций.
Лишь в самое последнее время мы стали понимать, какое глу-
бокое значение имеет открытие воспроизведения молекул нуклеи-
новых кислот и механизма производства молекул белка. Очевидно,
что воспроизведение относится не столько ко всему организму,
сколько к его метаболизму в каждый данный момент. Воспроизве-
дение нуклеиновых кислот и производство белковых молекул
необходимы для всех известных нам процессов жизнедеятельности.
Мы можем также сказать, что они необходимы для современных
структур живого, для организмов; без них невозможно образова-
ние сложных субклеточных структур, выявляемых при помощи
электронного микроскопа и исследуемых методами цитобиохимии.
Ключ к расшифровке этого механизма был получен в резуль-
тате первых исследований вирусов. Частицы вируса табачной
мозаики, над которым я начал работать почти 30 лет назад, состоят
из спиральной белковой молекулы, сквозь которую, как пока-
зала Франклин, как бы продета одиночная цепь РНК- Вирусный
белок можно дезагрегировать, разрушив также вирусную РНК;
в подходящих условиях белок способен снова агрегировать с обра-
зованием структуры, очень похожей на исходную. Однако такая
реконструированная частица имеет два существенных отличия.
Во-первых, она отличается от исходной вирусной частицы своей
длиной. Известно, что предельная длина целой вирусной частицы
составляет 3000 А. Реконструированная же частица может быть
любой длины, например гораздо большей 3000 А. Во-вторых, спи-
ральная структура, характерная для активного вируса, после
реконструкции не восстанавливается. Вместо этого белковые моле-
Молекулярные матрицы живых систем
87
кули располагаются в виде наложенных друг на друга колец.
Отсюда следует, что цепь РНК играет существенную роль в орга-
низации вирусной частицы. В то же время проведенное недавно
изучение структуры пигментов крови беспозвоночных (гемоциа-
нинов моллюсков и членистоногих) показало, что нуклеиновые
кислоты нужны не всегда. Ван Брюгген показал, что гемоцианины
содержат постоянное число белковых частиц и не обладают кри-
сталлической симметрией. После расщепления на субъединицы
с молекулярным весом около 40 000 эти белки могут спонтанно
агрегировать in vitro, образуя частицы, по-видимому идентичные
нативным. В этом случае процесс идет без какого бы то ни было
участия нуклеиновых кислот; агрегация протекает самопроиз-
вольно и не контролируется генетически.
Накапливается все больше данных, показывающих, что это
явление имеет общий характер. Мы сталкиваемся с ним при изу-
чении различных органелл и мембран, являющихся составными
частями структуры митохондрий, а также, возможно, ядра и самой
клетки. Белковая часть мембраны специфична; липидная же часть
представляет обычный двойной слой липида, образованный в резуль-
тате двумерной кристаллизации небольших молекул. Образование
всех подобных органелл не связано непосредственно с какой-либо
биологической функцией. Здесь мы по существу имеем дело с есте-
ственными жидкими кристаллами, возникающими при псевдо-
кристаллизации определенных типов молекул.
Для того чтобы была достигнута какая-то степень кристалли-
зации, необходимо наличие идентичных или почти идентичных
молекул. Это означает, что возникновение органелл и вирусов
зависит от наличия таких частиц, т. е. от наличия всего механизма
так называемого массового производства идентичных белковых
молекул. Это, по-видимому, означает также, что образование иден-
тичных белковых молекул имело важное значение еще до того,
как в клетке появились отдельные структуры. Здесь мы сталкиваем-
ся с неким общим принципом. Все эти структуры, в том числе
вирусы, такие, как фаг Т2 (содержащий по меньшей мере шесть
белков), можно было бы рассматривать как особо сложную форму
кристаллов. Образование трехмерной решетки обычных твердых
кристаллов обеспечивается идентичными, так называемыми обра-
зующими атомами. При этом различия между изотопными ядрами
этих атомов маскируются идентичностью их электронной струк-
туры. В биологических же паракристаллах роль идентичных единиц
играют молекулы белка, представляющие собой исключительно
сложные структуры. Они являются сложными гетерополимерами
аминокислот по крайней мере с двумя, тремя, а возможно, даже
четырьмя стадиями свертывания и скручивания. Белки способны
давать обычные трехмерные кристаллы, но происходит это крайне
88
Дж. Бернал
редко, по крайней мере в природных условиях; даже в лаборатории
довольно трудно получить белковые кристаллы. Они, по-видимому,
предпочитают образовывать некристаллические или квазикристал-
лические формы; в простейшем случае происходит вторичная поли-
меризация, в результате которой глобулярные белки превращаются
в фибриллярные. Это так называемое Г — Ф-превращение, изу-
ченное, в частности, на примере актина и инсулина. Структура
может быть также двумерной, как это показано на мембранах,
или представлять собой замкнутые трехмерные сферические час-
тицы, как у некоторых вирусов и различных клеточных органелл.
Принцип этой организации легко себе представить исходя
из геометрических представлений, допустив, что молекула белка
имеет целый ряд активных участков, каждый из которых способен
соединяться со специфическим участком белковой молекулы того
же или иного типа. Таким образом, структура возникает автомати-
чески. Подобное явление я не очень удачно назвал синизомериз-
мом, что означает складывание вместе равных частей. Ныне это
является центральной проблемой биопоэза, ибо вопрос о том, как
образуются сами молекулы, уже разрешен.
Каким образом из ряда довольно простых химических соеди-
нений может развиться этот сложный механизм воспроизведения
и метаболизма без использования предсуществовавших структур?
Я хочу особенно подчеркнуть, что существующие структуры абсо-
лютно зависят от предсуществования идентичных сложных белко-
вых молекул. А эти последние могут образовываться в современ-
ных условиях только при помощи механизма с участием нуклеи-
новых кислот.
Здесь мы должны провести четкое различие между представле-
ниями о возможных и действительных путях их генезиса. Первые
основаны на логике и данных химии; вторые включают фактиче-
скую информацию о веществах, найденных в окаменелостях или
метеоритах, с одной стороны, и данные биохимии современных
живых организмов — с другой.
Многие доказывали, а некоторые продолжают доказывать
и сейчас, что вся жизнь является крайне маловероятным процессом.
В самом деле, нетрудно доказать, что жизнь не должна существо-
вать; это много легче, чем показать обратное. Но так как жизнь
все же существует, мы должны понять и объяснить ее. Таким обра-
зом, проблема имеет по крайней мере одно решение, которое уже
любезно для нас найдено. Могут ли пролить свет на первые стадии
эволюции новые сведения о структуре и функции внутриклеточных
частиц, самих организмов или паразитирующих на них вирусов?
Я уже указывал, что, коль скоро возникает серия идентичных
белковых молекул, возникают простейшие формы агрегации, обу-
словливающие образование оболочки вирусных частиц или дыха-
Молекулярные матрицы живых систем
89
тельных ферментов беспозвоночных. Более сложные органеллы —
частицы или мембраны — имеют, возможно, такое же происхо-
ждение.
Повсеместно распространенными и весьма загадочными орга-
неллами являются реснички или жгутики простейших, а вовсе
не жгутики бактерий, устроенные значительно проще. Сейчас
эти органеллы являются распространенным объектом электронно-
микроскопических исследований. Структура этих органелл, отли-
чающаяся исключительным постоянством, встречается в самых
неожиданных объектах. На большей части своей длины она состоит
из двуслойного тяжа, составленного из девяти элементарных фиб-
рилл, расположенных по окружности, и двух несколько отличных
фибрилл в центре. У основания, однако, видны одиночные утроен-
ные слои субфибрилл, образующих ряд спиралей вокруг полого
центра. Само основание образовано девятью фибриллами иного
характера, которые простираются внутрь тела клетки. Эта струк-
тура более сложна, чем структура больших бактериальных виру-
сов, таких, как Т2. Разумно предположить, хотя пока это нельзя
проверить экспериментально, что описанные структуры состоят
из набора белковых молекул, организованных определенным обра-
зом в соответствии с присущими им внутренними свойствами. Про-
стейшим организмом, обладающим такой структурой, являются
сами жгутиковые. Она выявляется также у всех высших животных,
в то же время у растений она не столь выражена. Иногда реснички
выполняют свою первоначальную функцию, являясь органами
движения или создавая ток жидкости, как это имеет место у спер-
матозоидов животных и у мужских элементов некоторых растений.
Они связаны также с процессом размножения. В модифицирован-
ной форме жгутики и реснички, по-видимому, важны для процессов
клеточного деления, которое они инициируют в качестве центро-
сом, или полярных телец. Характер деления центросом позволяет
связать их с рассмотренными ранее на примере вирусов и дыха-
тельных пигментов процессами.
Вполне возможно, что все подобные органеллы — эндоплазма-
тический ретикулум, митохондрии, рибосомы, тельца Гольджи,
лизосомы и центросомы — являются, попросту говоря, остатками
древних структур.
Центросомы не делятся; вместо этого по соседству со старой
появляется новая центросома, обычно ориентированная к ней
под прямым углом. Если выдвинутая здесь гипотеза образования
структур правильна, то следует предположить наличие в непо-
средственной близости от центросом специфических нуклеиновых
кислот, РНК и ДНК, которые синтезируют из обычных веществ
клетки специфические белки различных участков основания рес-
нички. Нечто подобное происходит при синтезе вирусного белка
90 Дж. Бернал
клеточными нуклеиновыми кислотами. Определение временных
характеристик этого процесса представляет трудность, являю-
щуюся частью общих трудностей, связанных с делением и диффе-
ренцировкой клетки. Длительное время основание реснички не
делится; затем деление наступает — и снова прекращается. Деле-
ние не носит непрерывного характера, как у вируса. Эксперименты
и наблюдения могут пролить свет на этот вопрос.
Мы можем предположить, что образование простых структур
и органелл предшествовало появлению самой клетки. Возможно,
специфические белки, синтезируемые в настоящее время в клетке,
несли еще и какие-то другие функции в отличие от тех, которые
они несут сейчас. Скорее всего, вначале они имели совершенно
иные химические и ферментативные функции. Возникновению
первых клеток предшествовала определенная биохимическая эво-
люция, которая, вероятно, продолжалась и в последующем. Рас-
смотрим в качестве примера эволюцию мышц. Проследить эволю-
цию сократительного механизма на примере развития так назы-
ваемой гладкой мускулатуры, которая сокращается медленнее,
невозможно; однако это легко сделать на поперечнополосатых
мышцах, имеющих правильную структуру, позволяющую провести
тщательный анализ. С появлением многоклеточных организмов
(это произошло в докембрийский период, по меньшей мере около
миллиарда лет тому назад), когда животные стали передвигаться
при помощи щупалец или членистых конечностей и совершать
плавательные движения при помощи хвоста или плавников, они
должны были использовать поперечнополосатую мускулатуру
того же типа, который мы встречаем ныне у моллюсков, членисто-
ногих и у хордовых..
Причина интенсивного действия мышц такого типа состоит
в том, что их действие зависит в основном от времени его протека-
ния; говоря на современном языке, они являются «машинами»,
работающими в реальном масштабе времени. Здесь впервые были
использованы динамические аспекты движения; важное значение
при этом приобретает инерция движущейся части или ее вес. Важно,
что все поперечнополосатые мышцы построены по единому плану,
как у ныне существующих, так, по-видимому, и у древних типов
организмов. Эту систему начинают понимать лишь в самое послед-
нее время. Она содержит по меньшей мере два элемента — гексаго-
нальную решетку миозина и решетку актина,— которые скользят
друг около друга, представляя собой поразительный механизм,
действующий по типу верньера. Интересно то, что это хитроумное
устройство было «изобретено», по-видимому, лишь один раз, а затем
было перенято всеми типами организмов. Это могло случиться
лишь потому, что сама структура построена из простых белковых
молекул (миозина и актина), объединяющихся благодаря процессу,
Молекулярные матрицы живых, систем
9J
названному мною синизомеризмом, причем возникает характерная
для поперечнополосатой мышцы структура.
Как я уже указывал, подобная структура должна была воз-
никнуть на сравнительно раннем этапе эволюции макроорганизмов,
а не на ранних этапах биохимической эволюции, поскольку потреб-
ность в систематическом динамическом движении отсутствовала
у одноклеточных животных, имеющих малые размеры. Прототипом
служило, по-видимому, движение ресничек, имеющее, возможно,
протомышечную природу. Это означает, что готовые белки могли
позже использоваться для образования новых динамических струк-
тур, в которых организмы ранее не нуждались.
Такое приспособление ранее сформированных белков и липи-
дов может, по-видимому, объяснить многие характерные особен-
ности клеточных органелл современных организмов. При всем
разнообразии органелл все они имеют нечто общее. Их сложность
в основном проявляется в форме мембран, разделяющих части
клетки и образующих границы митохондрий, ядер, аппарата Гольд-
жи и т. п. Ясно, что если бы действовали лишь элементарные силы
поверхностного натяжения, большинство примитивных биологиче-
ских систем имело бы простую сферическую форму. Для создания
внутренней ригидности необходимо было образование какой-то
внутренней фибриллярной сети, подобной той, например, которая
обнаружена в стекловидном теле глаза. Любая другая форма,
кроме сферической, предполагает наличие сравнительно нерастя-
гивающейся ригидной мембраны, имеющей цилиндрическую форму.
Большое разнообразие формы может достигаться за счет сложных
мембран, имеющихся, по-видимому, во всех клетках и образующих
в результате сворачивания и усложнения такие структуры, как
эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи и кристы мито-
хондрий. Опять-таки создается впечатление, что тип мембран
во всех названных структурах в высшей степени стандартизован.
Свертывание самих мембран, наблюдаемое в клетках высших орга-
низмов и у некоторых простейших (но не у бактерий), позволяет
считать, что во всех этих случаях мы имеем дело с гипертрофирован-
ными клетками. Смысл подобного свертывания состоит в дости-
жении большей поверхности при том же объеме.
В прошлом, когда имелись системы много меньшего размера,
все мембраны имели форму, близкую к сферической. В настоящее
время такие структуры находят лишь у очень простых бактерий—
кокков — или же у организмов, стоящих на границе между виру-
сами и бактериями,— так называемых микоплазм, из которых
лучше всего изучен возбудитель бычьей плевропневмонии. Это
настоящий организм; опо размерам он меньше некоторых вирусов
(имеющих около 500А в диаметре), но содержит полный набор
ферментов и нуклеиновых кислот (всего числом около 300) и может
92
Дж. Бернал
расти на искусственной среде. Разница между микоплазмами
и вирусами состоит в том, что последние — облигатные паразиты,
использующие нуклеиновые кислоты хозяина; возбудитель же
бычьей плевропневмонии нуждается в сравнительно высокоспе-
циализированных продуктах обмена хозяина (сложные гормоны,
витамины и т. п.), но не нуждается в его нуклеиновых кислотах.
Он сам полностью контролирует свое размножение. Довольно
трудно выяснить, являются ли микоплазмы древними организмами;
они слишком малы, поэтому их невозможно обнаружить в иско-
паемых остатках. Большинство структур современных микоплазм,
по-видимому, носит отпечаток облигатного паразитизма. Иными
словами, микоплазмы, пожалуй, являются дегенерировавшими,
а не примитивными формами. Однако они дают представление о неко-
торых возможных свойствах (в том числе о размерах) таких при-
митивных организмов.
Часто мы не учитываем физико-химических условий примитивной
Земли и, в частности, не рассматриваем столь важный аспект про-
блемы, как взаимосвязь со средой. Такой средой является в основ-
ном вода, содержащая умеренные концентрации ионов. Еще 20 лет
назад, проводя изучение упаковки частиц вируса табачной мозаики
при различных концентрациях солей и значениях pH, я смог пока-
зать, что эти большие молекулы взаимодействуют друг с другом
с образованием правильных структур даже bjom случае, если рас-
стояние между ними в среде достигает 4000 А. При этом сохраня-
лись равновесные расстояния, а следовательно, и правильные
структуры соответствующих размеров. Именно таким путем, напри-
мер, частицы крупного вируса Tipula организуются ов истинные
кристаллы с межплоскостными расстояниями 3500 А. Эти рас-
стояния можно измерить, как это было сделано Клугом, применив-
шим для этой цели метод дифракции. Точно так же в среде, содер-
жащей по крайней мере 85% воды, расстояния между нитями
миозина и актина в мышце остаются постоянными; иначе говоря,
образуется квазикристаллическая структура.
В большинстве случаев клетки высших организмов по размеру
гораздо больше вирусов и микоплазм; в то же время эти клетки
не имеют внутренних перегородок. В действительности усложнение
путем свертывания, о котором я говорил выше, таково, что нет
такой части клетки, которая бы не подвергалась влиянию дально-
действующих сил со стороны других ее частей; эти силы действуют
в жидкой среде, заполняющей клетку. Исключение, конечно,
составляют большие вакуоли, которые сами являются примерами
мембран, получивших сферическую форму благодаря осмотиче-
ским силам. Электронно-микроскопическое изучение клеток пока-
зывает, что эндоплазматические мембраны не обязательно должны
быть симметричными: так, рибосомы присутствуют только на шеро-
Молекулярные матрицы живых систем
93
ховатой стороне мембран; на гладкой стороне рибосомы отсутствуют.
Цельная клетка топологически может рассматриваться как очень
сложная система каналов, разделяющих вещество клетки на две
фазы с разными концентрациями белка и других макромолекул;
одна из этих фаз может быть названа эндоплазмой, а другая—эндо-
лимфой.
Все эти соображения необходимо принимать во внимание при
рассмотрении начальных стадий образования клеток или органелл.
Они подразумевают существование частиц, особенно полимерной
структуры, имеющих размеры в несколько десятков или даже сотен
ангстрем; при подходящих концентрациях они образуют коацер-
ваты, в промежутках между которыми может происходить кон-
центрирование молекул меньших размеров, таких, как молекулы
белков. До сих пор эти вещества или эти состояния материи изу-
чены мало. Возникновение организмов, т. е. окончание второй
стадии генезиса жизни, вряд ли может быть понято без большой
экспериментальной работы, в том числе без исследований в области
физической и коллоидной химии.
Только на таком пути мы сможем выяснить, как в действитель-
ности протекали начальные этапы жизни задолго до возникнове-
ния организмов, в частности требовали ли они, как я предположил
в свое время, наличия молекулярных слоев, адсорбированных
на частицах глины или вкрапленных в глину или в кристаллы
гидроокиси железа?
Изучая микроструктуры живых организмов, мы можем полу-
чить указания на их происхождение. С одной стороны, при этом,
вероятно, удастся выявить некоторые общие принципы, регули-
рующие не только жизнь на Земле, но и жизнь при иных условиях.
С другой стороны, можно будет выявить особенности, характерные
именно для земной жизни.
Общий философский вопрос, возникающий при анализе данных
современной молекулярной биологии, состоит в том, что почти
все структуры или функции являются результатом того, что может
быть названо «предписанием». Цепь ДНК не содержит ничего, что
можно было бы назвать описанием структуры, которая должна быть
создана, или активности, которая должна проявиться; шаблоны
специфического поведения, по-видимому, генетически встроены
в организм животного. Они возникают в результате получения
определенных инструкций, и конечный результат заложен в этих
инструкциях, которые должны реализоваться в результате целой
серии косвенных сдвигов. Согласно нашему антропоморфистскому
или, точнее говоря, техноморфистскому взгляду на вещи, созда-
ваемый объект или свойственная ему функция рассматриваются
как созданные предварительно. Люди работают по плану: даже
если лицо, выполняющее данную инструкцию, не представляет
94
Дж. Бернал
себе полностью весь план, оно все же знает, что кто-то этот план
составил. Очевидно, в природе все идет иначе. В строгом смысле
слова природа не «творит», хотя в более глубоком смысле может
быть это и так. Действительно, рассматривая во всей полноте
проблему самоэволюции химических или структурных механиз-
мов, на которых базируется жизнь, мы приходим к выводу, что эти
механизмы не могли предсуществовать заранее в виде некоей идеи.
Мы должны изучить, каким образом инструкция изменяется
в процессе создания окончательного организма. Вопрос о возмож-
ности наследования приобретенных признаков, очевидно, необхо-
димо пересмотреть заново в свете последних данных в области
молекулярной биологии, причем вполне возможно, что он окажется
бессмысленным.
Идея инструкции может оказаться плодотворной в приложении
к проблеме эволюции, особенно к проблеме биохимической эволю-
ции на ранних стадиях преджизни и жизни. При взаимодействии
молекул в среде, в которой сообщение между отдельными частями
системы затруднено, цепь процессов, начавшаяся с какого-то слу-
чайного события, может создавать условия, способные оказывать
влияние на все реагирующие молекулы. Применяя эту молеку-
лярную аналогию к дарвиновской концепции выживания наиболее
приспособленных организмов, можно сказать, что те процессы,
которые приводят к экономии материала или свободной энергии,
будут преобладать (принцип Горовица). Это позволит нам в какой-
то степени понять и оценить те границы, в которых возможно суще-
ствование и развитие жизни.
Опасно пытаться делать обобщения на основании одного при-
мера. Это утверждение справедливо и для жизни на Земле, хотя
она и изучена весьма обстоятельно. Очевидно, однако, что все
самовоспроизводящиеся системы имеют некоторые общие хими-
ческие свойства. Они должны постоянно поддерживать свою актив-
ность, или, во всяком случае, каким-то образом противостоять,
ее быстрым изменениям. Иными словами, они должны удовлетво-
рять законам, справедливым для термодинамической открытой
системы, энтропия которой остается приблизительно постоянной
благодаря подводу свободной энергии. Необходимым условием:
является, далее, сохранение и воспроизведение структуры путем
молекулярной репродукции, также необходимой для создания
любой структуры, способной образоваться самопроизвольно путем
модификаций или кристаллизации. Это в свою очередь подразу-
мевает копирование информации (вариации допускаются лишь-
изредка), хранение информации и механизм ее передачи. Геометри-
ческие соображения заставляют предположить, что передача инфор-
мации происходит при помощи полимерной цепи, т. е. носит в основ-
ном линейный характер. У земных форм жизни передача информа-
Молекулярные матрицы живых систем 95
ции осуществляется с помощью нуклеиновых кислот. Возможно,
что у других форм жизни эту роль будут выполнять другие поли-
меры, например такие, в которых связь между двумя основаниями,
содержащими фосфор, осуществляется не через посредство фосфата.
Точно так же обстоит дело в случае белка. Белок сохраняет свои
химические свойства посредством свертывания гетерополимерной
цепи. При упорядоченности расположения связей в цепи ее свер-
тывание определяется просто физико-химическими требованиями
минимальной энергии. Это справедливо для любого гетерополимера,
содержащего гидрофобные и гидрофильные группировки.
Высказанные соображения заставляют усомниться в том, что
существует лишь один-единственный путь возникновения жизни.
Мы можем определить жизнь как форму динамической реализации
квантовых характеристик атомов. Все формы жизни на Земле
едины в химическом отношении, но бесконечно разнообразны
по своей морфологий и проявлениям. Жизнь непрерывна генети-
чески и, по-видимому, она существовала в течение большей части
истории Земли. Жизнь самоподдерживается и самоизменяется.
Возможно (хотя доказать этого нельзя), что жизнь в той форме,
в какой она существует на Земле, возникла после вымирания или
смешения различных дожизненных форм. Если это так, то про-
исходило это на очень ранней стадии. Однако это в свою очередь
вовсе не означает неизменности жизни во Вселенной: вероятно,
существуют иные, совершенно отличные формы. Я хочу подчерк-
нуть, что, говоря о других формах, я не имею в виду различия
между организмами одной филогенетической группы или различия
между филогенетическими группами организмов на Земле; речь
идет о различиях в особенностях, общих для всех типов организмов
вообще,— я имею в виду наличие нуклеиновых кислот, белков,
ферментов и др.
Характер жизни на Земле определяется свойствами гидро-
сферы. Биосфера, являющаяся частью гидросферы, в определен-
ный период приобрела те особенности, которые она сохраняет
до настоящего времени. Радикально новые формы жизни могут
теперь возникнуть на Земле только в лаборатории.
Возникновение принципиально отличных друг от друга форм
жизни возможно только в отдельных, не сообщающихся между
собой биосферах. Такие формы жизни могут развиваться на огра-
ниченном числе планет в нашей или в иных солнечных системах.
Из физико-химических соображений следует, что всякая возмож-
ная форма жизни требует наличия жидкой водной среды; это озна-
чает, что биосфера любой планеты будет развиваться как часть
гидросферы. Следовательно, подходящим местом для развития
жизни могут служить только планеты, обладающие гидросферой.
Отсюда средняя температура излучения должна лежать в преде-
96 Дж. Бернал
лах между 0 и 100°, точнее, вероятно, между 20 и 60°, а притяжение
должно быть достаточно большим, для того чтобы вода не дисси-
пировала с поверхности планеты в окружающее пространство.
Иными словами, при данной температуре средняя скорость дви-
жения молекулы воды должна быть ниже скорости ее испарения.
Следовательно, в пределах нашей солнечной системы жизнь воз-
можна только на Земле и на Марсе. На Венере слишком жарко,
а Луна слишком мала. При расширении этой аналогии земная
жизнь может рассматриваться как один клон; все живые системы,
составляющие этот клон, имеют общее происхождение и распро-
странены только на Земле. На других планетах, если на них вообще
имеется жизнь, будут развиваться совсем иные клоны, которые
в принципе не могут смешиваться с земным клоном. Тем не менее
вполне возможны некоторые общие черты, которые я назову общими
свойствами жизни. Все это войдет в систему гипотетической общей
или инвариантной биологии, границы которой нам еще предстоит
определить. Будет, вероятно, столько же биологий, сколько суще-
ствует отдельных клонов жизни. Может быть, это разделение
не всегда будет столь абсолютным, а может и не существовать
вовсе там, где достигнута связь между планетными системами.
В этом случае возможна конкуренция между клонами, а также,
по-видимому, некоторое их смешение и адаптация. Мы можем
представить себе какую-то «сверхжизнь», полученную в результате
сочетания лучшего, что имеют различные клоны.
Этими рассуждениями я завершу свои замечания. Как вы видите,
они не ограничены каким-либо частным вопросом, связанным
с молекулярными матрицами. Если лишь немногое из того, что
я сказал, может быть немедленно проверено, то я надеюсь, что
не сказал ничего, что может быть немедленно опровергнуто.
Вначале я сказал, что моя цель заключается в основном в том,
чтобы поставить вопросы; однако они потонули в большом разъяс-
нительном материале.
Проблема сейчас не просто в постановке экспериментов или
выяснении цепи химических реакций. Необходимо вскрыть, насколь-
ко эти химические реакции соответствуют упорядоченной согла-
сованности и удовлетворяют одному из основных и необходимых
признаков жизни, а именно что она на всех этапах должна быть
самосогласующейся. Сделать это одному человеку очень трудно.
Вот почему я считаю исключительно плодотворными встречи уче-
ных различных специальностей. Мне бы хотелось, например, чтобы
было больше публикаций для целей внутренней информации в фор-
ме писем, содержащих соображения по проблеме биопоэза и библио-
графию.
Ниже помещены вопросы в том порядке, в каком они были
поставлены в настоящем докладе. Я постарался поставить их здесь
Молекулярные матрицы живых систем
97
в такой форме, которая делает их самоочевидными; если, однако,
понадобятся дополнительные разъяснения, то их можно найти
несоответствующих местах доклада.
1. Являются ли известные нам формы жизни случайными или
необходимыми?
2. Имеются ли какие-нибудь данные о том, что распростра-
ненные в космосе элементы •— водород, углерод, азот и кислород —
являются основой принципиально иных форм жизни?
3. Как из возможных путей возникновения жизни на Земле
выделить истинный путь?
4. Какое из различных исследований по синтезу простейших
соединений имеет отношение к проблеме возникновения жизни?
5. Являются ли углистые соединения метеоритов похожими
на те, которые рассматриваются на Земле как возможные пред-
шественники жизни?
6. Являются ли эти соединения продуктами предшествовавшей
жизни на родительских телах метеоритов?
7. Содержатся ли в углистых метеоритах такие вещества, как
пурины?
8. Образовалось ли углистое вещество метеоритов из метеорит-
ной пыли при действии излучения с последующей конденсацией
в результате потери газов и воды?
9. Образовался ли первичный материал, из которого возникла
жизнь на Земле, из ранее существовавших углистых соединений
метеоритов, образовавших Землю, или же он возник на ее по-
верхности или в атмосфере под действием излучения (гипотеза
Опарина — Холдейна)?
10. Протекала ли вторая стадия биопоэза (превращение низко-
молекулярных соединений, таких, как пурины и аминокислоты,
в нуклеиновые кислоты и белки) в основном в гидросфере?
11. Как произошли сами основные элементы системы биосин-
теза молекул?
12. Возможны ли системы, аналогичные механизму нуклеи-
новая кислота — белок, способные функционировать на основе
гораздо более простых молекулярных структур?
13. Существовала ли жизнь в смысле обмена метаболитов
и использования свободной энергии до появления отдельных орга-
низмов?
14. Протекали ли первые стадии жизни в водной среде или же
на поверхностях, в частности на частицах глины или окиси железа?
15. На какой стадии впервые появились коллоидные коацер-
ваты?
16. Было ли ферментативное действие сначала осуществлено
протоферментами координационного типа при участии переходных
металлов?
98
Дж. Бернал
17. Какими были первые протоферменты?
18. Привела ли полимеризация нуклеотидных протоферментов
к образованию нуклеиновых кислот?
19. Был ли цикл нуклеиновая кислота — белок необходим
для образования элементов структуры органелл и клеток?
20. Образовались ли органеллы путем ассоциации специфиче-
ских белков, полученных в клетке в результате псевдокристалли-
зации?
21. Как из набора сравнительно простых химических веществ
может развиться весь сложный метаболический механизм вос-
произведения без помощи каких-то предобразованных структур?
22. Нельзя ли предположить, что центросома является изме-
ненной формой основания ресничек и воспроизводится в клетке
при помощи механизма, аналогичного механизму воспроизведения
вирусов?
23. Нельзя ли считать, что клеточные органеллы образовались
по аналогичному механизму? Иными словами, не являются ли
они реликтами ранее возникавших автономных структур?
24. Не происходят ли молекулярные структуры, лежащие
в основе функционирования мышц, от примитивных молекул типа
миозин-актин, не обладавших первоначально сократимостью?
25. Является ли сложное свертывание мембран в клетках
и митохондриях доказательством того, что клетки были когда-то
гораздо мельче и содержали только сферические частицы?
26. Можно ли предположить, что клетка содержит участки
с высокой и низкой концентрацией белка, разделенные полупро-
ницаемой мембраной?
27. Если биологическая структура и функция предопределяются
инструкцией, заключенной в некоем носителе кода, то как влияют
результаты выполнения инструкции на сам носитель?
28. Каковы общие условия, необходимые для возникновения
жизни в любой форме?
29. Является ли единство жизни на Земле первичным или же
это результат смешения предшествовавших частных форм жизни?
30. Если жизнь возникает в гидросфере, то можно ли утвер-
ждать, что формы жизни в гидросферах различных планет прин-
ципиально различны?
31. Можно ли считать, что жизнь на Земле отражает свойства
форм жизни, образующихся в любой гидросфере?
32. Могут ли различные формы жизни, возникшие в различных
гидросферах, смешиваться друг с другом?
ВСТУПИТЕЛЬНОЕ СЛОВО К ДОКЛАДУ ОПАРИНА
ДЖ. ХОЛДЕЙН
Genetics and Biometry Laboratory, Bhubaneswar, India
Представить вам профессора Опарина является для меня
и приятным и легким долгом. Опарин и я заинтересовались обсу-
ждаемой проблемой очень давно. Однако между нами большая
разница, ибо, в то время как я не разбираюсь глубоко в этой проб-
леме, Опарин посвятил ей всю жизнь.
Я уверен, что нам будет чрезвычайно интересно выслушать
сообщение проф. Опарина, посвященное истории вопроса. Еще
сравнительно недавно люди думали, что человек возник в резуль-
тате акта божественного творения, а личинки самозарождаются
в заплесневелом сыре, причем такое самозарождение — явление
обычное и не имеющее большого значения. Теперь мы знаем, что
человек возник в процессе эволюции, а спонтанное зарождение,
где бы оно ни встречалось, представляет собой явление редкое
и очень важное. И именно этот вопрос требует пристального и серьез-
ного изучения.
ИСТОРИЯ ОСНОВНОЙ ПРОБЛЕМЫ СИМПОЗИУМА
А. И. О П А Р И Н
Институт биохимии им. А. Н. Баха, Академия наук, Москва, СССР
Поскольку изложение будет по необходимости чрезвычайно
кратким, оно окажется несколько более догматичным, чем мне
хотелось бы.
В естествознании имеются три важнейшие проблемы, занимав-
шие человечество во все времена. Чтобы разрешить эти три проб-
лемы, их нужно рассматривать только вместе, в их взаимосвязи.
Первая из них — природа жизни, вторая — возникновение жизни
и, наконец, третья — распространение жизни во Вселенной. Воз-
можность решения третьей проблемы становится вполне реальной
в связи с космическими полетами.
Уже Гераклит, а позднее Аристотель указывали, что для позна-
ния природы вещей необходимо знать их происхождение. Конечно,
эти мудрые слова применимы и к познанию природы жизни, кото-
рая также может быть понята только в свете ее происхождения.
Основным свойством всего живого является приспособляемость
живого вещества, адаптация организма i условиям внешней среды
и приспособленность его частей к функциям, которые они выпол-
няют в жизни организма как на молекулярном, так и на клеточ-
ном уровне.
Явление приспособляемости можно понять только в свете изуче-
ния возникновения и развития жизни.
Таким образом, мы видим, что проблема сущности жизни и проб-
лема ее происхождения неразделимы, являются двумя сторонами
одной медали.
Точно так же имеется тесная связь между проблемой происхо-
ждения жизни и проблемой распространения жизни в космосе.
Как правило, попытки доказать возможность жизни на Марсе,
Венере и других планетах, основывались на следующих подходах.
Изучались условия, существующие на поверхности этих планет,
и ставился вопрос, могут ли существовать в этих условиях организ-
мы, подобные тем, которые существуют на Земле. Это ошибочный
подход. Жизнь — продукт определенной среды, она меняется сама
и изменяет окружающую среду, приспосабливаясь к среде и при-
спосабливая среду для себя.
История основной проблемы симпозиума
101
Вообразим на минуту, что жизни на суше не существует. В этом
случае принять возможность существования вневодной жизни
было бы очень трудно. С точки зрения медузы жизнь на суше
является абсолютной бессмыслицей. Подобная форма жизни могла
возникнуть только благодаря сложному процессу адаптации назем-
ных организмов к водному обмену вне гидросферы.
В настоящее время становится все более общепризнанным, что
земная жизнь возникла не случайно, а вполне закономерно. Воз-
никновение жизни является частью общего процесса эволюции
Вселенной. Задача состоит в том, чтобы, изучив имеющиеся дан-
ные, выявить общие закономерности этого развития как у нас на
Земле, так и на других телах Вселенной. Человеческое мышление
шло в своих заключениях сложным зигзагообразным путем, от-
брасывая многие ошибочные предположения. Самым распростра-
ненным было предположение о том, что организмы возникли
и продолжают по сей день внезапно возникать в неорганической
природе.
Это предположение не вытекало из какой-либо определенной
теоретической предпосылки, а базировалось на наивном истолко-
вании того, что окружает нас в природе. Это убеждение было совер-
шенно аналогично мнению, что Солнце выходит из-под Земли на
востоке и куда-то исчезает, когда заходит на западе. Подобно этому,
представление о спонтанном зарождении в старые времена призна-
валось как очевидный эмпирический факт.
Различные школы просто пытались дать этому общепризнанно-
му «факту» то или иное теоретическое обоснование. Позднее, на заре
европейской цивилизации, в эпоху греческих философов в решении
этой проблемы выявились два четких направления: одно связано
с именем Платона, другое — Демокрита. Согласно первой точке
зрения, какое-то духовное начало оживило мертвую материю,
тогда как, согласно второй точке зрения, допускалось внезапное
зарождение жизни при самоформировании инертной материи.
В течение многих веков главенствовали взгляды Платона,
и фактически их все еще продолжают признавать виталисты и неови-
талисты. Учение Демокрита было отодвинуто на задний план
и снова полностью возродилось только в XVII в. в трудах Декарта.
В действительности эти две точки зрения различались только
в понимании источника происхождения; в то же время обе они
в равной мере признавали возможность спонтанного зарождения.
С середины XVII в. в результате более глубокого изучения природы
люди стали все больше и больше сомневаться в правильности этого
предположения. Важные открытия Реди, Спалланцани и Пастера
позволили отвергнуть этот многовековой предрассудок.
Тем не менее опровержение теории спонтанного зарождения
не продвинуло решения проблемы возникновения жизни вперед
102
А. И. Опарин
и даже на некоторое время как бы подорвало основу научного
исследования вопроса, так как только в спонтанном возникновении
организмов в природе или в лаборатории видели единственно воз-
можный путь разрешения проблемы. Поэтому в конце прошлого
и начале нынешнего века проблема происхождения жизни оказа-
лась в состоянии кризиса. Она была объявлена неразрешимым вопро-
сом, работа над которым недостойна внимания серьезного ученого.
Многие естествоиспытатели стали даже утверждать, что эта пробле-
ма относится скорее к области веры, чем знания. Другие пытались
уйти от решения вопроса о происхождении жизни, выдвигая пред-
положение о том, что жизнь вообще не возникала на Земле, а была
занесена на нашу планету извне, с других небесных тел. По этому
поводу появилось много остроумных гипотез, но ни одна из них не
приближала нас хоть сколько-нибудь к решению основной пробле-
мы: как же возникла жизнь, если не на Земле, то где-либо еще?
Развитие дарвиновского учения об эволюционном пути образо-
вания всех современных живых существ из более примитивных
форм жизни еще более обострило интересующую нас проблему,
так как это учение настойчиво потребовало ответа на вопрос о пер-
вичном возникновении тех организмов, которые явились родона-
чальниками всего живого на Земле.
Предположение о возможности такого возникновения на основе
эволюционного развития материи высказывалось Тиндалем, Шеф-
фером и Тимирязевым. Однако это предположение наталкивалось
на общепринятую тогда доктрину," согласно которой органические
вещества в природе могут возникать только биогенным путем. Это
создавало, казалось непреодолимый, порочный круг, так как для
того, чтобы понять, как в процессе эволюции могли возникнуть
живые организмы, необходимо было объяснить, как появились
органические вещества. Но если эти вещества могут возникать толь-
ко при помощи организмов, задача представляется не разрешимой.
Однако утверждение о возможности образования органических
веществ только биогенным путем было основано лишь на том поло-
жении, которое существует на нашей планете в современную эпоху
ее существования.
Если мы расширим рамки наших исследований, результат полу-
чится другой. Изучение других небесных тел (звезд, межзвездной
газово-пылевой материи, планет, комет и метеоритов) показало,
что повсюду в окружающем нас мире происходит образование про-
стейших органических веществ совершенно независимо от жизни.
Наша планета в этом отношении тоже не представляла какого-
либо исключения. Согласно современным данным, есть все основа-
ния считать, что в предбиологическую эпоху органические вещества
возникали на Земле абиогенным путем, подобно тому, как это имеет
место на других небесных телах. (В связи со сказанным мне хоте-
История основной проблемы симпозиума
103
лось бы приветствовать присутствующего здесь профессора Холдей-
на, работы которого сыграли большую роль в деле правильного
разрешения данного вопроса.)
В настоящее время имеется большой фактический материал,
показывающий, что при формировании земной коры должны были
возникать исходные органические вещества — углеводороды.
Формирование земной коры не может считаться завершенным
и в настоящее время. Геологические изыскания в ряде пунктов
земного шара показывают, что при этом происходит образование
как газообразных, так и жидких углеводородов.
Исключительно интересны исследования, проведенные недавно
в Апатитах на Кольском полуострове. В этом районе наблюдалось
возникновение углеводородов в условиях, исключающих возмож-
ность их биогенного происхождения. Другим источником угле-
водородов на Земле служат метеориты и кометы, что особенно
подчеркивал присутствующий здесь проф. Оро. Интересно отме-
тить, что, судя по последним данным, Тунгусский метеорит, упав-
ший в Средней Сибири в 1908 г., представлял собой ядро кометы.
Абиогенное образование углеводородов и циана, явившееся
первой ступенью в развитии органической материи, не вызывает
в настоящее время никаких сомнений, поскольку указанное образо-
вание можно наблюдать непосредственно. Эти углеродные соеди-
нения можно обнаружить на всех небесных телах, доступных для
изучения; поэтому обсуждая вопрос о возможности существования
жизни на других небесных телах, следует принимать во внимание
факт повсеместного распространения этих простейших органиче-
ских соединений.
Гораздо труднее вопрос о превращении этих простейших соеди-
нений в более сложные мономеры и соединения типа белков и
нуклеиновых кислот.
Несомненно, что условия, предположительно существовавшие
когда-то на абиогенной Земле, отличались от современных. Прежде
всего необходимо отметить отсутствие свободного кислорода в тог-
дашней атмосфере и широкий доступ ультрафиолетовых лучей.
Однако, как это ни парадоксально, самым главным различием
является отсутствие живых существ. Эволюция органических ве-
ществ на Земле могла иметь место только в отсутствие живых
организмов.
Еще Дарвин в одном из своих писем указывал, что, если бы
в каких-нибудь современных водоемах могли возникнуть те или
иные органические вещества, они бы были немедленно поглощены
и переработаны обитателями этих водоемов.
При существующих условиях длительная эволюция органиче-
ских веществ невозможна. Поэтому мы не можем приблизиться
к решению нашей проблемы путем непосредственных наблюдений
104
А. И. Опарин
в природе. Все, что мы можем сделать, это попытаться воссоз-
дать в лаборатории те условия, которые предположительно должны
были существовать в предбиологический период существования
Земли, и посмотреть, какие вещества могут возникать в подоб-
ных условиях.
Исследования геологов, например работы голландского геолога
Руттена, в значительной мере способствовали развитию представле-
ний о тех условиях, которые могли существовать на абиотической
ступени развития Земли. Эти исследования указали верный путь
экспериментального решения данной проблемы.
Вслед за исследованиями Миллера по образованию органиче-
ских веществ при действии электрического разряда, продолженных
моими сотрудниками Павловской и Пасынским, многие другие уче-
ные (перечислять их имена нет необходимости), в том числе и здесь
присутствующие, внесли значительный вклад в изучение происхо-
ждения органических веществ на примитивной Земле. Это относится
к образованию аминокислот, пуринов, пиримидинов и порфиринов,
а также к возникновению белковоподобных полимеров и полимеров
типа нуклеиновых кислот. (Мне бы хотелось упомянуть здесь о том
огромном впечатлении, которое в 1955 г. произвели на меня иссле-
дования д-ра Акабори по вопросам происхождения белковых поли-
меров и полипептидов.) Недавно появилась замечательная работа
д-ра Шрамма по вопросу абиогенеза органических веществ, о чем
он, вероятно, сам здесь расскажет.
Конечно, проблема происхождения «питательного бульона»’в пер-
вичном океане очень сложна. Она была подвергнута широкому обсу-
ждению на Московском симпозиуме (1957 г.). Мы, очевидно, продви-
немся еще дальше в решении этой проблемы на данном симпозиуме.
Однако в настоящее время проблема в основном заключается
не столько в том, как образовался «первичный бульон», а в том,
каким образом в этом «бульоне» возникли первые живые организмы.
По этому поводу существуют две точки зрения. Согласно одной
из них, появление организмов шло путем молекулярной эволюции.
В исходном «первичном бульоне» возникали молекулы со случайным,
беспорядочным расположением мономеров. В процессе дальнейшей
эволюции постепенно возникали молекулы с упорядоченной и более
совершенной последовательностью, появлялись более совершен-
ные системы, приближающиеся к РНК современных организмов.
Согласно другой точке зрения, эти изменения происходили
внутри дискретных многомолекулярных систем, отграниченных
от окружающей среды. Фактически эволюции подвергались указан-
ные многомолекулярные системы, способные к взаимодействию
с внешней средой. Таким путем возникал обмен веществ, направ-
ленный на постоянное самосохранение и самовоспроизведение
всей системы в целом.
История основной проблемы симпозиума
105
Мне кажется, что настоящий симпозиум внесет большой вклад
в решение этой проблемы. Этап общих рассуждений уже остался
позади. Все разногласия теперь следует разрешать посредством
экспериментов.
В этой связи чрезвычайно важное значение приобретает сравни-
тельная биохимия. Изучая метаболизм на различных ступенях
эволюционного развития, можно надеяться установить его началь-
ные стадии. Исходя из этих наиболее примитивных форм метабо-
лизма, мы сможем попытаться воспроизвести исходную самозаро-
ждающуюся и самосохраняющуюся систему. Будем надеяться,
что этот симпозиум приведет если не к решению основных проблем,
то по крайней мере к определению правильного направления,
по которому пойдет в дальнейшем исследование проблемы возник-
новения жизни.
ОБСУЖДЕНИЕ ДОКЛАДА
Гроссенбахер. Я хочу задать один вопрос. Ваше изло-
жение истории вопроса было настолько стремительным, что я немного
растерялся. Как бывшему учителю биологии, на которого про-
извели большое впечатление ваша книга и ваш анализ того факта,
что отсутствие жизни явилось необходимой предпосылкой ее воз-
никновения, мне бы хотелось знать, как вы пришли к этой мысли.
Я не думаю, что она идет от Дарвина, поскольку известное письмо
было опубликовано только в сороковых годах нашего века.
Опарин. Я высказал эту мысль независимо от Дарвина
в своей первой книге, но приоритет все же остается за ним.
Г россенбахер. Благодарю вас. Мне бы хотелось еще
сказать, что Чемберлен в 1916 г. опубликовал книгу о происхо-
ждении мира; в последней главе он также высказал эту мысль.
Но вы, вероятно, как я и многие другие, не читали ее. Однако она
была опубликована в 1916 г.
Холдейн. Кто автор книги?
Г россенбахер. Чемберлен, с геологического факультета
Чикагского университета.
П и р и. Шефер высказал эту мысль в своем послании прези-
дента к Британской асоциации в 1912 г.; в своем выступлении
в Британской ассоциации в 1896 г. он приписал ее Аллену. Бри-
танская ассоциация опубликовала лишь краткое изложение этого
выступления, но, возможно, где-нибудь имеется и более полный
отчет об этом заседании.
Б у х а н а н. На основании чего доктор Опарин пришел к мысли
о том, что сложные органические молекулы синтезируются из
метана, аммиака, воды и водорода?
Опарин. В опубликованной около 40 лет назад (в 1924 г.)
книге я писал, что меня натолкнуло на эту мысль предположение
106
А. И. Опарин
Менделеева о неорганическом происхождении нефти (эта гипотеза
впоследствии отвергалась многими геологами). Помимо этого, важ-
ное значение для нас имело обнаружение метана в атмосфере боль-
ших планет. Но в настоящее время наличие там метана вряд ли
можно считать имеющим какое-либо отношение к процессам на
Земле.
Во всяком случае, согласно Юри, метан, входящий в состав
газообразного облака, из которого образовалась Земля, улету-
чился оттуда под влиянием высокой температуры и осел в замерз-
шем состоянии на больших дальних планетах.
Саган. Раз речь зашла об астрономии, разрешите мне привести
дополнительную историческую справку. Мысль о том, что Вселен-
ная первоначально имела восстановительный характер, впервые
была высказана в 1929 г., когда Генри Норрис Рассел опубликовал
свой классический труд о химическом составе Солнца, в котором
он показал, что водород является преобладающим компонентом
солнечной фотосферы.
В работах Руперта Вилдта (первая из них вышла в 1931 г.)
впервые сообщается о том, что в атмосфере планет типа Юпитера
содержатся метан и аммиак. Следовательно, убедительное астро-
номическое подтверждение восстановительного характера условий
примитивной Земли было, по-видимому, получено не ранее 1929 г.
Проф. Холдейн совершенно независимо привел аргумент, осно-
ванный на анаэробном характере ранних ступеней гликолитического
пути обмена веществ, присущего многим организмам. Более позд-
ние ступени, многие из которых являются аэробными, значительно
более разнообразны.
Если я не ошибаюсь, приведенный Холдейном аргумент был
опубликован до появления в печати вышеупомянутых астрономи-
ческих работ.
Холдейн. Я почти не сомневаюсь в том, что приоритет при-
надлежит не мне, а проф. Опарину. К своему стыду, я не читал
его ранней работы и поэтому не могу ничего сказать. Однако,
насколько я помню, мои первые печатные работы появились в 1927 г.,
а его — в 1924 г.; в моей маленькой статье вряд ли можно было
найти что-либо новое, чего бы не было в его книге.
Часть II
МИКРОМОЛЕКУЛЫ
РЕЧЬ ПРЕДСЕДАТЕЛЯ
ДЖ. Б У X А Н А Н
Division of Biochemistry, Department of Biology, Massachusetts
Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts
Результаты, полученные за последнее десятилетие несколь-
кими группами исследователей, свидетельствуют о возможности
образования абиогенным путем в определенных условиях, моде-
лирующих предбиологические, целого ряда биологически важных
соединений из таких простых предшественников, как метан, аммиак,
водород и вода. К числу таких биологически важных соединений
относятся органические кислоты, пурины, пиримидины и многие
аминокислоты. Продемонстрирована также возможность синтеза
аденозина. В особых условиях при использовании этилового эфира
метафосфорной кислоты удалось синтезировать адениловую кис-
лоту.
В настоящее время синтезированы многие, если не все, низко-
молекулярные соединения, являющиеся составными компонентами
макромолекул. Тот факт, что в условиях, имитирующих условия
атмосферы примитивной Земли, может иметь место синтез такого
количества соединений, кажется поразительным, по крайней мере
с точки зрения биохимика. Однако не вызывает, по-видимому,
сомнений, что все эти соединения термодинамически и энергети-
чески являются наиболее вероятными продуктами.
Сейчас перед нами стоит очередная весьма сложная задача —
выяснить, каким образом могло происходить образование функ-
циональных макромолекул. Установлено, что низкомолекулярные
соединения способны агрегировать с образованием биологически
неактивных макромолекул. Вопрос о возникновении биологически
активных соединений представляет значительные трудности. Мы
считаем, что такие соединения могли образоваться не в резуль-
тате случайного появления высокоспециализированного фермента,
а путем эволюции макромолекул, обладающих определенными
преимуществами с химической и биологической точек зрения.
Здесь обсуждался вопрос о том, что появилось раньше — био-
логически активная нуклеиновая кислота или белок. Я придер-
живаюсь точки зрения Рича, сформулированной им в сборнике
Горизонты биохимии». Она сводится к тому, что появление нуклеи-
но
Дж. Буханан
новых кислот как носителей генетической информации и ферментов
как биохимических катализаторов ни к чему бы не привело без
системы, обеспечивающей передачу информации первых и постоян-
ный синтез последних. Рич полагает, что на одной из самых ранних
стадий химической эволюции должна была иметь место эволюция
механизма передачи информации, т. е. возникновение функций
активирующего фермента и транспортной РНК.
Транспортная РНК, помимо того, что она играет важнейшую
роль в процессе передачи информации, вообще является ключевым
соединением в эволюции предбиологических систем. Она состоит
примерно из 75 нуклеотидов; некоторые из них содержат необыч-
ные основания, например тимин, метилированные производные
гуанина и аденина и 5-замещенное производное урацила (например,
в случае псевдоуридина). Согласно всем критериям, это низко-
молекулярная РНК; ее молекулярный вес составляет всего 25 000,
тогда как некоторые типы нуклеиновых кислот имеют молекуляр-
ный вес около 100 миллионов. Большая часть молекулы транспорт-
ной РНК (около 80%) представляет собой двойную спираль.
Отсюда примерно 20% молекулы составляют неспаренные осно-
вания. Согласно представлениям Кантони, молекула транспортной
РНК состоит из трех частей: концевого участка, играющего роль
акцептора аминокислот и имеющего последовательность ЦЦА,
основной спирализованной части и, наконец, петли, содержащей
неспаренные основания. Несомненно, это — чрезмерное упрощение,
поскольку, вероятно, в молекуле имеется не один, а несколько
участков, содержащих неспаренные основания. Кантони считает,
что указанные участки, называемые им «нодок» (nodoc), имеют
определенную последовательность оснований, спаривающихся с ком-
плементарным триплетом информационной РНК. Таким образом
происходит кодирование одной аминокислоты.
Мне представляется вероятным, что структура области нодока
молекулы транспортной РНК не только обусловливает взаимодей-
ствие с соответствующим триплетом информационной РНК, но также
обеспечивает химическое сродство концевого, акцепторного участка
транспортной РНК именно к данной аминокислоте. В отсутствие
активирующего фермента (или вообще в отсутствие ферментов)
указанное сродство может выражаться в увеличении реакционной
способности данной транспортной РНК в отношении всех 20 амино-
кислот. Вполне возможно, что возникновение абсолютной специ-
фичности данной транспортной РНК к определенной аминокислоте
возникло только после появления ферментов, активирующих амино-
кислоты.!
Относительно природы активированных аминокислот, с кото-
рыми вступали в реакцию первичные транспортные РНК, мы лишь
можем строить предположения. По-видимому, это были аминоаци-
Речь председателя
111
ладенилаты, которые в свою очередь могли образоваться нефер-
ментативным путем из аминокислот и АТФ за счет энергии в абио-
генных условиях примитивной Земли. Синтезированные химическим
путем аминоациладенилаты обладают исключительно высокой реак-
ционной способностью и, как показали Майстер и сотрудники,
могут образовывать полипептиды в результате спонтанной реакции.
Поэтому вполне возможно, что эти соединения могли вступать-
в спонтанное взаимодействие с транспортной РНК, причем ско-
рость реакции определялась структурой транспортной РНК-
Помимо всего вышеизложенного, имеется еще несколько сообра-
жений, позволяющих приписать транспортной РНК главенствую-
щую роль в эволюции предбиологических систем. Мы уже гово-
рили о том, что транспортные РНК обладают небольшим молеку-
лярным весом. В силу этого весьма велика вероятность случайного
образования таких макромолекул РНК, характеризующихся пра-
вильной последовательностью оснований. Более того, вероятность,
оказывается значительно более высокой, если учесть, что опре-
деляющее значение имеют нуклеотиды, расположенные в области
нодока, тогда как последовательность нуклеотидов в спирализован-
ной части молекулы особенно важной роли в функции транспортной
РНК как акцептора аминокислот не играет. Далее, если и следует
принимать во внимание последовательность расположения нуклео-
тидов на спирализованном участке, то на самом деле учитывать
следует лишь 28 нуклеотидов, а не 56, так как последовательность
половины нуклеотидов спирализованного участка определяется
последовательностью другой половины. Вполне возможно, что
нуклеотиды спирализованного участка молекулы играют какую-то
роль во взаимодействии транспортной РНК с активирующим фер-
ментом; в таком случае для современных систем они имеют более
важное значение, чем для предбиологических систем.
Второе обоснование важной роли транспортной РНК в эволюции
сводится к тому, что в эволюции сложной системы передачи гене-
тической информации и синтеза полипептидов каждая стадия про-
ходила как ряд независимых друг от друга событий. Образо-
вание каждой транспортной РНК, ответственной за активацию-
данной аминокислоты, происходило независимо от синтеза других
транспортных РНК.
Последнее соображение заключается в том, что триплетный
код для аминокислот не является неизменной или совершенной
системой. Для некоторых триплетов отмечена как вырожденность,
так и неоднозначность функции: известно, например, что для:
фенилаланина имеются четыре триплета, причем один из них,
УУУ, может кодировать как фенилаланин, так и лейцин. Если
согласиться с предположением о том, что акцепторная способность-
транспортной РНК в отношении данной аминокислоты опреде-
112
Дж. Буханан
ляется структурой области нодока, то можно представить себе
существование более чем одной последовательности для одной
и той же цели.
Данное предположение совсем не касается вопроса о возник-
новении полноценной информационной РНК или о функции пер-
вого полноценного ферментного белка. Вполне вероятно, что роль
такого первого фермента играл либо активирующий фермент,
либо РНК-полимераза, или же один из ферментов, катализирую-
щих реакцию полимеризации аминокислот из аминоацил-РНК.
Появление какого-либо из этих белков значительно повысило бы
эффективность сложной системы, необходимой для синтеза белка.
В заключение заметим, что основная предпосылка нашего
предположения может быть проверена экспериментально. Изве-
стно, что аминоациладенилаты были синтезированы химическим
путем, а некоторые транспортные РНК выделены в чистом виде.
Представляет интерес сравнить скорость неферментативного взаимо-
действия аминоациладенилатов с отдельными транспортными РНК
и скорость соответствующей ферментативной реакции.
Высказывая все эти предположения, я не могу не вспомнить
Алису, проникшую через кроличью норку в Страну Чудес, в мир
нереального. При рассмотрении столь сложной проблемы, как
вопрос об эволюции предбиологических систем, исследователь
может позволить себе полет на крыльях воображения, недопусти-
мый в обычном научном исследовании. Этой попыткой оправдаться
я заканчиваю свое выступление и представляю слово д-ру Дж. Вал-
лентайну. Его доклад носит название «Два аспекта геохимии амино-
кислот».
ДВА АСПЕКТА ГЕОХИМИИ АМИНОКИСЛОТ 1
ДЖ. ВАЛЛЕНТАЙН
Department of Zoology, Cornell University, Ithaca, New York
I. АМИНОКИСЛОТЫ В МЕТЕОРИТАХ
А. ВВЕДЕНИЕ
Каплан и сотр. [9] провели исследование восьми углистых
и пяти неуглистых хондритов на содержание в них различных типов
органических соединений, в том числе свободных и связанных
аминокислот. Оказалось, что метеорит Лансе (Lance) отличается
исключительно высоким содержанием связанных аминокислот;
в остальных семи углистых хондритах общее содержание амино-
кислот в среднем составляет 49 мкг!г, тогда как в неуглистых
хондритах их содержание составляет всего 18 мкг!г. Особенно
поразителен факт обнаружения аминокислот в каменных хондри-
тах. Обсуждение природы органических соединений, присутствую-
щих в метеоритах, и дискуссия по поводу «организованных эле-
ментов» опубликованы в книге, вышедшей под редакцией Надя [13];
сведения об этих вопросах можно получить также и в ряде других
работ [8, 10, 20, 21].
Б. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Для работы были использованы химически чистые раствори-
тели, причем все они, за исключением аммиака, непосредственно
перед употреблением перегонялись. (Аммиак в концентрации,
в 10 раз превышающей концентрацию, применявшуюся в опыте,
не содержал даже следов аминокислот.) Деионизацию дистилли-
рованной воды проводили с помощью пропускания через колонки,
наполненные амберлитом IR120 (Н-форма) и амберлитом IR400
(ОН-форма), и последующего фильтрования через предварительно
промытый фильтр «Миллипор» НА с размером отверстий 0,45 мк.
Эта операция позволяет удалить различные мельчайшие частицы,
обычно присутствующие в дистиллированной воде. Прямой анализ
1 Этот доклад был заново переписан после конференции, в него были
включены материалы по вопросу о загрязнении, вызываемом смолами, под-
нятом ранее Оро, а также сведения о сходстве аминокислот, найденных
в метеоритах, с аминокислотами живых организмов, о чем говорил в свое
время Холдейн.
114
Дж. Валлентайн
показал, что в 10 л дистиллированной воды содержится менее
0,5 мкг свободных аминокислот.
В работе были приняты особые меры предосторожности против
загрязнений. Колонку с ионообменной смолой, применявшуюся
для удаления солей из растворов, регенерировали только раство-
рами, приготовленными на деионизированной воде, предварительно
пропущенной через фильтр «Миллипор». Пробы и экстракты метео-
ритного вещества в процессе исследований находились в контакте
с совершенно чистым стеклом; лишь в одном случае была исполь-
зована фильтровальная бумага — для фильтрации солянокислого
экстракта метеоритного вещества [14]; маловероятно, что при
этом имело место сколько-нибудь серьезное загрязнение. Воздух
внутри установки для перегонки очищался от пыли путем про-
пускания через стеклянную вату толщиной 4 см. Кроме того, всю
процедуру экстракции, деионизации и концентрирования экстрак-
тов проводили 1Q час в течение того времени, что пробирки были
открыты. Пробы до начала анализа хранили при 4° в сухом со-
стоянии.
Несмотря на все попытки предотвратить загрязнение (а может
быть, как раз из-за них), такое загрязнение в одном случае все-
таки имело место. Это произошло в процессе анализа метеорита
Хольбрук (Holbrook); источником загрязнения оказалась колонка,
недостаточно тщательно очищенная после использования для выде-
ления фенилаланина.
К сожалению, совершенно невозможно учесть степень загряз-
нения метеоритных образцов почвой за то время, которое проходит
между падением метеорита и его анализом. Полученные данные
нельзя полностью отнести к метеоритам в космосе или к метео-
ритам, только что упавшим на поверхность Земли. Однако я убе-
жден в том, что степень загрязнения очень невелика, об этом
можно судить на основании микроскопических наблюдений Надя
и сотр. [15].
Для анализов использовали образец метеорита Хольбрук весом
12,487 г и образец метеорита Оргей (Orgueil) весом 11,387 г. Оба
метеорита детально описаны Надем и Битцем [14]. Эти исследова-
тели экстрагировали метеоритные образцы с целью извлечения
жирных кислот, а затем уже передали их мне. Образцы сначала
измельчали до размеров частиц 40 меш и экстрагировали в аппа-
рате Сокслета смесью (100 мл) бензола с метанолом (6 : 4). Нераство-
римый остаток, оставшийся после экстракции в аппарате Сокслета,
обрабатывали 10%-ным раствором НС1, для того чтобы извлечь
жирные кислоты, которые присутствуют в виде солей кальция.
Солянокислый экстракт фильтровали через фильтровальную бума-
гу, промытую эфиром, экстрагировали эфиром, а затем смешивали
с нерастворимым остатком и помещали в плотно закрытую про-
Два аспекта геохимии аминокислот 115
бирку из стекла пирекс. Относительно деталей предварительной
обработки образцов, проведенной Надем и Битцем, см. [14].
Метеоритные образцы в плотно закрытых трубках подвергали
гидролизу в кипящей водяной бане в течение 24 час. Затем про-
бирки открывали и нерастворившуюся часть удаляли центрифу-
гированием, осадок промывали тремя порциями воды (по 15 мл),
нагретой до 70°. Солянокислый гидролиг ат и промывные воды
объединяли и избыток НС1 удаляли с помощью перегонки в ваку-
уме. Пробы доливали водой до 400 мл, затем деионизировали и про-
пускали через колонку (размеры колонки 22 X 2,2 см) из амбер-
лита IR120 (Н-форма), для элюции аминокислот использовали
1,5 н. NH4OH. Элюат концентрировали кипячением в открытом
сосуде, для того чтобы удалить избыток аммиака, а затем упари-
вали досуха в вакууме. Предварительные анализы показали, что
аргинин не присутствует; оказалось также, что цистин, метионин,
серин и треонин могут разрушаться на 50% (скорее всего, это
происходит в процессе окислительного разрушения при удалении
аммиака). Таким образом, найденные количества этих аминокислот
следует считать заниженными.
Определение оптического вращения проводилось с исходными
аминокислотными экстрактами (с содержащими аммиак элюатами),
каждый из которых растворяли в 3 мл воды, при длинах волн 436
и 546 ммк с помощью поляриметра модели 200 фирмы «Рудольф».
В целях контроля было проведено три различных типа анали-
зов. Во-первых, три отдельных образца прокаленного кварцевого
песка (по 10 г каждый) подвергали кислотному гидролизу. Обра-
ботка этих контрольных образцов была такой же, что и метеорит-
ных образцов, с той разницей, что дистиллированную воду не деиони-
зировали, хотя и фильтровали через фильтр «Миллипор». В каче-
стве второго контроля использовали пробу на той же воде; брали
10 г кварцевого песка, прокаленного на горелке Бунзена; его
переносили указательным и большим пальцами (руки перед этим
не мылись 12 час) из тигля в пробирку для гидролиза. Этот кон-
троль был поставлен для того, чтобы оценить степень загрязнения,
которое можно занести руками. Третьим контролем был «искус-
ственный метеорит» следующего состава: 4 г прокаленного квар-
цевого песка, 5 г прокаленного MgSO4-7H2O и 2 г безводного FeSO4,
частично окисленного при прокаливании. «Искусственный метео-
рит» подвергали точно такой же обработке, что и два метеоритных
образца.
Были также собраны пробы пыли в Корнельском университете,
Стимсон-Холл. Первый образец был взят с автоматической оро-
сительной трубы, расположенной под потолком в нескольких
футах от выхода из подвала; второй образец — с такой же трубы,
расположенной на втором этаже моей лаборатории; третий обра-
116
Дж. Валлентайн
зец — с экрана, расположенного на подставке для флуоресцентного
освещения в моей лаборатории, а четвертый образец — с ороси-
тельной трубы, расположенной на чердаке. Все образцы гидро-
лизовали 6 н. НС1 в плотно закрытых пробирках при 100° в тече-
ние 24 час. Во всех случаях при добавлении кислоты вначале обра-
зовывалась пена. После гидролиза нерастворимый остаток удаляли
центрифугированием, а НС1 удаляли путем перегонки в вакууме;
сгущенный экстракт вводили непосредственно в аминокислотный
анализатор. Необходимости в деионизации не было.
Определение общего азота проводили в двукратной повторности
с помощью микроанализатора. Аминокислоты разделяли на амино-
кислотном анализаторе «Спинко», описанном Спекманом и сотр. [17],
а для некоторых определений, проводимых в пробирках, исполь-
зовали метод Мора и Стейна [12].
В. РЕЗУЛЬТАТЫ
Результаты по определению общего азота были следующими.
Содержание азота в образце Оргей оказалось равным 0,16% при
анализе без предварительного высушивания и 0,12% в случае
доведения образца до постоянного веса под вакуумом при 100°.
После гидролиза образовывался нерастворимый остаток черного
цвета. Он составлял 29% исходного сухого образца и содержал
0,066% общего азота. Итак, 88% общего азота (содержание общего
азота в образце Оргей принято равным 0,16%) приходилось на
кислоторастворимую форму. На долю аминокислот, полученных
после гидролиза, приходится только 0,33% общего азота. Природа
других азотсодержащих соединений неизвестна. В образце Холь-
брук содержание азота составляло 0,00%; после гидролиза оста-
вался нерастворимый осадок светло-серого цвета, составлявший
13% исходного образца по весу.
Фотографии графиков, полученных при анализе аминокислот,
содержащихся в двух метеоритах, представлены на фиг. 1. В образце
Оргей определяли только содержание кислых и нейтральных амино-
кислот. На фиг. 2 приведены дЛя сравнения соответствующие
графики для гидролизатов песка, который переносили руками,
и для «искусственного метеорита». Неизвестное соединение 1 во
всех случаях соответствует, по-видимому, цистеиновой кислоте,
т. е. продукту окисления цистина, возникшему, вероятно, в про-
цессе анализа. Соединение 2 соответствует, видимо, мочевине;
из трех пиков (5—5), изображенных на фиг. 1, Г, два, без сом-
нения, принадлежат сульфоксиду метионина, скорее всего обра-
зовавшемуся из метионина в процессе анализа; пик Ы для «ис-
кусственного метеорита» (см. фиг. 2, Г), по-видимому, соответ-
ствует гистидину. Что касается других неидентифицированных
0,3 -
0,2 -
K,H NH3
0,3
Ю \ Ы Л“3 ГиС] \
! । •,.......... । ‘••••г.г-- । ;-~г
50 100
0,2
0,3
0,2
0,1
0,3
0,2
0,1
0,3
100 150
Сер г
7ре[\ "W Про
Т-—’•••' I ...у' 'г-~'г—"у...
Гли
200 250
Фен
300 350 400 450 :\
Гли-, :
i :: Ала
Г Асп Сер Глу ; А
А ^ое/1 Д ПР° I I / \
1 2 3 4 5i\ Б 7 \ :: :?? \
..'г т—‘ -г--1 ..,...г—-,___
100
150 200 250
0,2
-д Лей
о„„ .. Илей
8 . ? f аМет.^ 1О ?
г 1 т"‘ । --r-т"-,-—Г'"’.-г-т-т
300 350
400 450
Фен
л,
t / X
...I__I
Фиг. 1. Разделение кислого гидролизата аминокислот метеоритов Холь-
брук (Л — В) и Оргей (Г и Д) [17].
В случае метеорита Хольбрук использовали 3,98 г, а в случае метеорита Оргей - 7,30 г
воздушносухого вещества метеорита. По оси ординат — показатель поглощения, по оси
абсцисс — объем элюатов (в мл). Пунктирная линия означает поглощение при 570 ммк,
прерывистая — поглощение при 440 ммк. Знаки К, Н означают кислые и нейтральные
аминокислоты. Стрелки поставлены в тех местах, где самописец отметил изменения в буфе-
ре. Остальные объяснения см. в тексте. Температура 50°.
118
Дж. Валлентайн
соединений, то здесь остается лишь строить догадки. Следует сказать,
что метод разделения хорош, но не безукоризнен. Наиболее вероят-
ны ошибки при идентификации лизина, поскольку соответствую-
щий ему пик может частично перекрываться с пиком орнитина,
0,1
0,05
NH3
К.Н i
Д Ы Ъ2 Л“3 Гис /
01 - Б 50 г* ЮО г
° Сер г Ели
0,05 - ^сп Тпе Ала
1 2 3 Г : : ___._____ Z
-~|..1....Г*"1...1...V ’V—Т - У ~Ч у—< -••г-—•> 1 , — f‘-‘ 1-
0,1
0,05
0,1
0,05
.50
.В
4
...Г-'"1.
300
-Г к,н
100 150
Илей Лей
350
Лиз
|ЫНз= 1,00
Ъ1\ I
200
tf50
250
..'
0,1
0,05
50
100
Тре Сер
0,05
-1 1 т............г g.-.-v I........t т i..............Г' "Г
50 100 ISO
Е
200
0,1 - 250
Ала
1(00
Д
I
S
Г ......................Г—*1 У г ;....................................... ....... |
450 500 550 600
Фиг. 2. Разделение аминокислот из гидролизатов «песка, бравшегося рука-
ми» (4 — В) и «искусственного метеорита» (Г— Ж) [17].
Разделение в первом случае проводили при температуре 50°, а во втором — при темпера-
туре 30 — 50°. Результаты для «песка, переносившегося руками» получены при экстракции
4 г образца; для анализа «искусственного метеорита» брали 2/5 всего образца. Остальные
объяснения см. в подписи к фиг. 1.
а также при идентификации аминов, ибо их пики могут перекры-
ваться с пиком аммиака. Определение аммиака в образцах не имеет
смысла, тем более что в процессе анализа аммиак добавляют в боль-
ших количествах. Обнаружение большого количества фенилала-
нина (см. фиг. 1, В) следует отнести за счет загрязнения.
Количественные данные по содержанию аминокислот в гидро-
лизатах метеоритов и в контрольных образцах представлены
в табл. 1. Для сравнения в таблице приводятся данные Каплана
и сотр. [9], определявших суммарное содержание свободных
Таблица 1
Содержание аминокислот (свободных и связанных) в 10%-ном солянокислом
гидролизате метеоритов и других образцов
Аминокислота Концентрация, мкг/г
Холь- брук Оргей Оргей (по Каплану [9]) Образец песка, пе- реносив- шегося руками Искусст- венный метеорит
Аспарагиновая кислота 2,7 1,3 3,3 0,8 0,0
Глутаминовая кислота 4,3 2,4 2,4 1,3 0,0
Глицин 7,0 6,3 13,1 1,5 0,6
Аланин 3,8 3,0 8,3 0,4 0,0
Валин 0,0 о,1 7,2 0,0 0,0
Лейцин 2,0 1,3 | 11,2 0,5 0,0
Изолейцин 0,7 Следы 0,2 0,0
Серин 4,1 1,5 17,7 1,4 0,6
Треонин 1,4 0,5 5,0 0,3 0,3
Цистин/2 0,0 Следы — 0,0 0,0
Метионин 0,0 Следы 0,3 0,0 0,0
Фенилаланин * 3,9 8,4 0,0 0,0
Тирозин 0,0 Следы? 5,8 0,0 0,0
Пролин 0,1 Следы — 0,0 0,0
Г истидин 0,0 Не опре- деляли 3,8 0,2 0,0
Лизин 1,5 То же 5,1 0,7 0,0
Аргинин Не- четко » » 7,7 Не опре- деляли Не опре- деляли
Мочевина 3,7 3,0 Не опреде- ляли 4,0 **
Цистеиновая кислота Следь Следы — Следы 0,0
Сумма, мкг/г 31,3 23,4 115,5 11,2 ~2,5
Сумма без мочевины, мкг/г 27,6 20,4*** 115,5**** 7,2 — 1,5
Сумма, мкмолъ/г 0,27 0,38*** 0,96**** 0,07 0,015
* Этот образец был загрязнен фенилаланином из-за использования нечистого
«онообмеиника.
** В этом случае наблюдался слабовыраженный пик, соответствовавший по мес-
ту расположения мочевине. Мочевина в 25 раз менее чувствительна к нингидрину, не-
жели большинство аминокислот.
*** Эти данные для общих аминокислот получены методом Мура и Стейна [12]
после отгонки аммиака.
**** Эти данные включают оринтнн и 0-аланин, не указанные отдельно в таблице.
120
Дж. Валлентайн
и связанных аминокислот. Суммарное содержание аминокислот
в метеорите Оргей определяли по интенсивности окраски с нин-
гидрином [12] после удаления аммиака. В трех образцах (по 10 г)
прокаленного кварцевого песка определяли только общие амино-
кислоты [12]. Были получены следующие величины (выражено
числом микромолей на 1 г исходного образца): 0,04 , 0,00 и 0,07
(в среднем 0,04 мкмоль!г).
Состав аминокислот в четырех образцах пыли представлен
в табл. 2. Следует отметить, что концентрация аминокислот в табл. 2
выражена в мг!г, тогда как в табл. 1 в мкг!г. Количественное содер-
жание аминокислот в пыли, таким образом, в 1000 раз выше, чем
в метеоритах. Присутствие мочевины в образцах пыли нельзя счи-
тать доказанным и требует проверки с помощью разрабатываемых
сейчас новых тестов. Пока мы лишь условно предположим, что
это мочевина. Разделение аминокислот, выделенных из двух метео-
ритов и из кварцевого песка, переносившегося руками, было,
к сожалению, приостановлено перед тем этапом, на котором должен
был возникнуть [3-аланин (после фенилаланина). При анализе
образцов пыли и «искусственного метеорита» дело обстояло иначе,
и если бы р-аланин присутствовал, то мы бы неизбежно его обна-
ружили. Однако этого не произошло. Определение оптического
вращения экстрактов- метеоритов дало отрицательные результаты.
Причина была установлена лишь после того, как был закончен
анализ аминокислот: количества аминокислот были слишком малы
и оказались вне пределов чувствительности применяемых приборов.
Г. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
При обсуждении происхождения отдельных классов соединений,
содержащихся в метеоритах, важно с самого начала условиться
о том, что вовсе не обязательно все соединения возникли одновре-
менно и по одному и тому же общему механизму.
Рассматривая вопрос об аминокислотах в метеоритах, Каплан
и сотр. [9] рассматривают четыре возможности:
1) образование аминокислот в результате каталитических реак-
ций, имевших место при обработке образцов в лабораторных усло-
виях;
2) загрязнение за период времени, прошедший между падением
метеорита и его анализом;
3) биогенез (наземный или вне Земли);
4) абиогенез (наземный или вне Земли).
Каплан и сотр. [9] исключают первый путь образования амино-
кислот на том основании, что при вторичных обработках концен-
трации аминокислот получаются на порядок ниже. Логически
это разумно; тем не менее этот довод не может иметь решающего
Два аспекта геохимии аминокислот
121
значения, поскольку вполне возможно, что реакционноспособные
материалы были экстрагированы или претерпели превращение
в самом начале, в процессе первичной обработки.
Что же касается второго пути, то до сих пор никому не посчаст-
ливилось завладеть метеоритом, который не имел бы долгой и тем-
ной истории до момента его обнаружения. Следует сказать, что
проблема загрязнения особенно остро стоит именно для углистых
хондритов, однако на этом основании ни в коем случае нельзя
отрицать значимость результатов, полученных при анализе имею-
щихся образцов.
Каплан и сотр. [9] исключают третий путь главным образом
из-за отрицательных результатов — кажущегося отсутствия опти-
ческой активности и отсутствия таких соединений, как хлорины,
порфирины, пурины, пиримидины, жирные кислоты и т. д. (именно
эти соединения, как предполагалось, должны сопровождать назем-
ное загрязнение биологического типа). Поскольку этим положе-
ниям уделено много внимания, следует прежде всего подчеркнуть,
что все они основаны на отрицательных результатах. С тех пор
в метеорите Оргей были обнаружены жирные кислоты [14]. Кроме
того, при определении оптической активности Капланом и сотр. [9]
не был поставлен соответствующий контроль, который позволил бы
доказать, что смесь оптически активных аминокислот при добав-
лении к метеориту полностью сохраняет свою активность после
соответствующей обработки в процессе анализа. Правда, после
гидролиза L-аланина, проводившегося в присутствии кислото-
нерастворимого остатка метеорита Оргей, мы не обнаружили замет-
ной рацемизации. Я попытался также подсчитать, какой угол вра-
щения должен был бы получиться у Каплана [9] при тех концен-
трациях аминокислот, с которыми он работал, и пришел к выводу,
что его результаты вполне допустимы. Если бы все аминокислоты
в конечных экстрактах имели L- или D-конфигурацию, вращение
поляризованного света можно было бы наблюдать,— впрочем,
опять-таки при условии, что посторонние вещества, способные
нейтрализовать этот эффект, отсутствуют.
Четвертое объяснение Каплан и сотр. [9] считают наиболее
вероятным и совместимым с данными, которыми мы располагаем
в этом отношении. Этот четвертый вариант возникновения ами-
нокислот был принят без особых колебаний рядом исследова-
телей; в его пользу говорят также такие факты, как присутствие
в некоторых углистых хондритах значительного количества |3-ала-
нина и относительно высокое содержание в метеоритах таких
аминокислот, как глицин, серин и аспарагиновая кислота. Именно
эти аминокислоты, как известно, преобладают среди продуктов,
возникающих в опытах по моделированию образования веществ
«первичного бульона» [16].
122
Дж. Валлентайн
В связи с новыми данными, о которых мы сообщаем в этом
докладе, следует прежде всего сказать, что в главном они сов-
падают с данными Каплана и сотр. [9]. Нет оснований считать,
что обнаружение аминокислот в углистых и неуглистых хондритах
объясняется загрязнением, возникшим в процессе анализа. Однако
между данными Каплана и сотр. [9] и нашими данными имеются
некоторые различия. Так, из табл. 1 следует, что количества серина,
треонина, валина, лейцина и тирозина, обнаруженные нами в метео-
рите Оргей, составляют менее одной трети количеств, обнаружен-
ных Капланом и сотр. [9]. Содержание валина и тирозина в образ-
цах Хольбрук и Оргей было настолько мало, что нельзя даже
предположить их возможного участия в построении какого-то
исходного белка или смеси белков [7]. Суммарное количество
аминокислот (свободных и связанных) в метеорите Оргей, согласно
нашим данным, составляет лишь половину того количества, кото-
рое обнаружили Каплан и сотр. [9]. До сих пор не ясно, чем объяс-
няются эти расхождения — различием образцов или же различием
методов анализа.
Одним из наиболее интересных результатов проведенного нами
исследования является общее сходство аминокислотного состава
двух метеоритов и «песка, переносившегося руками». Все эти три
образца содержали примерно одинаковые относительные количе-
ства мочевины, цистеиновой кислоты и различных аминокислот.
Часть аминокислот, присутствующих в «песке, переносившемся
руками», следует отнести к общему фону загрязнения, которое
имело место наряду с грязью, находившейся на руках. Во всяком
случае, эти результаты показывают, что, по крайней мере частично,
аминокислоты, содержащиеся в метеоритах, появились в резуль-
тате прикосновений или из-за каких-либо других источников
загрязнений уже на Земле. Справедливость этого предположения
следует проверить с помощью дальнейших опытов. Тот факт, что
хондры после очистки с помощью ультразвука содержат главным
образом глицин [9], говорит против справедливости этого представ-
ления в отношении всех аминокислот, обнаруживаемых в метеоритах.
Оказалось, что содержание аминокислот в образцах пыли
в 1000 раз выше, чем в метеоритах. Иными словами, достаточно
1 мг пыли на 1 г образца метеорита, чтобы содержание аминокислот
в большинстве метеоритов (метеорит Лансе составляет исключе-
ние) соответствовало уровню, находимому в эксперименте. Конеч-
но, мы не знаем, насколько пыль, собранная в Стимсон-Холле,
похожа на другие образцы пыли. При сравнении данных, при-
веденных в табл. 1 и 2, оказывается, что аминокислотный состав
пыли и метеоритов до некоторой степени различен.
Так, в образцах пыли содержится значительно больше проли-
на и цистеиновой кислоты (по-видимому, она образуется из цистина
Таблица 2
Аминокислотный состав образцов пыли *
Аминокислота Содержание в 1 г воздушносухого веса, мг
№ 1 №2 № 3 № 4
Аспарагиновая кислота 2,41 ** 5,48 5,65
Глутаминовая кислота 3,97 10,06 10,19 9,55
Глицин 2,37 6,23 8,42 6,98
Аланин 0,48 4,84 3,36 3,15
Валин Следы 2,18 2,21 2,15
Лейцин 1,63 4,74 5,21 4,40
Изолейцин 0,76 2,13 2,35 1,95
Серин 2,36 6,56 7,09 5,88
Треонин 1,13 6,92** 4,16 3,20
Цистнн/2 0,00 0,00 0,00 0,00
Метионин 0,03 0,03 Следы 0,27
Фенилаланин Следы 3,01 3,32 2,53
Тирозин То же 0,07 1,14 1,00
Пролин 0,00 2,И 2,57 2,43
Гистидин Не опре- ? — 0,73
деляли
Лизни То же 1,52 3,14 1,98
Аргинин » » 0,00 0,00 0,00
Цистеиновая кислота Следы 1,80 1,43 0,45
Неизвестные вещества *** Не опре- 3,02 1,15 Следы
деляли
Аммиак То же 5,31 5,37 1,58
Мочевина 6,49 11,20 9,10 10,40
Всего, мг/г 21,62 71,73 75,69 64,28
Общее количество аминокислот, мг/г 15,13 52,20 60,07 52,30
Зола, % 65,1 45,1 49,6 44,6
* Образцы, взятые в Стимсон-Холле (объяснения см. в тексте).
♦* Аспарагиновую кислоту обнаружить не удалось; не’ исключено, что ее пик сов-
пал с пиком треонина.
*** Неизвестные вещества были найдены в ощутимых количествах только в том
случае, когда хроматографирование вели иа коротких колонках в условиях для разде-
ления основных аминокислот. Следует подчеркнуть, что эти прнмесн присутствовали
лишь в образцах, собранных в моей лаборатории. При расчете из общего содержания
аминокислот содержание примесей вычитали.
124
Дж. Валлентайн
или цистеина пыли), а также глутаминовой кислоты (наши дан-
ные и данные Каплана и сотр. (91). Интересно также, что |3-ала-
нин не был обнаружен ни в одном из образцов пыли; в то же время
следы Р-аланина найдены в четырех из семи изученных углистых
хондритов (но ни в одном из неуглистых хондритов). Эти факты
могут послужить доказательством того, что в действительности
пыль не является основным источником аминокислот в мете-
оритах.
Те же самые метеоритные образцы, которые мы исследовали
с целью обнаружения аминокислот, Надь и Битц [131 использо-
вали для анализа на содержание жирных кислот с длинными угле-
родными цепями. В экстрактах, полученных из образцов метео-
рита Оргей, были найдены главным образом кислоты, молекулы
которых имели четное число углеродных атомов (от 14 до 30). Эти
жирные кислоты не были обнаружены ни в экстрактах метеорита
Хольбрук, ни в экстрактах образцов гранита [14].
Каплан и сотр. [9] считают, что углеводороды и аминокислоты,
а также вещества, реагирующие с диазониевыми соединениями,
возникают в метеоритах в результате химического синтеза. При-
сутствие в неуглистых хондритах веществ, реагирующих с диа-
зониевыми реактивами, еще не доказано, однако, согласно данным
Каплана, распределение аминокислот никак не связано с содер-
жанием органического углерода и не зависит от присутствия лету-
чих компонентов в метеорите.
Имеющиеся в нашем распоряжении данные не позволяют отдать
предпочтение ни одной из теорий возникновения аминокислот
в метеоритах. Если бы в метеоритах были обнаружены необычные
аминокислоты, можно было бы еще строить какие-то предполо-
жения о их внеземном происхождении, однако данных такого
рода у нас нет. Сходство набора аминокислот, найденных в метео-
ритах, с набором аминокислот таких биогенных источников, как
организмы, почва, пыль, может быть объяснено по-разному. Наи-
более простым объяснением является гипотеза наземного загряз-
нения. Однако в целом она встречает ряд довольно веских возра-
жений, в частности в случае неуглистых хондритов, отличающихся
компактной структурой и большой массой. Некоторое загрязне-
ние, конечно, неизбежно, но оно скорее всего не распространяется
на всю изучаемую массу метеоритов.
Если предположить, что метеоритные аминокислоты имеют
внеземное происхождение, то тогда следует ожидать, что, во-пер-
вых, аминокислоты первичных бульонов будут сходны с амино-
кислотами наземных организмов и, во-вторых, такое сходство
будет иметь место между аминокислотами наземных и внеземных
организмов. Такие химически предопределенные черты сходства
структурных элементов (аминокислот) не являются в эволюцион-
Два аспекта геохимии аминокислот
125
ном отношении неожиданными; но степень их сходства, которая,
правда, до конца еще не доказана, все-таки, по-видимому, зна-
чительно выше, чем это предполагалось до сих пор.
Следует упомянуть еще об одном обстоятельстве. Хотя исходный
состав аминокислот в метеоритах неизвестен, можно попытаться
обнаружить некоторые доказательства их постепенного разруше-
ния под действием ионизирующего излучения, тепла, окисления
и других факторов, действовавших на метеоритные аминокислоты
на протяжении ряда геологических эпох. Опыты Абельсона [1]
и Валлентайна [18] с термической обработкой показывают, что
серин и треонин разрушаются легче, чем другие аминокислоты;
более подробно этот факт будет обсуждаться ниже. Однако не сле-
дует забывать о низких температурах в космическом пространстве.
Труднее предсказать результат действия излучения на различные
аминокислоты и белки, поскольку эффект зависит от мощности
дозы, концентрации, содержания воды и т. д. Наконец, следует
также ожидать равномерного характера разрушения аминокислот
под действием ионизирующего излучения [3—6]. Если действие
излучения действительно имеет место, то возможны серьезные
изменения в исходном аминокислотном составе метеоритов и их
родительских тел. Иными словами, в том случае, если метеориты
предварительно подвергались интенсивному воздействию нагре-
вания или излучения, то сходство между аминокислотами метео-
ритов и аминокислотами первичных бульонов или живых организ-
мов нельзя будет установить.
II. СИНТЕЗ И РАСПАД, ПРОИСХОДЯЩИЕ
В ПЕРВИЧНЫХ БУЛЬОНАХ
В этой части моего доклада я преследую единственную цель —
подчеркнуть одно обстоятельство, которое не принималось во вни-
мание ни в работе Миллера [11] по первичным бульонам, ни в боль-
шинстве последующих работ, проводившихся в течение последнего
десятилетия. Это обстоятельство сводится к следующему; концен-
трация различных молекул в бульоне отражает равновесие между
процессами синтеза и распада. Результаты, полученные в опытах,
проводившихся в течение нескольких часов или нескольких дней,
будут, конечно, в значительной степени отличаться от того, что
должно было возникать в процессе реакций на протяжении тысяч
или миллионов лет, хотя бы потому, что могут появиться факторы,
приводящие к приостановке синтеза со временем (например, из-за
того, что исходные продукты оказываются исчерпанными). То, что
справедливо в отношении молекул, будет справедливо для орга-
низмов и должно быть справедливо также для эобионтов. Говоря
126
Дж. Валлентайн
иначе, время — это критический фактор, определяющий характер
многих процессов, подлежащих обсуждению на этой конференции.
Я изложу здесь некоторые до смешного наивные опыты [1, 18]
по изучению скорости деградации некоторых аминокислот (0,01 М
Фиг. 3. Графики линейной регрессии, построенные исходя из уравнения
Аррениуса для ступенчатой термической деградации пяти аминокислот
(в 0,01 М растворе).
По осн ординат — время жизни (X 0,37) аминокислот в секундах (в скобках — годы)
по логарифмической шкале. По оси абсцисс — величина, обратная абсолютной темпера-
туре (X Ю4) (в скобках °C). / — аланин; II — пироглутаминовая кислота; III — фенил-
аланин; IV — треонин; V — серин (данные по аланину взяты из работы [IJ, по осталь-
ным аминокислотам — из [18]).
раствор) в запаянных пробирках в отсутствие кислорода. Наивность
этих опытов в том, что с их помощью мы пытаемся объяснить явле-
ния, происходящие в природе. Результаты представлены на фиг. 3
в виде графика Аррениуса (время жизни ХО,37 как функция 1/7",
а не к как функция 1 /Т).
Для того чтобы упростить объяснение, я перевел обратные
значения абсолютных температур (отложенные по оси абсцисс)
в градусы Цельсия (даны в скобках). Мы видим, что серин и трео-
нин значительно менее стабильны, нежели фенилаланин, а фенил-
Два аспекта геохимии аминокислот
127
аланин в свою очередь менее стабилен, чем аланин или пиро-
глутаминовая кислота. В одном опыте произошло разрушение
98% исходного треонина в течение 1 года (при 113°). (Интересно
отметить, что 90% разрушенного треонина превратилось непосред-
ственно в глицин.) Можно привести и другой пример такого же
рода: глутаминовая кислота одна или в присутствии воды, цикли-
зуется при нейтральном pH, образуя пиролидонкарбоновую кис-
лоту [19]. Следовательно, в течение нескольких сотен лет глута-
миновая кислота должна была бы полностью разрушиться при
температуре 50—80° и исчезнуть, если бы она не синтезировалась
периодически заново.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. В гидролизатах метеоритных образцов Оргей и Хольбрук
были обнаружены аминокислоты, а также соединение, предполо-
жительно идентифицированное как мочевина. Присутствующие
в метеоритных образцах аминокислоты нельзя полностью отно-
сить за счет загрязнения, возникшего в процессе анализа, однако
наблюдается сходство между данными анализа метеоритов и дан-
ными анализа контрольных гидролизатов образцов «песка, пере-
носившегося руками».
2. Количественный анализ четырех образцов пыли показал,
что содержание аминокислот в них в 1000 раз превышает содер-
жание аминокислот в метеоритах. В образцах пыли отмечено также
гораздо более высокое содержание пролина и цистеиновой кислоты
и несколько большее содержание глутаминовой кислоты, чем
в метеоритах.
3. Была отмечена важность изучения скорости распада соеди-
нений в опытах с «бульонами». Лабильные соединения, необхо-
димые для биологических синтезов, способны, по-видимому, слу-
жить регулирующим фактором, влияя на скорость эволюции эобион-
тов в первичном океане.
ЛИТЕРАТУРА
1. A b е 1 s о п Р. Н., in «Treatise on Marine Ecology and Paleoecology»,
Geol. Soc. Amer. Mem., Vol. II, 67, 87, 1957.
2. A b e 1 s о п P. H., in Organic Geochemistry (Irving Breger, ed.), Pergamon
Press, New York, pp. 431 — 455, 1963.
3. A 1 e x a n d e r P., H a m i 1 t о n L. G. D., Radiation Res., 13, 214
(1960).
4. Alexander P., Rosen D., Radiation Res., 15, 475 (1961).
5. A m b e K. S., Ku m t a U. S., T a p p e 1 A. L., Radiation Res., 15,
709 (1961).
6. Barron E. S. G.,Ambrose J..Johnson P.; Radiation Res., 2,
145 (1955).
128
Дж. Валлентайн
7. В 1 о с к R. J., W е i s s К. W., Amino Acid Handbook. Charles C. Tho-
mas, Springfield, Illinois, 1956.
8. Fi tch F. W., Anders E., Science, 140 (1097).
9. К a p 1 a n I. R„ Degens E. T., Reuter J. H., Geochim. Cosmo-
chim. Acta, 27, 805 (1963).
10. Mason B., Meteorites, Willey, New York, pp. 1—274, 1962.
11. M i 1 1 e r S. L., Science, 117, 528 (1953).
12. M о о r e S„ Stein W. H., J. Biol. Chem., 211, 907 (1954).
13. N a g у В. ed., Life-like forms in meteorites, Ann. N.Y. Akad. Sci., 108,
339 (1963).
14. Nagy В., В i t z M. C., Arch. Biochem. Biophys., 101, 240 (1963).
15. Nagy B., Claus G., Hennessy D. J., Nature, 193, 1129 (1962).
16. Oro J., Ann. N.Y., Acad. Sci., 108, 464 (1963).
17. S p а с к m a n D. H., Stein W. H., Moore A., Anal. Chem., 30,
1190 (1958).
18. Vallentyne J. R., Geochim. Cosmochim Acta, 28, 157 (1964).
19. W i 1 s о n H., С a n n о n R. K., J. Biol. Chem., 119, 309 (1937).
20. Wood J. A., in «The Solar System» (Middlehurst and Kuiper, eds) Vol
IV, pp. 337—401 Univ, of Chicago Press, Chicago, 1963.
21. Wood J. A., Icarus, 2, 152 (1963).
обсуждение доклада
Фокс. В докладе рассматривались метеориты. Глубокое рас-
смотрение этого вопроса требовало бы специальной конференции,
подобной той, которая созывалась Нью-Йоркской академией наук
в 1962 г. Труды этой конференции недавно вышли в свет (Ann.
N. Y. Acad. Sci., 108, Art. 2, 1963). В работе д-ра Валлентайна
особое внимание уделяется почвенному загрязнению.
Большую важность представляет также проблема загрязнения
метеоритов при их прохождении через атмосферу Земли.
Куимби. Атмосферное загрязнение не так опасно, и его
содержание значительно ниже по сравнению с другими видами
загрязнений. Прежде всего, поверхность раскаленного метеорита
очищается при вхождении в верхние слои атмосферы. Хотя в метео-
рите и имеются трещины, но его кора содержит очень мало пор
в отличие от внутренней части. Кроме того, воздушный поток сме-
тает любое вещество с его поверхности. Этот поток уплотняет
также лобовую часть метеорита. Некоторая часть воздуха, конечно,
может попасть в метеорит под действием давления, возрастающего
в нижних слоях атмосферы. В воздухе (не вблизи больших горо-
дов) содержится мало бактерий: одна или две на 1 л воздуха. В ниж-
них слоях атмосферы в большом количестве присутствуют плесени,
споры и зерна пыльцы, появляющиеся с сезонной периодичностью;
особо следует отметить грибы Cladosporium и Alternaria, встре-
чающиеся везде, на всех высотах вплоть до стратосферы. Однако
в отличие от бактерий все эти организмы неспособны проникать
в тело метеорита из-за своих больших размеров. Было также выска-
зано предположение, что в атмосфере присутствуют и летучие
Два аспекта геохимии аминокислот
129
органические соединения, по-видимому, растительного происхо-
ждения.
Углистые хондриты ломки и обычно крошатся на куски спустя
некоторое время. Они не относятся к «находкам». По-моему, около
20 метеоритов такого рода можно считать «падениями»: они были
обнаружены вскоре после действительно наблюдавшегося паде-
ния. Из-за недостаточной прочности такие метеориты встречаются
довольно редко. Каменные и железные метеориты хотя и не всегда
являются «находками», но все-таки значительно чаще.
Что касается метеорита Оргей, то обломок его хранится в музее
Монтабан на юге Франции и, как сообщал Андерс, он содержится
в запаянном сосуде, который с 1864 г. открывали всего 2—3 раза.
Если это действительно так, то при условии, что метеорит был
найден вскоре после падения (а основания для подобного допу-
щения имеются, как это явствует из приведенных выше рассу-
ждений), этот образец представляет большую ценность, чем любые
другие известные экземпляры.
Если бы мы смогли запечатлеть на фотопластинке огненный
шар, рассчитать его траекторию и место падения и затем немед-
ленно послать поисковую партию, для того чтобы сразу же при-
крыть упавший метеорит синтетической пленкой от дождя и дру-
гих осадков,— вот тогда мы получили бы ценный материал, при-
годный для исследований д-ра Валлентайна и других ученых,
работающих в этом направлении. Мы готовимся провести такого
рода поиски; для этого мы построили на Среднем Западе 16 пат-
рульных станций на площади 1 млн. кв. км. Мы не надеемся, что
в этом районе упадет более одного метеорита в год; еще менее
вероятно, что упавший метеорит окажется углистым хондритом.
Но если он все-таки упадет завтра, мы сможем свести к минимуму
начальное загрязнение. После этого мы сможем оценить или даже
немедленно измерить степень заражения поверхности метеорита,
а затем с наивозможной тщательностью предотвратить дальнейшее
загрязнение.
Оро. Мне бы хотелось сделать замечание к выступлению д-ра
Фокса. Согласно данным д-ра Валлентайна, пыль представляет
собой возможный и притом весьма серьезный источник загрязне-
ния. Мне кажется, что есть еще один источник загрязнения —
ионообменная смола, применявшаяся в опытах для удаления солей.
Опубликовано две статьи, в которых доказано присутствие в ионо-
обменных смолах целого ряда аминокислот (Lindlar F.,
Naturwissenschaften, 47, 14, 1960; Steven F. S., Т г i s t-
ram G. R., Biochem. J., 83, 245, 1962).
Количество аминокислот в ионообменной смоле (контроль)
зависит как от природы самой смолы, так и от интенсивности ее
регенерации перед использованием.
130
Дж. Валлентайн
Б у хана н. Если я правильно понял, аминокислоты могут
попадать в метеоритные образцы при взятии руками, это вами
учитывалось, и вы ставили специальный контроль.
Валлентайн. Да, совершенно верно.
Б у х а н а н. Конечно, для того чтобы избежать такого загряз-
нения, легче всего применить резиновые перчатки, хотя я пред-
ставляю, как это осложнит очистку метеоритов от частиц пыли.
Валлентайн. Не имеет значения, какие перчатки вы
используете; ведь неизвестно, чем пользовались до вас другие.
Не думаю, чтобы прикосновение руками к посуде, используемой
для аналитических работ, что-либо добавило к общей картине
загрязнений.
Б у х а н а н. Вы имеете в виду, что их там и без того было
слишком много?
Валлентайн. Совершенно верно. В контрольных опытах
наблюдались очень слабо выраженные пики. В варианте контроля,
в котором образцы брались руками, пики были более высокими,
но все-таки достаточно небольшими. Правда, мы, конечно, не
знаем, как обстояло дело в предшествующий период.
Холдейн. Насколько я понял, аналитические методы, приме-
ненные д-ром Валлентайном, не подверглись критике и все его
результаты по анализу аминокислот базируются почти полностью
на хроматографии.
Мне представляется очень любопытным тот факт, что в абио-
генных условиях образовалось только 18—20 обычных амино-
кислот и не возникло никаких других аминокислот.
Мне бы хотелось узнать, насколько вы в самом деле убеждены
в том, что те соединения, которые вы называете лейцином и изо-
лейцином, действительно являются таковыми, а не их близкими
гомологами.
Валлентайн. Мне приятно, что вы подняли этот вопрос.
Совершенно верно. Если судить по количественному составу амино-
кислоты в метеоритах, они, безусловно, имеют биологическое про-
исхождение, т. е. они аналогичны аминокислотам биологических
объектов Земли. У меня создается впечатление, хотя точных дока-
зательств у меня и нет, что обнаруженные аминокислоты не являются
продуктами абиогенного синтеза.
В этой связи интересно, что Каплан обнаружил в довольно
высоких концентрациях р-аланин, который нам обнаружить не
удалось. Я не знаю, насколько это обстоятельство может говорить
в пользу абиогенеза.
К сожалению, используя для анализа смесь метчиков, мы забыли
про р-аланин и приостановили анализ элюата до того момента,
когда он должен был появиться. Таким образом, в этих опытах
он не анализировался.
Два аспекта геохимии аминокислот
131
Процесс анализа описан выше. Образец гидролизовали в пред-
варительно перегнанной кислоте, затем гидролизат переносили
на ионообменную смолу амберлит IR120, с которой нам не уда-
валось элюировать аргинин. В этом состоял недостаток метода.
Аминокислоты элюировали гидроокисью аммония, аммиак уда-
ляли и элюат аминокислот вводили в аминокислотный анализатор.
Гроссенбахер. Если контрольный образец в ваших
опытах подвергали такой же обработке, что и опытный образец,
то контрольный образец должен отражать состав смолы.
Валлентайн. Контрольные образцы анализировались так
же, как и опытные, но с одной лишь разницей. При исследовании
метеоритных образцов дистиллированную воду перед употребле-
нием деионизировали и фильтровали через мембранный фильтр.
В случае же трех контрольных образцов песка и в случае образ-
цов «песка, переносившегося руками» дистиллированную воду
только пропускали через мембранный фильтр, но не деионизиро-
вали.
Я не понял, к чему относится ваше замечание: к тому, что обра-
ботанные таким образом смолы добавляют некоторое количество
аминокислот или, наоборот, помогают удалить их?
Оро. Одной из наиболее сложных проблем, связанных с необхо-
димостью использовать ионообменные смолы для удаления солей
при анализе аминокислот в метеоритах, является постановка соот-
ветствующего контроля. Ведь соответствующий контрольный обра-
зец должен содержать все соли и другие ионные компоненты (как
органические, так и неорганические, известного и неизвестного
состава), причем концентрация этих компонентов должна быть
аналогична их концентрации в метеорите. Присутствующие в метео-
рите ионы магния, кальция, железа и др. будут усиливать процесс
обмена ионов и тем самым стимулировать выход оставшихся амино-
кислот, захваченных смолой. Присутствие органических и неорга-
нических ионов будет обусловливать и другие химические эффекты
(такие, как образование хелатных комплексов, каталитический рас-
пад и т. д.). Поэтому в качестве контрольного образца нельзя брать
кварц или песок. Может быть, выход состоит в том, чтобы отказаться
от использования ионообменных смол или органических веществ.
Удаление солей можно проводить с помощью электролитического
метода.
Валлентайн. Перед проведением этих анализов мы про-
пускали раствор, содержащий глутаминовую кислоту и фенил-
аланин, а также хлорное железо и сульфат магния, через колонку;
все компоненты брались в таких концентрациях, в каких они
обнаруживаются в метеоритах.
Мы не обнаруживали при этом никакого дополнительного мате-
риала.
132
Дж. Валлентайн
О р о. А не может ли быть, что вы его теряли при этом? Мы
наблюдали, что ионы железа вызывают разрушение амино-
кислот.
Валлентайн. Да. Мне хотелось узнать, не происходит ли
адсорбция каких-то веществ ионами железа смолы.
Саган. Работа Андерса и сотр. (Anders Е., Ann. N. Y.
Acad. Sci., 108, 514, 1963) позволяет судить о температурных воз-
действиях, через которые прошли углистые хондриты, а также
о продолжительности каждого термического режима. В связи
с этим логически можно подойти к постановке следующего опыта:
начать со смеси аминокислот, в которой соотношение компонентов
имитирует соотношение, использующееся в опытах по воссозданию
условий примитивной Земли. Если затем эту смесь подвергнуть
такому же термическому воздействию, какое в свое время испы-
тали углистые хондриты, то будет возможно установить, какие
из аминокислот способны сохраняться при этом. Анализ такого
типа был бы полезен в случае установления вероятности земного
загрязнения углистых хондритов. Присутствие большого количе-
ства термолабильных аминокислот явится в этом случае первым
признаком загрязнения.
Более того, подобный анализ даст возможность установить:
когда аминокислоты попали на метеорит? В какой последователь-
ности проходил процесс их возникновения в теле метеорита? Когда
возникли аминокислоты — после появления минеральных включе-
ний, нагретых до высоких температур, или до этого? Вот путь,
по которому следует идти в разрешении этого вопроса.
Блуа. В связи с вопросом, поднятым д-ром Саганом, я заме-
тил, что при умеренных температурах аланин наиболее, а серин,
по-видимому, наименее стабилен (фиг. 3); если вы посмотрите
на наклоны этих кривых, то по протяженности кривой первое место
занимает фенилаланин.
По-моему, в случае воздействия высоких температур фенил-
аланин превзойдет по устойчивости аланин.
Поэтому-то, как указывал д-р Саган, необходимо учитывать
«термическую» историю.
Валлентайн. Мне бы хотелось сделать несколько заме-
чаний по выступлению д-ра Сагана. Я располагаю некоторыми
данными, на основании которых можно предсказать вероятную
скорость изменений, происходивших в результате температурных
воздействий, но все эти опыты были получены при использовании
жидкой воды в качестве среды.
Саган. Имеются данные относительно длительного существо-
вания водной фазы, которая содержалась во внутренних областях
первичных тел, давших впоследствии начало углистым хондритам
(Anders Е., Ann. N. Y. Acad. Sci., 108, 514, 1963).
Два аспекта геохимии аминокислот
133
Валлентайн. В таком случае мы можем вместе подойти
к разрешению этого вопроса. Если вы располагаете данными о поряд-
ке смены температур, то я на этой основе легко смогу построить
свои предположения о возможных изменениях. Нужно учитывать
и тот факт, что в безводной среде наблюдаются обратные соотно-
шения. Так, если мы, например, возьмем белок двустворчастого
моллюска и нагреем его в отсутствие воды, то в этом случае фенил-
аланин окажется наиболее стабильной аминокислотой. Однако
в присутствии избытка воды фенилаланин становится термола-
бильным.
Таким образом, внешние условия должны тщательно контро-
лироваться.
Опарин. Мне бы хотелось узнать о том, обладают ли обна-
руженные аминокислоты оптической активностью или это полно-
стью рацематы.
Валлентайн. На основе имеющихся данных еще ничего
нельзя сказать об их оптических свойствах. Каплан исследовал
полученные экстракты с помощью поляриметра, чувствительность
которого достигала 5-10~4, и не обнаружил оптической активности
экстракта.
Мы провели то же самое определение с помощью менее чув-
ствительного поляриметра. Сделав вычисления, мы поняли, что
концентрации аминокислот слишком низки для того, чтобы можно
было обнаружить их оптическую активность.
Существует более удобный метод, позволяющий решить эту
проблему. Для этого нужно разделить образцы на две части, после
чего одну половину образца подвергнуть обычному анализу, а вто-
рую проанализировать после предварительной обработки специ-
фичным ферментом — оксидазой D-аминокислот.
Мы пока еще не проводили такого рода опытов, но мне кажется,
что этот метод должен обладать значительно большей чувствитель-
ностью, чем любой другой.
Г а ф ф р о н. Мне кажется, что метеорит Оргей нельзя вывести
из круга обсуждения одним приемом, скажем, нагреванием до 150°
в течение года и последующим изучением оставшегося материала.
Следует по крайней мере провести экстраполирование к исходному
материалу и попытаться установить, сколько органического веще-
ства содержалось первоначально в метеорите.
Шутка. У меня замечание по поводу рацемизации. Если
обработать оптически активное соединение кислотой и нагреть
его, получится рацемат. По крайней мере именно так обстоит дело
в случае лизина. Одним из приемов, используемых для превраще-
ния лизина в d-форму, является его нагревание с НС1. Поэтому
я считаю, что ваши результаты следует интерпретировать с осто-
рожностью.
134
Дж. Валлентайн
Фокс. Относительно последнего замечания д-ра Холдейна
я бы хотел сказать следующее: из рассмотрения данных по лабо-
раторному синтезу аминокислот в условиях, имитирующих пред-
биологические, следует, что в основном синтезированные продукты
имеют структуру природных аминокислот. Для объяснения полу-
ченных результатов можно привлечь законы термодинамики и тео-
рию эволюции. Тогда нам станет ясно, что те данные, которыми
мы располагаем, вовсе не являются неожиданными; более того,
едва ли вообще результаты могут быть иными. Когда д-р Харада
будет рассказывать о термическом синтезе аминокислот, вы заме-
тите, что список аминокислот очень сходен с набором природных
аминокислот. Удивляет неожиданно высокий выход глицина, что
в то же время поразительно напоминает результаты анализа метео-
ритов.
АСИММЕТРИЧЕСКОЕ ГИДРИРОВАНИЕ КАРБОНИЛЬНЫХ
СОЕДИНЕНИЙ
Ш. А к А Б О Р И
Institute for Protein Research, Osaka University, Osaka, Japan
Асимметрический синтез органических соединений является
одной из характерных особенностей живых организмов. В биосин-
тезе физиологически активных веществ участвуют разнообразные
реакции, причем почти все они протекают в присутствии фермен-
тов, которые можно рассматривать как катализаторы асимметри-
ческих синтезов.
Асимметрия ферментативных реакций, по-видимому, обуслов-
лена главным образом стереоспецифической адсорбцией субстратов
на активном центре молекулы фермента. Стереоспецифическая адсор-
бция, несомненно, свидетельствует об асимметрической конформа-
ции активного центра ферментов, что в свою очередь должно быть
связано с асимметрическим строением аминокислот, из которых
состоит ферментный белок.
Вопрос о предбиологическом возникновении оптически актив-
ных биологически значимых соединений неоднократно обсуждался
многими крупными учеными. Я помню, каким активным было
обсуждение данной проблемы на симпозиуме по возникновению
жизни на Земле, который происходил в Москве в 1957 г. [3, 5, 6].
Я хочу сообщить на этой конференции о некоторых резуль-
татах исследований по модификации каталитического никеля
Ренея в целях его использования для асимметрического синтеза,
которые были выполнены в руководимой мною лаборатории д-ром
Изуми и его сотрудниками.
Свежеприготовленный скелетный никелевый катализатор (ни-
кель Ренея) обычно активен в отношении гидрирования связей
С = С и С = О, причем в присутствии небольших количеств раз-
личных веществ каталитическая активность изменяется. В наших
предварительных опытах [11 было обнаружено, что при обработке
катализатора растворами различных аминокислот и пептидов его
активность в отношении С = О-связи значительно снижается,
тогда как активность в отношении С = С-связи почти не изменяется.
Этот факт позволяет предположить, что в результате адсорбции
оптически активной аминокислоты на скелетном никелевом ката-
136
Ш. Акабори
лизаторе активный центр катализатора подвергается, по-види-
мому, определенной модификации, приобретая способность ката-
лизировать асимметрическое гидрирование карбонильных соеди-
нений типа R — СО — R' с образованием оптически активных
вторичных спиртов согласно следующему уравнению:
+н2 *
СН3—СО—СН2—СООСНз-------> СН3—СН—СН2—СООСНз.
6н
Соединения I и II можно различить после адсорбции, но не
в свободном состоянии. Если соединение I дает при гидрировании
D-форму, то соединение II должно давать L-форму.
R4
)С=О
R'z
I
R\
н^с—он
R'/
II
НО—С^-Н
В нашем недавнем исследовании [2] было показано, что нике-
левый катализатор, обработанный оптически активными «-амино-
кислотами и а-оксикислотами, обладает ярко выраженной спо-
собностью к стереоспецифическому гидрированию карбонильных
соединений.
Наибольший эффект наблюдался при гидрировании метилового
эфира ацетоуксусной кислоты, что приводило к образованию метил-
Р-оксимасляной кислоты, обладающей высокой оптической актив-
ностью. В связи с этим в данной работе в качестве субстрата ката-
литического гидрирования мы использовали главным образом
метиловый эфир ацетоуксусной кислоты.
Никелевый\ катализатор и его модифицирование. 1,5 г измель-
ченного в порошок сплава Ni — Al (40 : 60) добавляли неболь-
шими порциями при перемешивании к 20 мл 20%-ного раствора
гидроокиси натрия. Смесь помещали в термостат на 45 мин при
80°. Остающийся порошок Ni промывали несколько раз дистилли-
рованной водой. В большинстве проводимых опытов использовали
указанное количество (1,5 единицы) скелетного никелевого ката-
лизатора на 17 г метилового эфира ацетоуксусной кислоты. Для
модифицирования свежеприготовленный никелевый катализатор
помещали в 225 мл 2%-ного раствора L-глутаминовой кислоты
(pH раствора доводили до специально рассчитанного значения).
Смесь время от времени перемешивали. После декантации рас-
твора никелевый катализатор промывали один раз водой и дважды
Асимметрическое гидрирование карбонильных соединений
137
метанолом и затем центрифугировали. Модифицирование другими
реагентами проводили аналогичным образом.
Каталитическое гидрирование. Очищенный метиловый эфир
ацетоуксусной кислоты, смешанный с модифицированным никеле-
вым катализатором, помещали в небольшой автоклав и встряхи-
вали при исходном давлении водорода 60 кг!см2. Обычно в течение
10 час водород использовался полностью. Продукт восстановления
отделяли от никелевого катализатора фильтрованием и подвергали
перегонке при пониженном давлении. Результаты элементарного
анализа и газовой хроматографии позволили идентифицировать
фракцию, кипящую при 61—62° и 12 мм рт. ст., как метил-0-
оксимасляную кислоту.
Выход продуктов асимметрического синтеза. Оптическое враще-
ние очищенного продукта восстановления измеряли в поляриметре
при 20° без разбавления в трубке длиной 1 дм. Получаемое зна-
чение вращения принимали как удельное вращение, так как удель-
ный вес метил-р-оксимасляной кислоты близок к 1,0. Согласно-
данным Левена и Халлера [4], удельное вращение чистой метил-L-
Р-оксимасляной кислоты равно [а]д — 20,9°; отсюда выход
продуктов асимметрического синтеза в процентах (Р) рассчиты-
вали по формуле
[а]Ь°-Ю0
Р~ 20,9 '
Влияние pH модифицирующего раствора. Мы проводили опре-
деление выхода продуктов асимметрического синтеза при катали-
тическом гидрировании, осуществляемом с помощью скелетного
никелевого катализатора, обработанного 2%-ным раствором
L-глутаминовой кислоты при различных значениях pH и при 0°.
Результаты, представленные нафиг. 1, показывают, что pH моди-
фицирующего раствора оказывает весьма сильное влияние на
асимметрический выход реакции каталитического гидрирования
метилового эфира ацетоуксусной кислоты.
Особый интерес представляет тот факт, что оптимум pH соот-
ветствует 5,1. Количество глутаминовой кислоты, адсорбирован-
ной скелетным никелевым катализатором, также сильно варьирует
в зависимости от pH раствора. Однако прямой зависимости между
асимметрическим выходом и количеством адсорбированной глута-
миновой кислоты не наблюдалось.
Влияние температуры. Зависимость между активностью моди-
фицированного катализатора и температурой модифицирующего
раствора изучалась путем инкубирования скелетного никелевого
катализатора в 2%-ном растворе глутаминовой кислоты при pH 5,1.
Наиболее высокая левовращающая активность была отмечена для
метил-р-оксимасляной кислоты, полученной при использовании
138
Ш. Акабори
скелетного никелевого катализатора, который был подвергнут
модификации при 0°. При повышении температуры модифицирую-
щего раствора наблюдалось уменьшение указанной активности,
причем гидрирование протекало по-прежнему при температуре 60°.
Фиг. 1. Влияние pH модифицирующего раствора на выход асимметриче-
ского синтеза.
/ — оптическая активность продукта восстановления; II — количество L-глутамино-
вой кислоты, адсорбированной катализатором. Справа по оси ординат отложено количе-
ство адсорбированной глутаминовой кислоты в % (по весу).
Характерно, что продукт, получаемый при использовании ката-
лизатора, модифицированного при температуре выше 80°, вращает
вправо (фиг. 2).
Влияние pH модифицирующего раствора на никель Ренея
было несколько иным, если обработка производилась при темпе-
ратуре 100° (фиг. 3).
Влияние продолжительности инкубации на модифицирование
катализатора изучали, проводя инкубацию в течение от 2 мин
до 47 час. Оказалось, что насыщение катализатора глутаминовой
кислотой происходит в течение 10 мин. Более длительное выдер-
живание катализатора в растворе глутаминовой кислоты не давало
сколько-нибудь ощутимого эффекта, однако через несколько часов
инкубации наступает постепенное снижение активности катали-
затора в асимметрическом синтезе (табл. 1).
Действие смеси D- и Ъ-глутаминовой кислот. Было изучено
влияние обработки различными смесями D- и L-глутаминовой
Асимметрическое гидрирование карбонильных соединений
139
Таблица 1
Влияние продолжительности инкубации
на выход продуктов асимметрического синтеза
Продолжитель- ность инкубации [а]д образую- щегося продукта, град р
2 мин —2,56 12,2
10 » —3,51 16,8
1,5 час —3,46 16,5
19 » —3,30 15,8
47 » —2,98 14,3
кислот на выход продуктов реакции асимметрического синтеза.
Установлена почти линейная зависимость между оптической актив-
ностью продукта реакции и соотношением этих двух аминокислот
в смеси (табл. 2).
Таблица 2
Влияние относительных количеств L-
и D-глутаминовой кислот в смеси на выход
продуктов асимметрического синтеза
L-глутамино- вая кислота D-глутамнио- вая кислота [а]£? образу- ющегося продукта, град р
10 0 —2,86 13,7
9 1 —1,90 9,1
6 4 —0,45 2,2
0 10 + 2,95 14,1
Влияние последовательной обработки. Катализатор обраба-
тывали D-глутаминовой кислотой, промывали и затем обрабаты-
вали L-глутаминовой кислотой; катализатор подвергали также
обработке в обратном порядке. Оказалось, что конечный резуль-
тат обработки определяется вторым агентом, а не первым. Эти
данные свидетельствуют о том, что глутаминовая кислота непрочно
связывается никелевым катализатором и легко может быть заме-
щена другим агентом.
Влияние различных аминокислот. Изучали модифицирующую
способность различных природных L-аминокислот. Установлено,
что большинство L-a-аминокислот являются активными модифи-
Фиг. 2. Влияние температуры модифицирующего раствора на выход асим-
метрического синтеза.
Белые кружки — оптическая активность продукта восстановления; черные кружки —
количество L-глутамииовой кислоты, адсорбированной катализатором. Справа по оси;
ординат отложено количество адсорбированной глутаминовой кислоты в % (по весу).
Рн
Фиг. 3. Влияние pH модифицирующего раствора после инкубации с L-глу-
Таминовой кислотой при 100° иа выход асимметрического синтеза.
Асимметрическое гидрирование карбонильных соединений
141
пирующими агентами в отношении скелетного никелевого ката-
лизатора. Этот эффект проявляется в значительно меньшей сте-
пени, чем в случае глутаминовой кислоты, и зависит от условий
Фиг. 4. Влияние pH модифицирующего раствора на выход асимметриче-
ского синтеза.
Белые кружки — при температуре 0°; черные кружки — при 100°; звездочки — вычи-
сленные значения.
модифицирования. В случае L-валина и L-изолейцина температура
модифицирующего раствора оказывает слабое влияние на выход
оптически активных продуктов; в обоих случаях оптическая актив-
ность метил-р-оксимасляной кислоты была порядка [а]д = — 2,0.
142
Ш. Акабори
Гидрирование ацетофенона. Ацетофенон (16 г) подвергали гид-
рированию в присутствии модифицированного скелетного никеле-
вого катализатора при вышеописанных условиях. Оптическая
активность образующегося фенилметилкарбинола равна [а]д +
+ 0,90°.
Влияние L-яблочной и D-винной кислот. В результате гидри-
рования метилового эфира ацетоуксусной кислоты никелевым
Фиг. 5. Влияние температуры модифицирующего раствора при pH 5,1 на
выход асимметрического синтеза.
катализатором, обработанным L-яблочной кислотой, образуется
правовращающая метил-|3-оксимасляная кислота, тогда как после
обработки L-аспарагино'вой кислотой происходит образование лево-
вращающей формы.
Наибольший выход продуктов асимметрического синтеза наблю-
дается при обработке скелетного никелевого катализатора D-винной
кислотой, причем обнаружена зависимость выхода от pH моди-
фицирующего раствора (фиг. 4).
Оптимальным является pH порядка 5,0, как и в случае глута-
миновой кислоты. Однако при обработке винной кислотой действие
температуры модифицирующего раствора носит совершенно иной
характер, чем при обработке глутаминовой кислотой. При повы-
шении температуры модифицирующего раствора наблюдается зна-
Асимметрическое гидрирование карбонильных соединений
143
чительное возрастание асимметрической активности катализа-
тора (фиг. 5).
В нашей работе не содержится данных, касающихся вопроса
абиогенного асимметрического синтеза органических веществ.
В настоящее время невозможно представить себе механизм асим-
метрического гидрирования ввиду отсутствия представлений как
о внутрикомплексном состоянии модифицирующих агентов, так
и об адсорбции субстрата на поверхности катализатора. Тем не менее
на основании полученных данных можно сделать предположение
о возможности асимметрического синтеза органических соеди-
нений при адсорбции на поверхности твердого вещества. В наи-
более удачных опытах в случае метил-|3-оксимасляной кислоты
для [а]д было найдено значение —10°. Это значит, что продукт
состоит на 75% из L-формы и на 25% из D-формы.
Для установления , истинного механизма процесса асимметри-
ческого гидрирования необходимо разработать новую методику,
которая позволила бы нам изучить тонкую структуру вещества,
адсорбированного на поверхности катализатора. Я надеюсь, что
какому-либо выдающемуся специалисту в области физической химии
в ближайшем будущем удастся разработать такой метод.
ЛИТЕРАТУРА
1. Fukawa Н., Izumi Y., Komatsu S., Akabori S., Bull.
Chem. Soc. Japan, 35, 1703 (1962).
2. Izumi Y., I m a i d a M., Fukawa H., Akabori S,, Bull.
Chem. Soc. Japan, 36, 21 and 155 (1963).
3. Клабу новский E. И., в кн. «Возникновение жизни на Земле».
Труды Международного симпозиума 19—24 авг. 1957 г., М., стр. 168,
Изд-во АН СССР, М., 1959.
4. L е v е п е Р. A., Haller Н. L., J. Biol. Chem., 65, 51 (1925).
5. Пасы некий А. Г., Волькенштейн М., А к а б о р и Ш.,
в кн. «Возникновение жизни на Земле». Труды Международного симпо-
зиума 19—24 авг. 1957 г., М., стр, 183— 185 (дискуссия), Изд-во АН СССР,
М., 1959.
6. Терентьев А. П., К ла б у н о в с к и й Е. И., в кн. «Возникнове-
ние жизни на Земле». Труды Международного симпозиума 19—24 авг.
1957 г., М., стр. 99, Изд-во АН СССР, М., 1959.
ОБСУЖДЕНИЕ ДОКЛАДА
Бернал. Данные по асимметрическому синтезу, представ-
ленные проф. Акабори, продвигают нас на шаг вперед в понимании
одного из самых трудных вопросов происхождения жизни. Однако
с их помощью нельзя получить окончательного ответа ввиду того,
что в данном эксперименте оптически неактивный скелетный нике-
левый катализатор, выполняющий роль фермента, требует пред-
варительной обработки оптически активным соединением.
ЭТАПЫ И МЕХАНИЗМЫ ПРЕДБИОЛОГИЧЕСКОГО
ОРГАНИЧЕСКОГО СИНТЕЗА
д ж. О Р О
Department of Chemistry, University of Houston, Houston, Texas
I. ВВЕДЕНИЕ
Исчерпать обсуждаемый вопрос за .30 минут, отпущенных для
доклада, конечно, невозможно. Поэтому я вынужден ограничиться
рассмотрением лишь некоторых аспектов проблемы. Прежде всего,
я намерен вкратце остановиться на вероятных этапах синтеза
органических соединений в период, предшествовавший образова-
нию Земли, и в момент этого образования. Затем я хочу кратко
обсудить некоторые возможные механизмы абиогенного синтеза
аминокислот, пуринов, пиримидинов и моносахаридов, ограничи-
ваясь данными, полученными в нашей лаборатории; я не буду
останавливаться на рассмотрении синтеза более сложных биоло-
гических молекул — этот вопрос будет рассматриваться на другом
заседании. Дополнительная информация, касающаяся обсуждае-
мой проблемы, содержится в ряде наших публикаций [29, 34—37].
Как станет ясно из дальнейшего изложения, в проблеме этапов
и механизмов предбиологического органического синтеза больше
неразрешенных вопросов, чем выясненных положений. В аудито-
рии, кажется, отсутствуют специалисты по ' химии метеоритов
и геохимики, т. е. те люди, которые смогли бы нам помочь при
выяснении вопросов космической химии; но, к счастью, среди при-
сутствующих есть крупные биохимики, и они, без сомнения, окажут
нам помощь в выяснении некоторых механизмов синтеза. Прежде
чем начать, я бы хотел поблагодарить д-ра Буханаиа за произне-
сенную им сегодня утром ободряющую речь, которую он посвятил
рациональному подходу к проблеме появления первых простей-
ших органических систем.
II. РАЗЛИЧНЫЕ ФОРМЫ ЭНЕРГИИ
Образование органических соединений во Вселенной, по-види-
мому, происходит в результате воздействия, по крайней мере,
трех видов энергии: тепловой энергии, энергии ионизирующего
излучения и энергии ультрафиолетового света (табл. 1). Первичным
Этапы предбиологического органического синтеза
145
источником этих трех форм энергии служат термоядерные про-
цессы, протекающие в недрах звезд.
Таблица 1
Действие различных видов энергии
Вид энергии Источник энергии Результат
Тепловая энер- гия Атмосфера звезд, удары и т. д. (103-104 °К) Образование ионов и ради- калов, способных при ох- лаждении рекомбинировать- ся
Локальные процессы (425 — 1000 °К) Образование ангидридов и продуктов пиролиза
Ионизирующее излучение Протоны, электроны и а-частицы, испускаемые Солнцем или протосолнцем; радиоактивность in situ Образование ионов и ра- дикалов, сопровождающееся рекомбинацией
Ультрафиолето- вый свет Солнце или протосол и це Ионизация (коротковолно- вый ультрафиолет) и (или) возбуждение, сопровожда- ющееся химической реакцией
Источником химической энергии в атмосферах относительно
холодных углеродных звезд (спектральных классов R и N), в основ-
ном имеющих температуру около 3000° К, служит тепловая энер-
гия [50]. Температуры такого порядка и выше обычно возникают
в результате столкновений космических тел или вообще при ударе
и взрыве [13, 29]. Более низкие температуры возникают при про-
текании таких общих и локальных процессов, как гравитационное
сжатие, радиоактивный распад или явления, связанные с обра-
зованием хондр в хондритах. При температуре 103—104 °К могут
существовать лишь самые простые молекулы, радикалы и ионы.
Ионизирующая радиация в форме протонов, электронов, а-час-
тиц или рентгеновских лучей, исходящая от протосолнца или от
Солнца, а также радиоактивность, возникающая in situ в солнеч-
ной туманности, вызывают образование радикалов и ионов, которые
в результате рекомбинаций превращаются в конечном счете в более
стабильные продукты [51]. Ультрафиолетовый свет (УФ) вызы-
вает явления ионизации и возбуждения, которые предшествуют
химическим реакциям. Однако ультрафиолетовый свет обладает
более избирательным действием: поглощение этого вида электро-
146
Дж. Оро
магнитной энергии зависит от природы облучаемого соединения.
При электрических разрядах высвобождается энергия всех трех
видов, о которых мы говорили выше.
Но я хотел бы подчеркнуть, что в конечном счете неважно,
за счет какого источника энергии возникают продукты, обладаю-
щие высокой реакционной способностью. Итак, оставляя в стороне
незначительные различия, связанные с избирательностью, можно1
сказать, что конечный результат действия всех трех видов энергии
заключается в образовании реакционноспособных промежуточных
продуктов, которые в результате рекомбинаций, происходящих
в остывающих зонах с относительно низкой температурой, превра-
щаются в более сложные молекулы.
111. ЭТАПЫ ПРЕДБИОЛОГИЧЕСКОГО СИНТЕЗА ОРГАНИЧЕСКИХ
СОЕДИНЕНИЙ
В табл. 2 представлены четыре главных этапа предбиологиче-
ского синтеза в том виде, в каком они, по-видимому, имели место
в процессе образования солнечной системы.
Таблица 2
Этапы предбиологического органического синтеза
Этап Средние возможные температуры, °К Преобладающая форма энергии
Звездная атмосфера 3000-6000 Тепловая энергия (источ- ник—ядерные процессы)
Солнечная туманность Матрикс < 425 Хондра > 1000 Радиоактивное излучение Тепловая энергия
Предпланетный этап (пла- нетезимали, кометозимали) Общая < 425 Локальная >1000 Корпускулярное и элект- ромагнитное излучение Тепловая энергия (за счет ударов, ударных волн и т. д.)
Ранний этап образования планет (первичная Земля, ко- меты, Юпитер и т. д.) Общая < 425 Локальная > 1000 Корпускулярное и элект- ромагнитное излучение Тепловая энергия (от уда- ров, ударных волн и т. д.)
Синтез простейших органических соединений происходил,
вероятно, вначале на этапе «звездной атмосферы», т. е. в атмосфере
Этапы предбиологического органического синтеза
147
тех звезд, которые служили материалом при формировании сол-
нечной туманности. Аналогичные процессы синтеза происходят
и в настоящее время в атмосфере углеродных звезд. Синтез, по-ви-
димому, начинается с того момента, как Н, С, О, N (а также S и Р)
выходят из внутренней области звезды и становятся частью атмо-
сферы. Спектроскопический анализ атмосфер углеродных звезд
показал, что в их молекулярном спектре преобладают полосы,
соответствующие углеродсодержащим соединениям. Эти соеди-
нения представляют собой простые двухатомные сочетания угле-
рода с водородом. Термодинамические расчеты равновесной диссо-
циации при температурах 2500—6000 °К |2] показывают, что эти
простейшие углеродсодержащие молекулы, а также Н2, ОН и NH
являются наиболее термостабильными двухатомными сочетаниями
из всех известных во Вселенной.
Возможно, что некоторые продукты, возникшие в углеродных
звездах, много лет назад были выброшены в межзвездное простран-
ство, конденсировались там в более сложные соединения и, по-види-
мому, стали частью солнечной туманности. Действительно, как
недавно предположили Хойл и Викрамасингх [16], пульсирующая
углеродная звезда типа N вырабатывает углеродсодержащие сое-
динения в форме частиц, которые под влиянием давления излучения
вылетают в межзвездное пространство со скоростью 5-Ю25 г в год.
Это на несколько порядков выше, чем общее количество углерода,
присутствующее , в настоящее время во всех живых организмах,
обитающих на Земле.
Второй этап представляет собой «этап солнечной туманности».
Согласно низкотемпературной модели образования солнечной сис-
темы [15, 53, 55], в солнечной туманности преобладали, по-види-
йому, относительно низкие температуры. Поэтому, если не считать
эффекта распада К40 или радиоактивных изотопов с коротким перио-
дом полураспада, химическая активность на этом этапе должна
была быть довольно низкой. Если же взять за основу «высоко-
температурную модель», то дело обстоит иначе [7].
На следующем «допланетном этапе», вероятно, возникала высо-
кая активность, особенно после образования протосолнца. Суще-
ствовавший в то время интенсивный поток излучения [10] мог
привести к образованию органических соединений на планете-
зималях. Возможно также, что в расположенных ближе к центру
областях солнечной системы могло возникнуть кратковременное
нагревание порядка 2000 °К, создаваемое спорадическими удар-
ными волнами, исходящими из протосолнца.
Условия на «раннем планетном этапе» сходны с условиями
на допланетном этапе с той разницей, что тела порядка нескольких
метров (планетезимали) группируются в более крупные образо-
вания, которые в конце концов становятся планетами и другими
148
Дж. Орд
телами солнечной системы. С химической точки зрения (оставляя
в стороне вопросы эволюции планет и т. п.) кометы и планеты
типа Юпитера могут в данном случае представлять собой «иско-
паемые» образцы этого этапа.
Итак, мне хотелось бы подчеркнуть ту мысль, что образование
органических соединений, происходило задолго до возникновения
Земли. Эта мысль была высказана в целом ряде работ [10, 19, 29],
а также на этом заседании проф. Берналом.
IV. УСЛОВИЯ и МОДЕЛИ РАННЕГО ЭТАПА ОБРАЗОВАНИЯ
ПЛАНЕТ
Ниже перечислены условия, которые предположительно суще-
ствовали на раннем этапе образования планет.
Общие условия, существовавшие, по-видимому, в течение двух
последних этапов предбиологического органического синтеза
Водная система (твердая, жидкая или газообразная)
Щелочные свойства (гидрат окиси аммония)
Восстановительные свойства (отсутствие свободного кислорода)
Относительно низкая температура «425°К)
Заметная концентрация соединений углерода
Свойствами, отражающими эти условия, как раз и отличаются
углистые хондриты [9, 23]. Это была водная система, характери-
зующаяся щелочными свойствами и восстановительным характером.
Эти особенности логически вполне объяснимы с точки зрения того
факта, что водород, вода и аммиак являются тремя наиболее рас-
пространенными соединениями во Вселенной. Температуры были
относительно низкими, не превышавшими, по-видимому, 425° К
[53], хотя в отдельных областях имели место более высокие тем-
пературы.
Далее, следует отметить наличие заметных начальных концен-
траций соединений углерода. Следует отметить, что это предполо-
жение устраняет трудность, связанную с тем, что воды земного
океана содержат лишь очень небольшое количество органических
соединений. Насколько можно судить по данным астрофизики
и на основании исследований комет и метеоритов, относительная
концентрация соединений углерода на самом деле была очень
высокой. Например, известно, что углистые хондриты содержат
до 5% углерода; следовательно, концентрация соединений угле-
рода в них еще выше. Концентрация органических веществ в коме-
тах также, по-видимому, высока [57, 58]. Кометы — это косми-
ческие тела, существующие ныне в солнечной системе; их можно
детально изучить спектроскопическими методами [52]. Поэтому-то
Этапы предбиологического органического синтеза
149
мы и выбрали их в качестве модели для экспериментального изуче-
ния абиотического органического синтеза. В табл. 3 приведены дан-
ные по химическому составу комет, а также некоторые их допол-
нительные характеристики. Наличие двухатомных и трехатомных
молекул углерода в кометах доказано очень убедительно.
Таблица 3
Химические продукты, обнаруженные в кометах, а также другие
характеристики комет
Состав (по результатам спектраль-
ного анализа)
Исходные соединения (по результа-
там расчетов или определений)
Средняя масса (по результатам рас-
четов или определений; см. [47])
Вероятность столкновений с Землей
Количество кометного вещества, по-
павшего на Землю [47]
CN, СН, СН2, С2, С3, NH, NH2,
ОН, СН+, СО+, СО; , NJ , ОН+ и Na
HCN, NH3, Н2О, СО, C2N2, СН4,
С2Н2 и другие углеводороды
Ю18±з г (1018 а —минимальная мас-
са кометы Галлея)
100 столкновений за 5-Ю9 лет
Ю2°±з г за 5-109 лет
Все эти типы реакционноспособных химических продуктов
могут быть легко получены в лаборатории. Недавно Скеллу и Уэс-
котту [49] удалось показать прямое превращение твердого углерода
в С3. Цианистый водород, цианоген, метан, аммиак и вода представ-
ляют собой основные элементы кометного ядра. Дополнительные
данные по кометам можно найти в статьях Рихтера [47] и Оро [29].
V. СИНТЕЗ АМИНОКИСЛОТ
А. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Теперь мы переходим ко второй части доклада, посвященной
проблеме биогенеза различных соединений, в частности таких, как
аминокислоты, пурины, пиримидины и моносахариды, которые
могут синтезироваться в условиях, сходных с описанными ранее.
Я полагаю, что для проведения этих опытов по синтезу следует
использовать смеси соединений, предположительно присутствую-
щих в кометах. При этом следует использовать любой из имеющихся
источников энергии — тепло, ионизирующее излучение или уль-
трафиолетовое излучение. Можно также использовать электриче-
ский разряд, при котором выделяются все три названных вида
энергии; относительная доля каждого вида энергии зависит от
характера разряда. Однако если исходить из смеси таких реак-
ционноспособных соединений, как HCN, СН2О, NH2OH, NH2NH2,
150
Дж. Оро
то тогда нет необходимости использовать энергию, обладающую
высокой активирующей способностью.
На фиг. 1 представлен реакционный сосуд, применяющийся для
проведения опытов с ионизирующим излучением и созданный для
того, чтобы воспроизвести условия облучения ядра кометы. В камеру
вводили С14-метан, аммиак и воду, а затем с помощью жидкого
азота, находившегося в сосуде Дьюара (слева от камеры), их охла-
ждали до твердого состояния. После этого твердый диск, состоящий
Фиг. 1. Сосуд, используемый для облучения электронами с энергией 5 Мэв
С14-метана, аммиака и воды в твердом состоянии [32].
из метана, аммиака и воды, облучали электронами с энергией
5 Мэв [32]. Другие опыты с облучением проводили при комнатной
температуре (при этом компоненты находились в газообразной
и жидкой фазе), как это в свое время делали Кальвин [6] и Палм
и Кальвин [44]. Синтез происходил во всех случаях, что было
доказано с помощью радиоавтографов, полученных с хромато-
грамм (фиг. 2); при этом был идентифицирован целый ряд амино-
кислот, в том числе глицин, глицинамид, аланин и аспарагиновая
кислота [30, 44]. Эти результаты аналогичны данным, полученным
в опытах с электрическим разрядом [26, 31]; пример такого опыта
представлен на фиг. 3. На фиг. 4 приведен результат анализа амино-
кислот [29], содержащихся в продукте реакции, образовавшемся
после действия электрического разряда (фиг. 4).
Совсем недавно мы совместно с Скьювсом изучали образование
аминокислот и других органических соединений при высоких тем-
Этапы предбиологического органического синтеза
151
пературах, пытаясь тем самым воссоздать процессы, происходив-
шие в остывающих зрнах звездных атмосфер и в областях столкно-
вений комет [29]. Пропуская смеси метана, аммиака и воды через
трубку, нагретую до 1300° К, мы получали набор аминокислот
Фиг. 2. Радиоавтографы двумерной хроматограммы продуктов, полученных
при облучении смеси С14-метана, аммиака и воды [32].
БПВ — система бутанол : пропанол : вода; ПАВ — система пропанол : аммиак : вода.
(см. табл. 4); с помощью аминокислотного анализатора удалось
установить, что при этом синтезируются глицин и аланин в отно-
сительно больших количествах, а также аспарагиновая кислота,
серин, треонин, глутаминовая кислота, .аллоизолейцин, лейцин,
изолейцин, фенилаланин и тирозин — в меньших количествах.
Кроме того, обнаружены дополнительные количества соединений,
дающих положительную реакцию с нингидрином; далее, спектрофо-
тометрически было установлено образование веществ, поглощающих
Фиг. 3. Радиоавтограф двумерной хроматограммы продуктов, полученных
при воздействии электрических разрядов на смесь С14-метана, этана, аммиака
и воды [31].
БПВ — система бутанол : пропанол: вода; ПАВ — система пропанол : аммиак : вода.
Объем элюата, мл
Фиг. 4. Анализ аминокислотного состава (на ионообменной смоле) про-
дуктов, полученных при воздействии электрических разрядов на смесь
метана, этана, аммиака и воды [31].
Таблица 4
Аминокислоты, синтезированные из смеси метана, аммиака и воды,
при температуре около 1300° К
Соединения, дающие реакцию с нингидрином Количество (в расчете на 1 моль СН4), мкмоль•103 Соединения, дающие реакцию с нингидрином Количество (в расчете на 1 моль СН4), МКМОЛЬ • 1 03
Ui 2 Глицин 9300
и2 40 Аланин 5600
Аспа >агиновая кислота 10 Аллоизолейцин 10
и3 4 Изолейцин 10
Треонин 100 Лейцин 20
Серин 40 Тирозин 2
Глутаминовая кислота 40 Фенилаланин 2
10 Аланин 100
Таблица 5
Аминокислоты, синтезированные в водных растворах из смесей
реакционноспособных соединений
Аминокислоты или амиды аминокислот Относитель- ное количесст- во
Из смеси HCN + NH3 + H2O или из смеси СН2О-,'- + nh2oh+h2o
Глицинамид + + +
Глицин + + +
Аланин + +
Аспарагиновая кислота 4- 4*
Серин ++
Глутаминовая кислота +
Треонин 4~
Лейцин -г
Изолейцин +
Аргинин 4-
а-Амино-н-масляная кислота 4-
Р-Аланин ++
а,р-Диаминопропионовая кислота 4" 4-
Из смеси СН2О + N2H4 4 Н2О
Глицин ++
Валин 4~ 4-
Лизин ++
154
Дж. Оро
ультрафиолетовый свет в области 260 и 280 ммк. Полностью эти
вещества еще не идентифицированы.
При термической обработке других простых смесей образовы-
вались иные биохимически важные соединения. Так, если ацетамид,
образующийся при облучении протонами метана, аммиака
и воды [3], подвергнуть термическому разложению, то, кроме
вышеназванных а-аминокислот, возникают р-аланин и его пред-
шественник Р-аминопропионитрил. Как было показано ранее,
аминокислоты могут также синтезироваться и под воздействием
ультрафиолетовых лучей [34].
Ясно, что аминокислоты могут быть получены при действии
любого из трех видов энергии (тепловая энергия, ионизирующее
излучение или ультрафиолет). Более того, как я и предполагал
ранее, можно синтезировать биологически важные соединения
без применения этих видов энергии — в случае если для синтеза
будут использованы высокореакционноспособные предшественники.
Действительно, аминокислоты удалось синтезировать из смеси
формальдегида, гидроксилами на и воды [42], из формальдегида,
гидразина и воды [24], а также из цианистого водорода, аммиака
и воды [21, 39]. Эти аминокислоты приведены в табл. 5.
Б. МЕХАНИЗМЫ
Теперь мы подошли к вопросу, каким образом синтезировались
аминокислоты в вышеописанных опытах. Для упрощения огра-
ничимся лишь опытами с метаном, аммиаком и водой и примем,
что один из конечных этапов включает конденсацию Штрекера [27,
42]; в этом случае возникает два вопроса: каким образом синте-
зируется алифатический или ароматический альдегид и как про-
текает конечная конденсация?
Низкомолекулярные алифатические углеводороды, превращаю-
щиеся в конечном счете в алифатические альдегиды, могут обра-
зовываться двумя путями (фиг. 5). Если бы в гомогенной системе
функционировал механизм рекомбинации радикалов, то это при-
вело бы главным образом к возникновению изомерных или раз-
ветвленных углеводородов. В случае же, если функционирующий
механизм будет действовать на поверхности, подобно синтезу
Фишера — Тропша [12], это, напротив, должно привести к пре-
имущественному образованию нормальных неразветвленных угле-
водородов.
Полученные результаты [11, 34] говорят в пользу преобла-
дания механизма с участием радикалов. В этом плане было бы
интересно исследовать низкомолекулярные углеводороды углистых
хондритов с целью установить относительное содержание развет-
Этапы предбиологического органического синтеза
155
вленных и нормальных углеводородов. Это помогло бы нам выяс-
нить, какой из двух механизмов преобладал в космическом про-
странстве в период, предшествовавший образованию Земли. Для
синтеза ароматического углеводорода стирола был предложен сво-
боднорадикальный механизм, включающий в качестве промежу-
точной стадии образование ацетилена [35]. Стирол в свою очередь
способен превращаться в фенилаланин и тирозин.
Возможные механизмы
Преобладающий
углеводород
Рекомбинация
свободных
радикалов
(—90%) (-80%)
Разветвленный
(изомерный)
О)
Катализ на поверх-
ности (типа синте-
за Фищера-Тропша)
СССС-^-ССССС
ССС---^СССС
Неразветвленный
(с нормальной цепью)
(2)
(^/0%)
Фиг. 5. Возможные механизмы образования низкомолекулярных углево-
дородов.
1 — радикалы вторичных атомов углерода имеют наивысшую стабильность; поэтому
преобладает образование углеводородов с разветвленной цепью; 2 — наращивание про-
исходит с одного конца растущей цепи; при этом преимущественно образуются углево-
дороды с иеразветвленной цепью.
Образовавшиеся углеводороды превращаются затем в альде-
гиды. Этот процесс осуществляется в результате дегидрирования
под действием гидроксильных радикалов (фиг. 6). Гидроксильные
радикалы возникают в результате разложения воды под действием
высокой температуры, ионизирующей радиации, коротковолно-
вого ультрафиолета или же электрических разрядов. Этот процесс
начинается с отщепления от углеводорода атома водорода ОН-ради-
калом; при этом образуется алкильный радикал, который с дру-
гим ОН-радикалом дает спирт. Затем спирт аналогичным путем
превращается в альдегид. Возникает вопрос, почему, если у нас
образуется первичный спирт, то мы получаем альдегид, а не гли-
коль? Согласно данным радиационной химии, спирты превра-
щаются именно в альдегиды, а не в гликоли. Очевидно, благодаря
электроотрицательности атома кислорода атомы водорода, при-
соединенные к углероду оксиалкилыюй группы, легче отщепляются
156 Дж. Оро
при действии ОН-радикалов; при этом происходит резонансная
стабилизация оксиалкильного радикала, что делает возможным
присоединение следующего ОН-радикала. Вот почему в конечном
счете преимущественно образуются альдегиды.
2(-ОИ) 2(-он) RCH-— J-RCH.OH RCHO -нг° -Н2о Альдегид Аминокис- лота
Метан СН4 *- CHjO Формальдегид Глицин
Этан CHjCH3 «-CHjCHO Ацетальдегид Аланин
Изобутан (-Н3 „ fH3 CHj-CH-CHj CHj-CH-CHO сн3 сн^ CHj- CHj-CH-CHO 2-Метилбутан^^.Сн_СНз CHj-CH-CHj-CHO Изобутиральдегид Валин 2-Метилбутиральдегид Изолейцин З-Метилбутиральдегид Лейцин
Фиг. 6. Образование алифатических альдегидов как предшественников
алифатических аминокислот.
Вторичные спирты при дегидратации образуют олефины. Из первичных спиртов обра-
зуются альдегиды, а ие гликоли.
В присутствии аммиака и цианистого водорода из альдегидов
образуются а-аминокислоты и их предшественники — а-амино-
нитрилы [27] и амиды [42]. Для синтеза серина, треонина, аспа-
рагиновой кислоты и других аминокислот требуются дополнитель-
ные реакции [26, 27, 34].
Механизмы, принимающие участие в образовании аминокислот
из цианистого водорода, аммиака и воды, а также из смесей других
веществ, кратко обсуждались в нашей работе, относящейся
к 1963 г. [34]; здесь мы этого вопроса касаться не будем.
VI. СИНТЕЗ ПУРИНОВ
А. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Несколько лет назад мы заинтересовались синтезом полимера
цианистого водорода (из смеси HCN, NH3 и Н2О) в связи с пред-
положением о том, что при гидролизе этого полимера возникают
некоторые аминокислоты [1].
Когда мы из вышеназванной реакционной смеси выделили про-
дукт, поразительно сходный по своим хроматографическим свой-
Фиг. 7. Идентификация аденина среди продуктов реакции, протекающей
в смеси цианистого водорода, аммиака и воды.
Хроматограммы фотографировались в ультрафиолете (2537 А) и обрабатывались по метод!
Герлаха - Дёринга L28J.
А — аденин (стандарт); Г — гуанин (стандарт); X — продукт реакции.
Продолжительность реакции, дни
Фиг. 8. Скорость синтеза аденина при температуре 90° [40].
1 — цианистый водород; 2 — аденцн.
158
Дж. Оро
ствам с аденином, мы не сразу поверили сделанному открытию.
Лишь спустя 6 месяцев после этого неожиданного открытия наш
скептицизм рассеялся.
На фиг. 7 представлены первые хроматограммы, подтверждаю-
щие факт образования аденина из цианистого водорода [281. После
этой работы синтез аденина был тщательно изучен и образовавшийся
продукт идентифицировался самыми различными методами [40].
Обычно реакцию между цианистым водородом, аммиаком и водой
проводили при температуре 70°, хотя в ряде случаев использовали
также более низкие или более высокие температуры. На фиг. 8
представлены скорость синтеза аденина и исчезновение HCN при
температуре 90°. При температуре 70° и ниже скорость синтеза
изменяется линейно в зависимости от времени на протяжении
нескольких дней. В течение одного опыта синтезируется 685 мг
аденина на 1 л, т. е. 0,1 % (или несколько меньше) количества
исходных продуктов, что соответствует концентрации этого веще-
ства в биологических объектах. Как вы знаете, факт синтеза аде-
нина подтвердили Лоу и сотр. [211, а также косвенным путем
Кальвин [61, Палм, Кальвин [43] и Поннамперума и сотр. [461.
которые использовали метод меченых атомов.
Б. МЕХАНИЗМ
Итак, возникает вопрос, как же образуется аденин? Для того
чтобы ответить на этот вопрос, мы попытались обнаружить в
реакционной смеси промежуточные продукты. Нам удалось
Фиг. 9. Механизм образования аденина из цианистого водорода [30].
8® 8©
® И++ [N=cr+C=N
н
N=C~C=N~Н
I
н
8© 8©
(г) [н]+ + [ы=с] + n=c-c=n-h
н
унг
№C-C-C=N
I
н
@ 2 Н—C=N + 2 NH3
2 HN=C-NH.
nh2
© N=C—C— C=N + 2NH3
C-C-
// I
HN H
NH
//
nh2
nh2
HN^
HjN^^NH
Суммарная реакция: 5 HCN-*- Аденин
Фиг. 10. Предполагаемый механизм синтеза пуринов в условиях прими-
тивной Земли.
о
220 260 300 360
Длина волны, ммк
Фиг. 11. Спектрофотометрическая идентификация гуанина, образующегося
при конденсации АИКА с гуанидином или с мочевиной.
/ — стандарт (гуанин); 2 — продукт конденсации АИКА с гуанидином; 3 — продукт
конденсации АИКА с мочевиной.
Продолжительность реакции, час
Фиг. 12. Скорость синтеза гуанина из АИКА и гуанидина, а также из АИКА
и мочевины.
1 — АИКА + гуанидин; 2 — АИКА + мочевина.
Этапы предбиологического органического синтеза 161
идентифицировать 4,5-производные имидазола, в том числе 4-амино-
имидазол-5-карбоксамидин (АЙКАМ) и 4-аминоимидазол-5-карбокс-
амид (АИКА), а также одноуглеродные продукты — формамидин,
формамид и муравьиную кислоту [40]. В другой серии опытов было
обнаружено, что аденин образуется в результате конденсации
АЙКАМ с формамидином [30]. Основываясь на этих данных,
а также на сведениях по конденсации цианистого водорода [56],
мы предложили механизм синтеза аденина из цианистого водо-
рода (фиг. 9,10). Обсуждение этого и других возможных механизмов
опубликовано в предыдущих работах [6, 17, 18, 30, 41, 48]. Меха-
низм синтеза, включающий только нитрилы, хотя и возможен,
но все-таки менее вероятен [48].
Следующий вопрос: как образуется гуанин? Согласно схеме,
приведенной Оро и сотр., гуанин может синтезироваться в водно-
аммиачной среде в результате конденсации АИКА с гуаниди-
ном [41]; в действительности оказалось [33], что гуанин образуется
из АИКА также при его конденсации с мочевиной (фиг. 11 и 12)
при температуре 125°. При использовании мочевины образуется
не только гуанин, но и ксантин. Следует указать, что в числе про-
дуктов, образующихся в смеси цианистого водорода, аммиака
и воды, обнаружен также гипоксантин [21].
VII. СИНТЕЗ ПИРИМИДИНОВ
А. ‘ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Итак, мы установили, что все четыре пурина можно синтези-
ровать из простых предшественников. Теперь перейдем к рассмот-
рению синтеза пиримидинов. В целом ряде опытов нам удалось
получить Р-аланин и [3-аминопропионитрил [34]; промежуточными
продуктами при синтезе этих соединений являются акрилонитрил
(АН), p-аминопропионитрил (АПН) и амид р-аминопропионовой
кислоты (ААП). Известно, что вышеназванные промежуточные
продукты могут служить предшественниками пиримидинов. Так
мы установили, что любой из этих трех продуктов (АН, АПН или
ААП), вступая в реакцию конденсации с мочевиной при темпера-
туре 135° [33], способен дать небольшие количества ура-
цила (фиг. 13, 14). Этот процесс должен сопровождаться дегидри-
рованием, идущим до или после конденсации С3-соединения с моче-
виной.
Б. МЕХАНИЗМ
Полученные данные согласуются с предположением о том, что
обнаруженные в кометах С2- и С3-соединения могли быть пред-
шественниками пиримидинов [29]. Это предположение в даль-
Длина волны, ммн
Фиг. 13. Спектрофотометрическое определение урацила, образующегося
при нагревании растворов акрилонитрила, мочевины и хлористого аммония
в 0,4 н. NaOH (Л) и в 1 н. НС1 (5).
1 — стандарт (урацил); 2 — неизвестное соединение
Фиг. 14. Скорость синтеза вещества А (значение R/ и спектр вещества А
те же, что и у урацила; содержание вещества А выражено числом миллиграм-
мов урацила на 1 л), образующегося при нагревании раствора акрилонитрила,
мочевины и хлористого аммония.
Этапы предбиологического органического синтеза
163
нейшем оформилось в
вероятные механизмы
схему (фиг. 15), на которой представлены
образования урацила, цитозина и тимина.
+
с,
N
III
С.
сн
- II
„сн
H2N
НгО
(NH3)
O(NH)
с
H-N'" ^СН
2 II
.сн
h2n
Мочевина
Р~Аминоакрилонитрил
Урацил (цитозин)
Фиг. 15. Предполагаемый механизм синтеза пиримидинов на примитивной
Земле.
Cvc.CH3
II
„сн
сс-Метил-(3- аминоакрилонитрил
Для того чтобы экспериментально обосновать существование такого
механизма, следует провести опыты с С2- и С3-гомоядерными сое-
динениями, обладающими высокой реакционной способностью.
VIII. ОБРАЗОВАНИЕ МОНОСАХАРИДОВ И СИНТЕЗ РИБОЗЫ
И ДЕЗОКСИРИБОЗЫ
Итак, несмотря на ограниченное время нам удалось рассмот-
реть некоторые детали абиотического синтеза аминокислот, пуринов
и пиримидинов. Для того чтобы завершить картину, поставим
еще один вопрос: каков возможный путь синтеза моносахаридов
и, в частности, рибозы и дезоксирибозы? Еще из работ Бутлеро-
ва [5] и Лева [20] мы знаем, что из формальдегида в водном рас-
творе в присутствии щелочных катализаторов образуются сахара.
Недавно Мариани и Торрака [22] показали, что из формальдегида
при щелочном катализе образуется по меньшей мере 30 моносаха-
ридов. При помощи хроматографии на бумаге им удалось иденти-
фицировать практически все распространенные гексозы, пентозы
(включая рибозу), тетрозы и триозы [22, 25, 45]. На схеме (фиг. 16),
взятой из работы Пфайля и Рюкерта [451, показано, что синтез
начинается с образования гликольальдегида. По-видимому, именно
164
Дж. Оро
эта реакция является реакцией, ограничивающей общую скорость
процесса; по-видимому, именно ею обусловлено наличие индук-
ционного периода в процессе конденсации формальдегида в сахара.
Механизм синтеза гликольальдегида остается до сих пор невыяс-
ненным [41], однако известно, что как только накопится достаточ-
ное количество гликольальдегида, начинается автокаталитический
нсно
носн,—сон снон
2 I I
CHjOH сн,он
сно
I
снон
снон
снон
снон
снгон
^CHjOH
со
снон
снон
снон
CHjOH
снгон
снон
I
СО -
СНОН
СНОН
CHgOH
Фиг. 16. Образование моносахаридов из формальдегида при щелочном
катализе [45].
процесс, за короткое время вовлекающий в реакцию весь имею-
щийся формальдегид; при этом образуются глицериновый альдегид,
тетрозы, пентозы и гексозы. Функционирующим механизмом в этом
случае является процесс альдольной конденсации, катализируе-
мый щелочами.
В моей лаборатории был также осуществлен синтез рибозы
из формальдегида; мы, далее, поставили себе целью выяснить,
каким путем синтезируется 2-дезоксирибоза. Мы предположили,
что образование 2-дезоксирибозы и ее изомера 2-дезоксиксилозы
должно происходить в результате альдольной конденсации гли-
церальдегида с ацетальдегидом; оказалось, что в действительности
Фиг. 17. Спектр производного Дише, полученного при взаимодействии
глицеральдегида с ацетальдегидом.
1 — 2-дезокси-Б-рибоза; 2 — неидентифицированное соединение. Температура 50°; про-
должительность опыта 3 час; состав реакционной смеси: 1% DL-глицерииового альдегида
1% ацетальдегида, 1% Са(ОН)2.
Продолжительность реакции, час
Фиг. 18. Скорость синтеза 2-дезоксирибозы из глицеральдегида и ацеталь-
дегида при участии гидрата окиси аммония как катализатора.
Состав реакционной смеси: 0,1 % DL-глицеральдегида; 0,1 % ацетальдегида; 0,1 % ЫН4ОН.
Температура 23°.
166
Дж. Оро
дело обстоит именно так [38]. Названные 2-дезоксипентозы были
также получены из формальдегида и ацетальдегида; по-видимому,
в этом случае формальдегид вначале превращается в глицериновый
альдегид, который затем конденсируется с ацетальдегидом. Иденти-
фикацию образовавшейся при взаимодействии глицеральдегида
и ацетальдегида 2-дезоксирибозы мы проводили методом спектро-
фотометрии с дифениламином (проба Дише). Общий выход про-
дукта в некоторых случаях достигал 15%.
Было обнаружено, что синтез 2-дезоксирибозы катализируется
некоторыми окислами и гидроокисями, список которых приведен
в табл. 6.
Таблица 6
Соединения, катализирующие синтез
2-дезоксирибозы *
Высокоактивные ; У меренноактмвные
MgO
Са(ОН)2
Ва(ОН)2
NH4OH LiOH
N(CH3)4OH NaOH
N(C2H5)4OH KOH
* Реакционная смесь содержала 0,1% глицери-
нового альдегида, 0,1% ацетальдегида н исследуе-
мое соединение в концентрации 0,1 Л1; температура
50°, продолжительность реакции 1 час.
Окислы двухвалентных металлов оказались особенно актив-
ными катализаторами. С окисью кальция реакция протекает
настолько быстро, что проследить за ней удается только при 0°.
При более высоких температурах реакция заканчивается в течение
нескольких минут, а 2-дезоксирибоза затем превращается в дру-
гие продукты. Гидроокись аммония и другие азотсодержащие
основания, напротив, представляют собой несколько менее актив-
ные и потому более подходящие катализаторы. Удобно проводить
реакцию при комнатной температуре; в этом случае реакция про-
должается в течение долгого времени без заметного разрушения
2-дезоксирибозы или ее превращения в другие продукты (фиг. 18).
В связи с этим интересно отметить, что гидроокись аммония являет-
ся наиболее распространенным основанием во Вселенной и что
основные свойства некоторых углистых хондритов отчасти обуслов-
лены присутствием этого соединения [9]. Таким образом, это про-
стое основание играет, по-видимому, важную роль в абиотическом
синтезе не только аминокислот и пуринов, но также моносахари-
дов, в том числе 2-дезоксипентоз.
Этапы предбиологического органического синтеза 167
IX. ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЯ
1. Изучение состава атмосфер углеродных звезд, межзвездного
вещества, планет типа Юпитера, комет и метеоритов показало, что
синтез органических соединений во Вселенной является процес-
сом более общего характера, чем это предполагалось до сих пор.
2. Органический синтез осуществлялся в период, предшество-
вавший образованию солнечной системы, и во время ее образова-
ния; он имел место уже на том этапе, когда Земля еще оконча-
тельно не сформировалась. По-видимому, такой синтез происхо-
дил в атмосферах углеродных звезд, в солнечной туманности,
в планетозималях и протопланетах.
3. Энергия, необходимая для этих синтезов, вначале обеспе-
чивалась за счет высокой температуры звездных атмосфер, а затем
главным образом за счет ионизирующего и ультрафиолетового излу-
чений Солнца. В образовании органических соединений, по-види-
мому, принимали участие также каталитические процессы; исполь-
зовались и другие внутренние источники энергии.
4. Астрономические наблюдения и изучение метеоритов пока-
зывают, что на последних этапах эволюции солнечной системы
большинство космических тел характеризовалось следующими
условиями: восстановительной бескислородной атмосферой, нали-
чием водной среды, щелочным или нейтральным pH, умеренной
температурой и наличием относительно высокой концентрации
органических веществ.
5. Следует отметить, что в абиотическом образовании простых
биохимических соединений принимали участие следующие общие
механизмы: во-первых, механизм с участием радикалов в случае
синтеза алифатических и ароматических альдегидов — предше-
ственников а-аминокислот; во-вторых, активно протекающая
в щелочной среде реакция альдольной конденсации простых альде-
гидов, приводящая к образованию пентоз, 2-дезоксипентоз и дру-
гих моносахаридов; в-третьих, активно протекающая в щелочной
среде конденсация цианистого водорода и других нитрилов с после-
дующим синтезом пуринов, пиримидинов и других гетероцикли-
ческих соединений.
ЛИТЕРАТУРА
1. A b е 1 s о п Р., личное сообщение, 1959.
2. А 1 1 е г L. Н., «The Abundance of the Elements», Wiley (Interscience),
New York, 1961.
3. Berger R., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S., 47, 1434 (1961).
4. В r e s 1 о w R., Tetrahedron Letters, № 21, 22 (1959).
5. Бутлеров A., Compt. Rend., 53, 145 (1861).
168
Дж. Оро
6. Calvin М., «Chemical Evolution», Univ, of Oregon Press, Eugene,
Oregon (1961).
7. C a m e г о n A. G. W., Icarus, I, 13 (1962).
8. С о x A. C., M.S. Thesis, University of Houston, Houston, Texas (1962).
9. DuFresne E. R., Anders E., Geochim. Cosmochim. Acta, 26,
1085 (1962).
10. Fowler W. A., Science, 135, 1037 (1962).
11. F r a n с к В., Chem. Ber., 93, 446 (1960).
12. F r i e d e 1 R. A., Sharkey A. G., Jr., Science, 139, 1203 (1963).
13. H о c h s t i m A., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S., 50, 200 (1963).
14. Horowitz N. H., Miller S. L., Fortschr. Chem. org. Naturstoffe,
20, 423 (1962).
15. Hoyle F., Quart. J. Roy. Astron. Soc., 1, 28 (1960).
16. H о у 1 e F., W i с к r a m a s i n g h e N. C., Monthly Notices Roy.
Astron. Soc., 124, 417 (1962).
17' . Kimball A. P., Ph. D. Thesis, University of Houston, Houston,
Texas 1962
18. К 1 i s s R. M., Matthews C. N„ Proc. Natl. Acad. Sci. U.S., 48,
1300 (1962).
19. L e d e r b e r g J., С о w i e D. B., Science, 127, 1473 (1958).
20. Loew O., J. Prakt. Chem., 33, 321 (1886).
21. Lowe C. U., Rees M. W., Markham R., Nature, 199, 222 (1963).
22. M a r i a n i E., Torraca G., Intern. Sugar J., 55, 309 (1953).
23. Mason B., «Meteorites», Wiley, New York (1962).
24. M a s t e r F., M. S. Thesis, University of Houston, Houston, Texas (1957).
25. Mayer R., Jaschke L., Annalen, 635, 145 (1960).
26. M i 1 1 e r S. L., J. Am. Chem. Soc., 77, 2351 (1955).
27. M i I 1 e r S. L., Biochim. Biophys. Acta, 23, 480 (1957).
28. Oro J., Biochem. Biophys. Res. Commund., 2, 407 (1960).
29. Oro J., Nature, 190, 389 (1961).
30. О r 6 J., Nature, 191, 1193 (1961).
31. Oro J., Nature, 197, 862 (1963).
32. Oro J., Nature, 197, 971 (1963).
33. Oro J., Federation Proc., 22, № 2, 681 (1963).
34. Oro J., Ann. N.Y. Acad. Sci., 108, 464 (1963).
35. Oro J., Proc. Lun. Plan. Expl. Collog., 3, № 2, 9 (1963).
36. Oro J., in «Problems of Evolutionary and Industrial Biochemistry»,
p. 63, Volumein honor of A. I. Oparin, Academy of Sciences, U.S.S.R.
(1964).
37. Oro J., in «Current Aspects in Exobiology», Pergamon Press, New York,
1964.
,38 . О r d J., С о x A. C., Federation Proc., 25, № 2, 80 (1962).
39. О r 6 J., К a m a t S. S., Nature, 190, 442 (1961).
4Q. О r 6 J., Kimball A. P., Arch. Biochem. Biophys., 94, 217 (1961).
41. О r 6 J., К i m b a 1 1 A. P., Arch. Biochem. Biophys., 96, 293 (1962).
42. Ord J., К i m b a 1 1 A. P., F r i t z R., Master F., Arch. Biochem.
Biophys., 85, 115 (1959).
43. P a 1 m C., Calvi n M., Univ. Calif. Lawrence Radiation Laboratory,
Bioorganic Chemitsry Quarterly Report, 9900, 51 (1961).
44. Palm С., С a 1 v i п M., J. Am. Chem. Soc., 84, 2115 (1962).
45. Pfeil E., Ruckert H., Annalen, 641, 121 (1961).
46. Ponnamperuma C., Lemmon R., Mariner R., Cal-
vin M., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S., 49, 737 (1963).
47. R i c h t e r N. B., «The Nature of Comets», Methuen, London, (1963).
48. R u s к e W., личное сообщение.
49. S к e 1 1 P. S„ Wesco tt L. D., J. Am. Chem. Soc., 85, 1023 (1963).
Этапы предбиологического органического синтеза
169
50. Struve О., Zevergs V., «Astronomy of the 20th Century», Macmil-
lan, New York (1962).
51. S w a 1 1 о w A. J., 2 Radiation Chemistry of Organic Compounds», p. 244,
Pergamon Press, New York (1960).
52. Swings P., H a s e r L., «Atlas of Representative Cometary Spectra»,
University of Liege Astrophysical Institute, Louvain (1956).
53. U г e у H. C., «The Planets. Their Origin and Development», Yale Univ.
Press, New Haven, Connecticut (1952).
54. U г e у H. C., Proc. Roy. Soc. (London), 219A, 281 (1953).
55. U г e у H. C., Progr. Phys. Chem. Earth., 2, 46 (1957).
56. V б 1 к e r T., Angew. Chem., 69, 728 (1957).
57. Whipple F. L., Astrophys. J., Ill, 375 (1950).
58. W h i p p 1 e F. L., in «The Moon, Meteorites, and Comets», «The Solar
System», Vol.IV (В. M. Middlehurst and G. P. Kuiper eds.), p. 639, Univ.
' of Chicago Press, Chicago, Illinois (1963).
\ .
ОБСУЖДЕНИЕ ДОКЛАДА
Бернал. В целенаправленной работе д-ра Оро, посвященной
синтезу небольших молекул, из которых слагаются биохимические
макромолекулы, наблюдается значительной прогресс. Результаты
его предыдущих исследований показали, что, взяв почти любые
газообразные соединения водорода, углерода, азота и кислорода,
можно получить основания и аминокислоты. Это позволило д-ру
Оро установить основные этапы синтеза, начиная от низкомоле-
кулярных простых молекул, обнаруживаемых спектроскопически
в углеродных звездах и в хвостах комет. Самым большим достиже-
нием д-ра Оро явился синтез из цианистого водорода оснований,
в частности аденина, причем это открытие было им сделано как бы
попутно. Особенно важно, на мой взгляд, обсуждение вопроса
о том, являются ли углеводороды, участвующие в создании живых
систем, вторичными дистиллятами, примитивными углеводородами
метеоритов или планетозималей; нельзя ли предположить, что эти
углеводороды были вытеснены из недр Земли в результате геотер-
мальных процессов? Однако независимо от того, каков был путь
образования Земли, на ней, по-видимому, имелись подходящие
условия для синтеза низкомолекулярных соединений. Как отмечал
д-р Фокс, при варке первичного бульона не было недостатка ни
в исходных компонентах, ни в кухонной утвари.
Валлентайн. Не наблюдалось ли в ваших последних
опытах образования коричневых полимеров в присутствии аммиака?
Оро. Да, в большинстве случаев у нас образовывались именно
полимеры.
Валлентайн. Я в данном случае имею в виду формаль-
дегид и аммиак.
Оро. В наших опытах при взаимодействии формальдегида
и аммиака образования полимеров коричневого цвета не наблюда-
лось. Однако не исключено, что они могли образоваться; известно.
170 Дж. Орд
что при других условиях, слегка отличных от использованных
нами, полимерные продукты образовывались из формальдегида.
Так, при облучении водного раствора формальдегида ультрафио-
летом [В а 1 у Е. С. С., Ind. Eng. Chem., 16, 1016 (1924)] возни-
кало полимерное вещество, которое, по мнению Ирвина и Френ-
сиса [Irvine J. С., Francis G. V., Ind. Eng. Chem., 16,
1019 (1924)], является полиоксифенолом. Образование полимеров
при облучении ультрафиолетом растворов формальдегида наблю-
дал в моей лаборатории Фритц.
Валлентайн. Нельзя ли объяснить появление коричневой
окраски в реакции, о которой я говорил, возникновением мела-
нинов?
Оро. При успешной альдольной конденсации из формальдегида
образовывались главным образом пентозы и гексозы. Эта реакция,
по-видимому, не может зайти настолько далеко, чтобы произошло
образование полиоксисоединений с большим числом углеродных
атомов, поскольку пяти- и шестичленные циклы пентоз и гексоз
весьма стабильны. Уместно также назвать еще одну реакцию,
сопровождающуюся появлением коричневой окраски; я имею в виду
конденсацию карбонильной группы моносахарида с аминогруппой
аминокислоты, ведущую к образованию коричневых полимеров.
Если бы эта реакция шла до конца, то среди большого количества
аминокислот было бы невозможно обнаружить моносахариды,
и, наоборот, при отсутствии такой конденсации будет наблюдаться
синтез только одних моносахаридов (A b е 1 s о n Р., личное сообще-
ние, 1959). Однако при облучении ультрафиолетом первичной смеси
метана, воды и аммиака будет проходить одновременный синтез
моносахаридов и аминокислот [Palm С., С а 1 v i n М., J. Am.
Chem. Soc., 84, 2115 (1962)]. Вероятно, гидроокись аммония, при-
сутствующая в смеси, сдвигает равновесие реакции таким обра-
зом, что конденсации карбонильных групп моносахаридов с амино-
группами аминокислот практически не происходит. Я полагаю,
что д-р Поннамперума также скажет об образовании сахаров в при-
сутствии аммиака.
А к а б о р и. Д-р Оро, не обнаруживали ли вы пиримидинов
среди продуктов реакции?
Оро. Да, урацил был одним из продуктов конденсации моче-
вины с амидом или [3-аминопропионитрилом; он образовывался
также при конденсации акрилонитрила с хлористым аммонием.
Саган. Имеются некоторые основания предполагать, что
Земля на ранних стадиях своего образования прошла через высоко-
температурную фазу. Возможны два источника тепловой энергии:
1) сжатие под действием гравитационных сил и 2) радиоактивные
изотопы, особенно изотопы с коротким периодом полураспада, уже
исчезнувшие на Земле; эти изотопы накапливались на поверхности
Этапы предбиологического органического синтеза
171
Земли и вызывали расплавление некоторых ее участков. Если бы
Земля прошла через высокотемпературную фазу, то это вызвало бы
спекание, денатурацию или полное исчезновение тех органических
продуктов, которые возникли на более раннем этапе.
Я также с некоторым опасением отношусь к проведению слиш-
ком прямой аналогии между атмосферами комет и планет. Хотя
в спектрах комет обнаружены радикалы, способные в результате
объединения дать молекулы, присутствие которых мы предпола-
гаем также в атмосферах планет, однако по сравнению с планет-
ными атмосферы комет холодные и разреженные; атмосферы планет
имеют гораздо более высокую температуру и плотность. Эти раз-
личия очень важны с точки зрения вопроса о стабильности свобод-
ных радикалов и долгоживущих возбужденных состояний. Сво-
бодные радикалы и возбужденные состояния в атмосферах планет
отсутствуют, тогда как в кометах, напротив, они будут сохра-
няться.
Данные, полученные на основании изучения спектров комет,
подтверждают идею о том, что органические молекулы и их пред-
шественники широко распространены во Вселенной.
Оро. Вместо того чтобы дать ответы на возникшие вопросы,
вы поставили новые вопросы. Ну, да ладно. Относительно первого
вашего замечания хочется сказать следующее: мне кажется непра-
вильной идея о том, что на первых стадиях Земля находилась
в расплавленном состоянии. Представление о «холодном» возник-
новении Земли более вероятно [Urey Н. С., Geochim. Cosmo-
chim. Acta, 26, I (1962)1; хотя дать точную температурную харак-
теристику для всей поверхности примитивной Земли весьма трудно,
наличие на поверхности Земли таких летучих веществ, как ртуть
и мышьяк [Urey Н. С., Proc. Roy. Soc., London, 219A, 281
(1953)1, указывает на то, что средняя температура поверхности
не превышала 150е; именно такая температура (<425° К) исполь-
зовалась в моих опытах. К такому же выводу можно прийти и на
основании термодинамических расчетов, сделанных в связи с образо-
ванием в атмосферах примитивных планет твердого углерода и орга-
нических веществ [S u е s s Н. Е., J. Geophys. Res., 67, 2029 (1963)1.
Наконец, результаты изучения углистых хондритов — метеоритов,
являющихся, вероятно, частью протопланеты,— также говорят
в пользу того, что поверхность таких планет имеет низкую темпе-
ратуру.
Согласно мнению дю Френя и Андерса, обнаружение в угли-
стых хондритах воды, гидратов и органических веществ свидетель-
ствует о том, что с момента образования эти метеориты не под-
вергались действию температур, превышающих 100°.
Теперь относительно второго вопроса. Я отдаю себе отчет в том,
что между атмосферами планет и комет существуют определенные
172
Дж. Оро
различия. Но ядро кометы аналогично протоземле, еще не про-
шедшей гравитационной дифференциации. Исходя из этой анало-
гии, я предполагаю, что на протоземле имелось большое количе-
ство органического вещества.
С а г а н. Я полностью согласен с тем, что на примитивной Земле,
возможно, присутствовало большое количество органического
вещества. Вопрос в другом: могут ли эти молекулы сохраниться при
термических воздействиях и могли ли предполагаемые синтезы
осуществляться при высоких температурах? Говоря о высокотемпе-
ратурной стадии образования Земли, я имел в виду не расплавле-
ние поверхности, а диссоциацию молекул. Многие геологи и астро-
номы продолжают придерживаться той точки зрения, что Земля
в процессе формирования прошла через расплавленное состояние.
Однако даже если самого расплавления и не происходило, все
равно предполагаемые температуры должны были вызвать разру-
шение молекул. Гарольд Юри, один из основных защитников тео-
рии «холодного» образования Земли, писал: «...тело Луны фор-
мировалось при низких температурах (300—400° К); однако... при
завершении процесса аккумуляции отдельные участки твердой
поверхности Луны нагревались до высоких температур в резуль-
тате адиабатического сжатия газов» [Urey Н. С., The Moon,
I. A. U. Symposium, 14, Academic Press, New York (1960)1. Посколь-
ку при формировании Земли энергия гравитационного потенциала
в расчете на единицу массы была, по-видимому, выше лунной,
можно ожидать, что и поверхностные температуры при этом также
были значительно выше лунных. Температура порядка 600° К,
конечно, не вызовет расплавления пород, но может привести к нару-
шениям в органических молекулах. Попутно хотелось бы упомянуть
о существовании убедительных данных, противоречащих представ-
лению о том, что метеориты могли возникнуть из тел планетной
массы [Anders Е., Go les G., Fish R., Astrophys. J.,
132, 243 (1960)1.
О p о. Большинство имеющихся данных говорит в пользу того,
что на поверхности примитивной Земли преобладали низкие темпе-
ратуры. Однако мы не знаем точно, какова была эта температура.
Предположим, что поверхность Земли была очень сильно нагрета;
тогда большинство органических веществ превратилось бы в угле-
водородные радикалы и продукты пиролиза (цианистый водород,
нитрилы, олефины, альдегиды), которые по самой своей природе
обладают высокой реакционной способностью. Если допустить, что
они не полностью диссипировали в космическое пространство,
то они должны были рекомбинировать друг с другом, давая начало
биохимическим соединениям. Следовательно, должны были идти
все те Же реакции, которые были описаны мною ранее, причем меха-
низмы оставались теми же самыми. Единственное преимущество.
Этапы предбиологического органического синтеза
173
возникающее, по-видимому, в данном случае,— это более равно-
мерное распределение органических веществ на поверхности Земли.
Саган. Да, действительно, термическое разрушение и диссо-
циация первичного органического вещества, образовавшегося очень
рано на Земле, положили начало возникновению жизни. Не все
разрушенные продукты в период исчезновения первичной атмо-
сферы Земли рассеялись в космическом пространстве. Некоторое
время потребовалось для диффузии веществ из внутренних обла-
стей Земли. Позже, когда Земля приобрела современную массу,
размеры и температуру экзосферы, газообразные компоненты про-
дуктов деградации послужили, по-видимому, основным источником
для создания вторичной атмосферы. Поскольку газообразные
вещества должны были быть восстановленными, то и ранняя вто-
ричная атмосфера, видимо, имела восстановительные свойства.
Это именно та атмосфера, которую мы воспроизводим в модельных
опытах в лаборатории, изучая происхождение жизни.
Фокс. Споры относительно точной температуры мне кажутся
излишними. В настоящее время температура земной коры колеб-
лется в весьма широких пределах — от отрицательных темпе-
ратур до температур, превышающих 1000°. Согласно данным гео-
логии, с которыми я ознакомился, такое состояние могло сохра-
няться в течение длительного времени. Но для возникновения
жизни нужно лишь наличие довольно узкого диапазона благоприят-
ных температур — как раз тех, которые мы создаем в наших лабо-
раториях.
Оро. Совершенно верно. В своем докладе (см. табл. 2) я как
раз указывал, что общая температура равнялась 425° К, а в отдель-
ных местах, возможно, достигала и 1000° К-
Мора. Вряд ли следовало тратить 6 месяцев на то, чтобы
поверить в возможность возникновения аденина из цианистого
водорода. Я полагаю, что у вас было правильное соотношение
углерода, водорода и азота; при условии их надлежащей активации
создаются условия для соответствующей перегруппировки атомов
и возникновения новых межатомных связей; поэтому возможность
объединения пяти молекул цианистого водорода воедино не столь
уж неожиданна. Я бы поверил в этот эффект значительно быстрее.
При работе с цианистым аммонием опять-таки имеется благо-
приятное соотношение атомов. Аналогичные результаты полу-
чаются и при нагревании формальдегида. В этом случае имеются
равные соотношения углерода и кислорода (последнего несколько
больше) и в два раза больше водорода; проводя полимеризацию
этих атомов, можно получить соотношение атомных компонентов,
характерное для сахаров.
Вот почему приведенные результаты не кажутся мне столь
уж неожиданными.
174
Дж. Орб
Саган. Наш оптимизм в сравнении с вашим представляется
просто пессимизмом.
Оро. Поскольку д-р Мора обладает столь совершенной интуи-
цией, я бы посоветовал ему самому заняться экспериментированием;
вероятно, результатов придется ждать совсем недолго.
Б у х а н а н. Можно ли предположить, что синтез пуринов
в предбиологических системах совершался по тем же стадиям,
что и современный ферментативный синтез, т. е. путем последова-
тельных реакций взаимодействия простейших предшественников,
таких, как формиат, СО2, глицин, аспартат, глутамин и рибозо-5-
фосфат, с последовательным отщеплением воды на каждом этапе.
Все эти предшественники могли образовываться в предбиологиче-
ских условиях и вполне подошли бы для целей этого синтеза. Хоте-
лось бы знать, как д-р Оро оценивает возможность осуществления
этой последовательности реакций в сравнении с тем путем (обра-
зование пуринов из продуктов конденсации цианистого водорода),
который исследовал он сам.
Поннамперума. Не хотелось бы забегать вперед и изла-
гать суть моего будущего сообщения, но следует сказать, что подоб-
ная реакция может происходить.
Фокс. Позвольте мне ответить д-ру Буханану в отношении
пиримидинов. Урацил синтезируется при повышенной температуре
из мочевины и яблочной кислоты, которые в свою очередь возни-
кают из аспарагиновой кислоты [Science, 133, 3468 (1961)]. Дру-
гой пример — синтез уреидоянтарной кислоты из аспарагиновой
кислоты [Science, 124, 923 (1956)]. Учитывая эти факты, приходишь
к заключению, что биохимические реакции повторяют пути абио-
тических реакций, а не наоборот.
Поннамперума. Мне хотелось бы напомнить д-ру Мора,
что, когда Вёлер в 1828 г. синтезировал мочевину из цианистого
аммония, все были изумлены. Теперь мы уже не удивляемся, а ведь
с этого открытия началась органическая химия.
Оро. Потребовалось два года, чтобы Берцелиус поверил этому
открытию.
Шрамм. Мне как химику-органику очень понравилось, что
д-р Оро попытался выделить промежуточные продукты; надеюсь,
что эта работа будет продолжена. Явление всегда кажется более
убедительным, если удается проследить его промежуточные этапы.
Другой вопрос: есть ли у вас данные, показывающие, что в полу-
ченной вами смеси должны были синтезироваться преимущественно
сахара с цепочкой какой-либо определенной длины?
Оро. Вероятнее всего, происходило преимущественное обра-
зование обычных пентоз или гексоз. Главным аргументом в пользу
этого может служить тот факт, что вслед за процессом конденса-
ции до пентоз и гексоз начинается образование пяти- и шести-
Этапы предбиологического органического синтеза 175
членных колец. Это придает молекуле стабильность, а кроме
того, приводит к практическому исчезновению карбонильной груп-
пы из молекулы моносахарида; тем самым дальнейшая конденсация
становится невозможной. Таким образом, синтез моносахаридов
из формальдегида практически останавливался на уровне пентоз
и гексоз, вопреки тому что было предсказано чисто гипотетически,
без знания механизма этой реакции. Естественно, что всякий раз-
говор об абиогенном синтезе органических соединений и построе-
ние каких-либо предположений на этот счет будет бессмысленным,
если при этом не располагать соответствующими знаниями о меха-
низмах реакций.
Липман. Мне было интересно узнать из этих опытов, что
подобно тому как при участии АТФ — конденсирующего агента
ряда ферментных систем — в живых системах из небольших фраг-
ментов образуются структурные блоки, синтез этих же блоков
(молекул) может происходить и при использовании других источ-
ников энергии. Исходя из этого, строго говоря, можно заключить,
что образование этих соединений еще ничего не говорит о том,
связан ли в действительности этот процесс с возникновением жизни.
Это означает лишь, что синтез, протекающий планомерно и рацио-
нально в живом организме, может осуществляться нерационально
и вне живого организма. В сущности, можно сказать, что сей-
час сложилась ситуация, аналогичная той, которая возникла
после осуществления Вёлером синтеза мочевины из цианистого
аммония.
Оро. Я совершенно согласен с вами, но мне кажется, что
логический и здравый подход к сложной проблеме требует после-
довательной разведки, начиная с самых истоков. Если бы мы рас-
полагали экспериментальными данными, сообщающими о том, как
возник первый живой организм, то необходимость в нашей кон-
ференции отпала бы и нам не нужно было бы сегодня рассуждать
о предбиологических системах.
Г а ф ф р о н. В общем суть того, о чем говорили д-р Опарин
и д-р Холдейн сводится к следующему: если мы докажем, что спе-
цифические органические вещества способны образовываться спон-
танно, то мы можем идти дальше в наших предположениях. Если
бы оказалось, что эти органические соединения ни в коем случае
не могли образовываться на ранних этапах, то мы оказались бы
в тупике. Весьма ободряющее обстоятельство состоит в том, что
мы нашли возможность подхода к этой запутанной проблеме логи-
ческим путем и попытались еще дальше прояснить ее.
Чаргафф. Много ли других полимеров возникает в про-
цессе синтеза сахаров и в какой мере они препятствуют образова-
нию тех основных соединений, которые исследует д-р Оро? И еще:
нельзя ли предположить, что в смеси исходных веществ, взятых
176
Дж. Оро
для синтеза малых количеств дезоксирибозы, имеются следы дезо-
ксирибозы?
Оро. Если вам предложат провести абиотический синтез
метаболизирующей воспроизводящейся органической системы,
используя при этом простую смесь элементов Н, С, О, N, S и Р, то
я уверен, что никто не возьмется за реализацию этой задачи до
тех пор, пока не получит разработку деталей синтеза на каждом
из этапов, входящих в цепь, связывающую простой химический
элемент с живым организмом. И первый этап такого синтеза —
превращение простой смеси элементов в важные биохимические
соединения, принимающие участие в построении такой самовос-
производящейся системы. Именно это и было целью нашей ра-
боты.
В общем мне кажется, что мы практически ничего не знаем
о возникновении жизни; вот почему мы вынуждены продвигаться
медленно и постепенно по пути разрешения этой проблемы.
Что касается заданного мне вопроса, то кое-что относительно
природы полимеров и прочих синтезирующихся соединений нам
известно, хотя специально мы этим вопросом не занимались. Один
из полимеров, образующийся в больших количествах в смеси циа-
нистый водород — вода — аммиак,— это полимерный цианистый
водород. Этот полимер, по-видимому, не препятствовал синтезу
аденина и аминокислот. Согласно предположению д-ра Блуа, он
даже мог бы служить поверхностным катализатором в других
важных синтетических реакциях.
Некоторые из прочих синтезированных полимеров содержат
аминокислоты. Эти полимеры не столько препятствуют синтезу
аминокислот, сколько, напротив, способствуют включению амино-
кислот в дальнейший этап синтеза — образование пептидов. Лёв
и др. [21] выделили из аналогичных смесей полимеры, содержащие
глицин, аланин, аспарагиновую кислоту и другие аминокислоты.
В частности, среди продуктов реакции был обнаружен полигли-
цин. Поскольку мы изучали образование полиглицинов из глицина
и глицинамида в водно-аммиачной среде, мы имеем некоторое
представление о механизме синтеза таких полимеров.
Существуют и другие соединения, также имеющие определенное
биологическое значение. Среди продуктов реакции, образующихся
из цианистого водорода в водной системе, идентифицирован ряд
птеридинов. Возникновение птеридинов можно рассматривать как
шаг к образованию первичных коферментов. К тому же следует
отметить тот любопытный факт, что при конденсации цианистого
водорода в необычных условиях, например в сильно подкисленной
среде, синтезируются триазины и другие соединения, совершенно
чуждые процессам возникновения жизни, а может быть, даже
тормозившие их.
Этапы предбиологического органического синтеза 177
Шрамм. Для того чтобы постигнуть образование биологически
важных соединений, мы должны учесть первичную реакцию, про-
исходящую в исходном материале. При полимеризации с метафосфа-
том рибоза ведет себя по-иному, нежели глюкоза. Если бы мы
применили к этим смесям законы органической химии, то мы смогли
бы сделать более реальные предсказания. Я считаю, что исклю-
чить протекание реакций трудно, но при определенных условиях
можно предсказать, какие реакции будут преобладать.
Мора. Я хотел ответить д-ру Оро, но меня опередил д-р
Шрамм. Я повторю снова то, что говорил в самом начале. Кинетика
химических реакций и полимеризация подчиняются законам тео-
рии вероятностей. То, что я обсуждал, было обычной ярко выра-
женной вероятностью и касалось происхождения жизни. Далее
я хотел бы обсудить проблемы более сложные, нежели полимери-
зация.
Д-р Шрамм упоминал о полимеризации сахаров. При обсужде-
нии синтезов макромолекулярных соединений я попытаюсь пред-
сказать, причем довольно точно, процесс конденсации сахаров,
используя при этом теорию вероятностей. Это была моя основная
работа в течение 50-х годов.
Ш р а м м. Поскольку мы имеем дело с полимеризацией по слу-
чайному закону, постольку мы находимся в области допустимых
значений вероятности. Значения вероятности для живых организ-
мов значительно меньше. Поскольку «невероятность» 1 равна
1 • 1023, она приближается к числу Авогадро. А это означает, что
в нашем распоряжении имеется 1 моль вещества. Если же мы перей-
дем к живым организмам, мы тем самым перейдем к более высоким
порядкам «невероятности» и для этого потребуется большее коли-
чество вещества.
1 По-видимому, используя термин «невероятность», Шрамм имеет в виду
величину, обратную вероятности.— Прим. ред.
ОБРАЗОВАНИЕ АМИНОКИСЛОТ, ПЕПТИДОВ
И МИКРОСФЕР ИЗ ГАЗОВ «ПРИМИТИВНОЙ ЗЕМЛИ»
ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАЗРЯДА
к. ГРОССЕНБАХЕР И К. НАЙТ
Department of Soils and Plant Nutrition and Virus Laboratory,
University of California, Berkeley, California
Немногим более ста лет прошло с тех пор, как Дарвин и Уоллес
открыли новую эру в биологии, выдвинув предположение об эво-
люционном характере процесса развития живых существ. Эта
теория нашла широкую поддержку среди ученых, несмотря на
сильную оппозицию в религиозных кругах.
Логическим продолжением теории биологической эволюции
является развитие представлений об абиогенезе, т. е. возникно-
вении жизни из неживого вещества. Дарвин, по-видимому, созна-
вал возможность подобного расширения своей теории, о чем до
некоторой степени свидетельствует его высказывание, опубликован-
ное в 1871 г. 1 Однако эволюционная теория в таком расширенном
виде в течение многих лет не находила поддержки даже среди
ученых. Непопулярность теории абиогенеза в значительной сте-
пени была обусловлена блестящей работой Пастера, который
окончательно доказал, что исследуемые им живые существа не
зарождались de novo, а являлись потомками таких же живых
организмов.
В настоящее время благодаря работам проф. Опарина и других
многие разделяют мнение о том, что жизнь возникла из неживого.
Конечно, Дарвин еще в 1871 г. предвидел путь, по которому пойдет
мысль эволюционистов. Однако Опарин [1] впервые выдвинул
следующие основные положения:
1) неживые биохимические соединения могли возникать, накап-
ливаться и развиваться до очень сложных систем еще до суще-
ствования жизни на Земле; однако указанный процесс не может
иметь место в настоящее время;
1 Хотя это высказывание появилось в 1871 г., оно было включено в виде
примечания к разделу писем, написанных Дарвином в 1863 —1864 гг., в книге
Дарвина «Жизнь и письма Чарлза Дарвина», т. 2, стр. 202, Эпплтон, Нью-
Йорк, 1898 (F. D а г v i п, The life and letters of Charles Darvin, 2, p. 202,
1898, Appleton, New York). Эта книга повторно издавалась в 1888, 1896
и 1959 гг. Указанный отрывок впервые обсуждался в текущей литературе
Г. Хардином [5].
Образование аминокислот, пептидов и микросфер в электрическом разряде 179
2) примитивная атмосфера имела восстановительный характер,
как предположил Аррениус [2].
Юри представил новые доказательства в поддержку этой тео-
рии, а его ученик Миллер [3] около 10 лет назад сообщил об обра-
зовании аминокислот и других органических веществ в стеклянном
приборе, в котором имеется система электродов для создания
Фиг. 1. Схема искрового прибора.
1 — колба (объем 12 л); 2 — электроды; 3 — отверстие для откачивания газов; 4 — труб-
ка холодильника; 5 — термометр; 6 — электронагреватель; 7 — отверстие для ввода
газов и взятия проб жидкости; 8 — отверстие для взятия проб газа; 9 — трубка, идущая
к манометру; 10 — стеклянные шарики для перемешивания.
искрового разряда и содержится смесь метана, аммиака, водорода
и воды. Было показано, что предшественниками аминокислот в этой
системе являются цианистый водород и альдегиды [4].
Мы повторили эксперименты Миллера — Юри; в опытах был
использован модифицированный прибор, работающий при более
низких температурах. Были получены некоторые из аминокислот,
о которых сообщал Миллер, а также ряд других аминокислот.
Кроме того, нам удалось выявить наличие автокаталитических
реакций, о чем свидетельствовала скорость накопления органиче-
ского азота и ионов цианида.
Использованный прибор (фиг. 1) состоит из шарообразной колбы
на 12 л, сделанной из стекла пирекс. В колбу вмонтированы два
180
К. Гроссенбахер и К- Найт
платиновых электрода, которые соединены с катушкой Тесла и зазе-
млены. Прибор имеет также трубку для откачивания (диаметром
10 мм), змеевиковый холодильник, термометр, спираль для нагрева,
нижнее и верхнее отверстия для взятия проб; прибор соединен
специальной трубкой с ртутным манометром (0—900 мм рт. ст.).
Каждое из двух отверстий для взятия проб снабжено тремя крана-
ми; это позволяет устранять загрязнение колбы при помощи отка-
чивания содержимого. Весь прибор вмонтирован в раму механи-
ческой качалки; полное перемешивание содержимого обеспечивается
погруженными в жидкость стеклянными шариками. В ходе экспе-
римента тщательно вымытую колбу откачивали и проверяли на
отсутствие утечки. После такой проверки в колбу нагнетали через
верхнее отверстие аммиак до давления, немногим менее 1 атм,
и затем заливали 1 л бидистиллята. По мере поступления воды
происходило растворение NH3 и понижение давления до несколь-
ких сантиметров ртутного столба. Далее добавляли метан и водо-
род с таким расчетом, чтобы парциальное давление каждого из газов
составляло приблизительно 0,5 атм, что приводило к повышению
давления внутри колбы до 800—900 мм рт. ст. Обычно искровым
разрядом действовали через 12—48 час, в течение которых устана-
вливали температуру и проверяли отсутствие утечки содержи-
мого.
Пробы, взятые через 24 час после начала пропускания тока,
были обычно слабо окрашены. Однако уже через 48 час жидкость
приобретала соломенно-желтый цвет, который постепенно в ходе
экспериментов, длящихся часто 10—30 дней, сгущался до янтарного
цвета. Предполагается, что этот окрашенный материал состоит
главным образом из полимеризованных цианидов. Известно, что
при искровом разряде образуются цианистые соединения, способ-
ные легко подвергаться полимеризации с образованием смолистых
продуктов янтарного цвета.
I. ДОКАЗАТЕЛЬСТВО ПРИСУТСТВИЯ АМИНОКИСЛОТ
ХРОМАТОГРАФИЯ НА БУМАГЕ
Анализ проб на присутствие веществ, дающих реакцию с нингид-
рином, проводили следующим образом. Через определенные про-
межутки времени из прибора отбирали пробу (приблизительно
25 мл) и помещали ее в колбу, из которой был выкачан воздух.
Порцию в 10 мл (или 20 мл в случае проб, взятых в течение первых
100 час опыта) выпаривали досуха под вакуумом. Осадок растворя-
ли в 1 мл дистиллированной воды. 0,1 мл полученного раствора
наносили на фильтровальную бумагу (ватман ЗММ) и подвергали
хроматографическому разделению в системе бутанол — уксусная
Образование аминокислот, пептидов и микросфер в электрическом разряде 181
кислота — вода (60 : 15 : 25). Одновременно наносили пятно стан-
дартной смеси аминокислот, используемых в качестве свидетелей.
Через 24 час хроматограмму вынимали, высушивали и опрыскивали
раствором нингидрина (250 мг нингидрина, 160 мл этилового спир-
та, 75 мл уксусной кислоты и 10 мл 2,4,6-коллидина).
Как правило, на хроматограмме жидкости, взятой до электри-
ческого разряда, не обнаруживали пятен, дающих окраску с нингид-
рином. Через 24—48 час после искрового разряда на хроматограм-
ме проявляется 2—3 четких пятна, окрашивающихся нингидрином;
эти пятна находятся в районе, соответствующем глицину, серину
и аспарагиновой кислоте. Кроме того, было обнаружено еще 2—3
других слабо выраженных пятна.
При экспозиции в течение приблизительно 100 час число пятен,
проявляющихся нингидрином, увеличивается до четырех. По исте-
чении 200 час появляется 8—12 пятен, причем чаще всего наблю-
дается пурпурный, бирюзовый, серый, персиковый, желтый цвет
и различные оттенки коричневого. Расположение большинства
пятен совпадает с участками, в которых обнаруживаются использо-
ванные аминокислоты-свидетели после разделения в системе бута-
нол— уксусная кислота — вода. Однако расположение некоторых
пятен не соответствует ни одной из 20 обычных аминокислот.
Таким образом, найдено несколько неидентифицированных нин-
гидринположительных веществ, не принадлежащих, очевидно,
к 20 обычным аминокислотам.
АНАЛИЗ СОДЕРЖАНИЯ АМИНОКИСЛОТ, ПРОВЕДЕННЫЙ
В АНАЛИЗАТОРЕ «СПИНКО»
В нескольких пробах, взятых в конце экспозиции, было иссле-
довано содержание аминокислот при помощи аминокислотного ана-
лизатора «Спинко». Предварительно было установлено, что продукт
реакции может быть обесцвечен с помощью промытого кислотой
норита А, причем заметного изменения интенсивности основных
хроматографических пятен, проявляемых нингидрином, не проис-
ходит. Опытный раствор перед концентрированием и нанесением
на ионообменную колонку анализатора «Спинко» обесцвечи-
вали.
Были найдены различные аминокислоты. Характерно, что хотя
в разных опытах их соотношение варьирует, однако в большинстве
случаев основными компонентами являются аланин, глицин и се-
рин. Так, например, в одном из опытов установлено следующее
приближенное соотношение аминокислот (в молях): аспарагиновая
кислота —2, треонин —4, серин — 14, глутаминовая кислота — 1,
глицин — 16, аланин — 14, изолейцин — 2, лейцин—2 и ли-
зин — 4.
182
К- Гроссенбахер и К- Найт
11. ДОКАЗАТЕЛЬСТВО НАЛИЧИЯ ВЕЩЕСТВА ПЕПТИДНОЙ
ПРИРОДЫ
После опрыскивания хроматограмм нингидрином некоторые
из них были подвергнуты хлорированию и обработке иод-крах-
мальным методом для обнаружения пептидной связи. Некоторые
из пятен, проявляемых нингидрином, давали также положительную
реакцию на иод-крахмальную пробу. Два таких пятна расположены
ниже наиболее подвижной аминокислоты (лейцина). Предваритель-
но были предприняты попытки разделить аминокислоты и более
сложные вещества на колонке с ионообменной смолой дауэкс 1 х 2
(размер колонки 1 х 150 см). При помощи указанного метода
удалось получить около 16 фракций. Хроматографический анализ
проб элюатов, находящихся в области пика (эти фракции дают
наиболее интенсивную окраску с нингидрином и при проведении
пробы Фолина — Лоури), показал, что все исследуемые фракции
представляют собой смеси. Как правило, количества материала
в указанных фракциях были слишком малы для проведения повтор-
ного фракционирования. Поэтому нам пришлось разработать иные
подходы.
Были предприняты попытки разделения динитрофенильных
(ДНФ) производных обнаруженных соединений. Для этого из кол-
бы описанного выше прибора отбирали 400—500 мл жидкости,
обесцвечивали ее, используя норит А (из расчета 25 мг древесного
угля на 1 мл жидкости). После отделения древесного угля филь-
трованием фильтрат выпаривали под вакуумом. Осадок растворяли
в 60%-ном этаноле, pH доводили до 8,5 (с помощью NaOH) и доба-
вляли динитрофторбензол — ДНФБ. Снова доводили pH до 8,5
и оставляли реакционную смесь на 2—3 час в темноте, причем время
от времени pH раствора доводили до нужного значения. По оконча-
нии реакции образовавшиеся продукты разделяли путем экстрак-
ции и получали эфирную, этилацетатную и водную фракции. Резуль-
таты хроматографического разделения на бумаге показали, что
в эфирном экстракте содержатся ДНФ-производные аспарагиновой
кислоты, серина, глицина, треонина и аланина. Это говорит о нали-
чии указанных свободных аминокислот в исходной смеси. Полу-
ченные данные подтверждают результаты исследования, проведен-
ного при помощи аминокислотного анализатора «Спинко». В этил-
ацетатной фракции, содержащей, по-видимому, мелкие пептиды,
обнаружено несколько продуктов желтого цвета, разделяющихся
при хроматографировании. Однако идентифицировать их не уда-
лось ввиду того, что они присутствуют в малых количествах. При
хроматографировании водного экстракта (в котором, очевидно, при-
сутствуют ДНФ-пептиды большего молекулярного веса и продук-
ты, не реагирующие с ДНФБ) в системе амиловый спирт — аммиак
Образование аминокислот, пептидов и микросфер в электрическом разряде 183
выявляется одна узкая желтая полоса и одна широкая полоса веще-
ства, взаимодействующего с нингидрином и дающего положитель-
ную иод-крахмальную пробу. Далее проводили элюирование жел-
той полосы; элюат подвергали хроматографическому разделению
на бумаге в системе бутанол — уксусная кислота — вода. В резуль-
тате были получены две желтые полосы. Наиболее интенсивно
окрашенную из них элюировали; элюат гидролизовали в 6 н. НС1
в течение 24 час. Из экстракта не удалось извлечь эфиром ДНФ-
аминокислоту. Этот факт указывал на то, что концевая аминокисло-
та, подобно аргинину, является основной аминокислотой. Ука-
занную аминокислоту отделяли от свободных аминокислот путем
хроматографирования на колонке с амберлитом 1RC-50 и сравне-
ния ее подвижности с подвижностью ДНФ-аминокислот, исполь-
зованных в качестве свидетелей. Сравнительное изучение показало,
что обнаруженная аминокислота не является аргинином и, по-види-
мому, не относится к обычным аминокислотам. В настоящее время
она остается неидентифицированной. Свободные аминокислоты гид-
ролизата исследовали при помощи анализатора «Спинко». Обнару-
жены глицин и изолейцин в соотношении 2:1. Полученные данные,
очевидно, указывают на наличие пептида, в состав которого входят
три разные аминокислоты. Указанный пептид имеет на N-конце
необычную аминокислоту; число содержащихся в нем остатков
глицина и изолейцина неизвестно.
В другом опыте при помощи аналогичных методов исследования
был обнаружен полимер, содержащий аминокислоты. Как пока-
зал анализ, в его состав входят глицин и аланин в соотношении
5 : 1, а также следы изолейцина.
111. ОБРАЗОВАНИЕ ИОНА ЦИАНИДА И СОЕДИНЕНИЙ,
СОДЕРЖАЩИХ ОРГАНИЧЕСКИЙ АЗОТ
Было высказано предположение, что неорганический азот при-
сутствует главным образом в форме аммонийных солей, поскольку
в жидкости, образовавшейся в колбе прибора, было обнаружено
большое количество аммиака. Поэтому по разнице в содержании
аммонийного азота, определяемого в отогнанных пробах до и после
обработки серной кислотой, можно судить о количестве органи-
чески связанного азота. Азот определяли с помощью реактива
Несслера (колориметрический метод). Оказалось, что в пробах,
взятых из искрового прибора, после упаривания под вакуумом
содержится лишь очень небольшое количество неорганического азо-
та. В то же время для них характерно значительное содержание
общего азота (определение по микрометоду Кьельдаля), возрастаю-
щее с увеличением продолжительности опыта. Поразительным ока-
184
К- Гроссенбахер и К- Найт
залось то, что в нескольких опытах (но не во всех) содержание орга-
нического азота увеличивалось по экспоненте. На фиг. 2 представ-
лена зависимость содержания органического азота и содержания
цианида от времени опыта.
Фиг. 2. Изменение содержания цианида и органического азота в водной
фазе в зависимости от длительности искрового разряда.
Представлены результаты двух опытов, J2 н J6. Белые кружки — органический азот
(опыт J2); белые треугольники — циаиид (опыт J2); черные кружки — органический
азот (опыт J6); черные треугольники — цнаиид (опыт J6).
В двух различных опытах для органического азота получили
почти абсолютно точную экспоненциальную зависимость. Содержа-
ние цианида в первом из этих двух опытов также увеличивалось со
временем экспоненциально. Однако в другом опыте наблюдалось
линейное возрастание содержания цианида со временем, а в одном
Образование аминокислот, пептидов и микросфер в электрическом разряде 185
случае даже наблюдалось его снижение. В последнем случае равно-
весие между образованием цианида и его использованием или рас-
падом сдвигалось, очевидно вследствие образования других
веществ.
IV. ОБРАЗОВАНИЕ ПРОДУКТОВ ТВЕРДОЙ ФАЗЫ
Обычно во время опыта на внутренних поверхностях прибора
появляется вода и пленка желто-коричневого вещества. Наблю-
дается также осаждение твердого вещества на электродах. Был
разработан специальный метод, позволяющий счищать этот осадок
с электродов для обеспечения нормального функционирования при-
бора. Значительные количества этого твердого материала часто
попадают в жидкую фазу.
В одном случае твердую пленку на внутренней поверхности
колбы оставляли на время следующего опыта. Присутствие этой
пленки не сказалось сколько-нибудь заметно на скорости реакции.
Иными словами, этот материал, очевидно, не обладает каталити-
ческим действием.
Анализ образующего пленку материала, накопленного в тече-
ние длительного времени, показал, что он содержит 70,7% угле-
рода, 7,5% водорода и 3% азота. Эти данные указывают на то, что
обнаруженное вещество не является полицианидом; совершенно
очевидно, что для выяснения его химической природы необходимы
дальнейшие исследования.
Перейдем теперь от пленок к жидкой фазе. В ходе нескольких
экспериментов было отмечено помутнение жидкости. Было выска-
зано предположение, что указанное явление обусловлено образо-
ванием нерастворимого аморфного вещества. Необходимо было
исключить возможность бактериального загрязнения. Микроскопи-
ческие наблюдения не позволили прийти к какому-либо определен-
ному выводу, но в опытах с окрашиванием были получены некото-
рые указания на присутствие бактерий. Однако последующие экспе-
рименты дали отрицательные результаты, более того, оказалось,
что исследуемое вещество оказывает летальное действие на молочно-
кислые бактерии. С помощью электронно-микроскопических иссле-
дований также не удалось обнаружить бактерий. В то же время
было продемонстрировано наличие небольших плотных образова-
ний, размер которых колеблется в пределах от 800 до 50 А и мень-
ше. Установлено, что эти частицы появляются уже через 48 час
после начала электрического разряда. Некоторые данные, полу-
ченные с помощью электронного микроскопа, представлены на
фиг. 3.
На фиг. 3, А можно различить большое количество маленьких
шаровидных образований (микросфер) наряду с аморфным материа-
Фиг. 3. Электронные микрофотографии микросфер.
Л — проба взята через 48 час после начала искрового разряда, напыление ураном; Б
проба взята через 504 час, показано скопление микросфер на границе капель (без напы-
ления); В — то же, что на фиг. 3, Б; проба взята через 624 час; Г — электронная микро-
фотография отмытых микросфер (напыление палладием); видны крупные шарики поли-
стирола, которые добавлены для сравнения размеров (диаметр 0,26 мк).
188
К- Гроссенбахер и К- Найт
лом. В отношении последнего неизвестно, был ли он твердым до
высушивания пробы. При непосредственном наблюдении аморфные
вещества были обнаружены во всех пробах, но в некоторых случаях
преобладающей формой были микросферы.
На фиг. 3, Б показана граница капли в пробе, взятой после 504 час
опыта. Следует отметить большие вариации размеров частиц и отсут-
ствие аморфных веществ. Еще через 120 час в ходе того же экспери-
мента наблюдали аналогичную картину (фиг. 3,В). Заметить уве-
личение размеров частиц можно было только при сравнении образ-
цов, взятых через 48 и 500 час после начала опыта.
В одном случае пробу подвергали центрифугированию в мягких
условиях. Осадок, состоявший преимущественно из крупных час-
тиц, ресуспендировали, промывали один раз и изучали с помощью
электронного микроскопа. На фиг. 3, Г представлен соответствую-
щий препарат (при том же увеличении, что и в случае фиг. 3, А—В).
Крупные сферические тела (0,26 мк в диаметре) — это шарики
полистирола, специально введенные для сравнения.
Природа обнаруженных микросф^| еще не исследована. Их
размеры того же порядка, что и размеры вирусных частиц, однако
в отличие от последних они характеризуются большей плотностью
в электронном микроскопе. Результаты анализов позволяют заклю-
чить, что в микросферах содержится значительное количество мине-
ральных веществ. Усредненные результаты двух определений дают
следующие величины: С—10,3%, Н—1,9%, N—1%. Плотность
микросфер, судя по данным центрифугирования в градиенте плот-
ности, по-видимому, превышает 1,8.
Маловероятно, что обнаруженные микросферы в каком-то отно-
шении родственны коацерватам, которые, по мнению Опарина
и других исследователей, играют столь важную роль в абиогенезе.
Однако природа их органической части позволяет предположить,
что микросферы могут играть определенную роль в синтезе связан-
ного с ними органического вещества, хотя не исключена также воз-
можность неспецифической адсорбции.
Поскольку содержание углерода в микросферах невелико, а их
плотность высока, можно предположить, что они являются сили-
катами, извлекаемыми из боросиликатного стекла прибора в резуль-
тате длительного контакта с аммиаком. Органическое вещество
микросфер, по-видимому, состоит в основном из аминокислот
и близких им соединений. Об этом свидетельствует тот факт, что
в результате кислотного гидролиза получены вещества, хромато-
графическое поведение которых сходно с таковым аминокислот.
Эти вещества давали также положительную реакцию с нингидри-
ном. Все эти факты могут послужить предпосылкой для дальней-
ших исследований.
Образование аминокислот, пептидов и микросфер в электрическом разряде 189
V. АНАЛИЗ ГАЗОВ
Помимо анализа растворенных и нерастворимых веществ, обна-
руживаемых в приборе, проводились также предварительные ана-
лизы газовых проб при помощи масс-спектрографа. Через 26 дней
после начала опыта в пробах оставалось еще большое количество
аммиака и водорода; в то же время содержание метана резко сни-
жалось (метан составлял всего 0,1% газовой смеси).
Таким образом, на основании результатов, полученных с по-
мощью модифицированного прибора Миллера — Юри, можно сделать
следующие выводы:
1) при определенных условиях происходит автокаталитическое
образование веществ;
2) происходит образование аминокислот (обнаружено 10 амино-
кислот);
3) имеет место образование пептидов;
4) образуются микросферы, диаметр которых лежит в пределах
50—800 А (в состав микросфер входит небольшое количество орга-
нического вещества^
ЛИТЕРАТУРА
1. Опарин А. И., Возникновение жизни на Земле., М.— Л., Биомедгиз,
1936.
2. А г г h е n i u s S., Life Course of a Planet, Gozidat, Russia, 1923.
3. M i 1 1 e r S. L., Science, 117, 528 (1953).
4. M i 1 1 e r S. L., in «The Origin of Life on Earth» (Опарин А. И.,
Пасы некий А. Г.,Браун штейн А. Е.,Павловска яТ.Е.,
Clark F. and Synge R.L.M., eds.), Pergamon Press, New York, 1959.
5. H a r d i n G., Scientific Monthly 70, 178, 179 (1950).
ОБСУЖДЕНИЕ ДОКЛАДА
Шутка. Я хотел бы узнать, какой источник электрического
тока использовали.
Г россенбахер. Мы использовали катушку Тесла того же
образца, что и у Миллера. Мы всегда держали две-три запасных
катушки для замены выбывающих из строя.
Шутка. В ваших опытах напряжение составляло приблизи-
тельно 25 000—30 000 в. Мне кажется, что температура газовой
смеси должна была намного превышать 25—45°; я склонен думать,
что в газовой фазе она была порядка 60—80° или даже выше.
Я бы предложил измерять температуру газового слоя между
двумя электродами, т. е. в месте, где происходит синтез.
Гроссенбахер. В одной из модификаций нашего прибора
было два термометра — один помещался в верхней части, а дру-
190
К. Гроссенбахер и К- Найт
гой — в жидкости у дна. Термометры в двух столь разных точках
давали довольно близкие показания.
Когда колбу нагревали до такой степени, что верхний термо-
метр показывал около 40°, вода конденсировалась на поверхности
стекла, которое имело комнатную температуру. Мы считаем, что
температура во всем объеме газовой смеси ненамного превышала
40°, а возможно, большую часть времени она была даже еще ниже
вследствие охлаждающего действия поверхности колбы.
В районе дуги или непосредственно над ней температура могла
быть выше, так что в указанном районе, по-видимому, имела место
выражённая разница температур.
Шутка. Делали ли вы попытку обнаружить другие веще-
ства, например пирролы и порфины?
Гроссенбахер. В реакционной смеси происходило обра-
зование многих веществ. Мы не пытались провести исчерпывающий
анализ получаемых продуктов. Наше внимание было сосредоточе-
но на аминокислотах, пептидах и производных нуклеиновых
кислот.
Мы пытались также обнаружить случаи асимметрии, поскольку
у меня были некоторые соображения относительно асимметрическо-
го синтеза. Однако попытки обнаружения оптической асимметрии
дали отрицательные результаты.
Куимби. Состояло ли отличие ваших экспериментов от опы-
тов Миллера только в температуре искрового разряда?
Г россенбахер. Были также различия в соотношении
газов; давление было несколько выше.
Куимби. Иными словами, различия шли по нескольким
направлениям?
Г россенбахер. Да. Первоначальные эксперименты про-
водились при низких давлениях, однако позднее мы стали исполь-
зовать давление, несколько превышающее 1 атм, для того чтобы
избежать загрязнения в случае образования течи.
Необходимо отметить еще другой момент. Обычно в начале
опыта давление возрастает в течение нескольких часов или несколь-
ких дней. Затем оно выравнивается или же снижается. Если исход-
ное давление в приборе ниже атмосферного, то последующее увели-
чение давления можно приписать возникновению течи, а не обра-
зованию большего числа молекул газа.
Куимби. Я хотел бы спросить, известно ли докладчику,
какие температуры использовались в опытах Миллера?
Гроссенбахер. Порядка 70—80°, а возможно, даже и вы-
ше. Миллер проводил опыты в закрытой системе при давлении
ниже атмосферного.
Шутка. 70—80° в искровом промежутке.
Куимби. Меня интересует именно температура самой искры.
Образование аминокислот, пептидов и микросфер в электрическом разряде 19Г
Г россенбахер. Голубая искра может иметь очень высо-
кую температуру. Я не знаю, какую именно, но, быть может, свы-
ше 1000°. Однако я не представляю, какое значение может иметь
понятие «температура» в таких условиях.
Поннамперума. В этих опытах использовали довольно
высокое напряжение. Полагаю, что количество углерода было неве-
лико, порядка нескольких миллиграммов. Мы проводим такого же
рода эксперименты. Оказывается, что в самом искровом проме-
жутке температура может быть очень высокой, а в его непосред-
ственном окружении она такого же порядка, как и во всяком при-
боре. Теперь мне хотелось бы задать вопрос д-ру Гроссенбахеру.
Вы упомянули, что в ваших опытах к концу 26-го дня оставалось
всего 0,1% метана. Не думаете ли вы, что метан расходуется значи-
тельно раньше?
Г россенбахер. Эта мысль приходила нам в голову; сей-
час, когда мы начали проводить анализы газов, мы собираемся
проверить это предположение.
Поннамперума. Мы обнаружили, что к концу первого-
получаса 1% метана превращается в органическое вещество, а к
18 час происходит использование уже 15% метана. Однако, помимо-
этого, мы не проводили никаких исследований. Меня просто инте-
ресует, нет ли у вас каких-либо наблюдений на этот счет?
Гроссенбахер. У нас мало данных по этому вопросу. Мы
провели однократное определение метана за 26 дней опытов и, кро-
ме того, косвенное и неполное определение потребления метана,
основанное на кривых образования цианида.
Блуа. В аналогичных экспериментах, проведенных несколько
лет назад, мы также наблюдали образование черного нерастворимо-
го осадка на электродах, который было необходимо счищать во избе-
жание короткого замыкания. Нам представлялось, что это веще-
ство является либо неорганическим углеродом (возможно, графи-
том), либо полимером. Мы исследовали этот продукт методом элек-
тронного парамагнитного резонанса и получили спектр поглощения,
характерный для высокополимерных соединений, образующихся
при полимеризации свободных радикалов. Было высказано предпо-
ложение, что полученное вещество, вероятно, является полимер-
ным соединением
Липман. Мне хотелось бы, чтобы вы остановились подроб-
нее на вопросе об автокаталитическом характере реакции, о чем вы
упомянули лишь вкратце. Если я верно вас понял, вы полагаете,
что здесь происходит образование промежуточного продукта, кото-
рый затем быстро превращается в аминокислоты?
Г россенбахер. Это вполне возможно. Мы можем лишь,
сказать, что в интересующем вас случае скорость образования циа-
нида или неорганического азота экспоненциально возрастала со вре-
192
К- Гроссенбахер и К- Найт
менем. Основная характерная черта автокаталитического процесса
как раз и заключается в том, что его скорость со временем должна
возрастать. В нашем случае закрытая система постоянно снабжа-
лась энергией, в ней происходило расходование исходных веществ
и накопление конечных продуктов, и все же скорость реакции воз-
растала со временем. Было довольно неожиданным обнаружить
автокаталитический процесс в такой простой системе.
Валлентайн. Могу я узнать величину pH в вашей сис-
теме?
Г россенбахер. Она была довольно высокой, что обу-
словлено преобладанием гидроокиси аммония.
Валлентайн. А после того как аммиак расходовался?
Гроссенбахер. Не известно. В наших опытах всегда
был избыток аммиака. Содержание аммиака было слишком велико,
чтобы он мог быть полностью израсходован. В конце опыта всегда
оставалось определенное количество аммиака. Это являлось основ-
ной характерной особенностью системы. Величина pH составляла
около 9—11.
МОДЕЛЬНЫЕ ОПЫТЫ ПО ТЕРМИЧЕСКОМУ СИНТЕЗУ
АМИНОКИСЛОТ В ГИПОТЕТИЧЕСКОЙ
ПРИМИТИВНОЙ АТМОСФЕРЕ ЗЕМЛИ
К. ХАРАДА И С. ФОКС
Institute for Space Biosciences, The Florida State University,
Tallahassee, Florida
Принято считать, что примитивная атмосфера Земли имела
восстановительный характер и состояла из таких газов, как метан,
аммиак, водород и водяной пар [1,2]. Вследствие диссипации
молекул водорода восстановительная атмосфера Земли приобретала
все более окислительный характер [3]. В то же время примитивная
атмосфера подвергалась химическим изменениям под действием
различных видов энергии, таких, как солнечное излучение (уль-
трафиолетовое излучение), электрические разряды, а-, [3- и у-излу-
чение, тепло и т. д.
В лабораторных условиях из простых соединений при участии
различных видов энергии были синтезированы некоторые природ-
ные и неприродные аминокислоты. Миллеру [4,5] удалось полу-
чить при электрическом разряде глицин, аланин, аспарагиновую
кислоту, глутаминовую кислоту и несколько неприродных амино-
кислот наряду с целым рядом органических кислот и мочевиной.
Грот и фон Вайсенхоф [6], а также Дешрайдер [7] синтезировали
аминокислоты при использовании ультрафиолетового света.
Хасселыптром и сотр. провели синтез аминокислот, используя
а- [8] и [3-излучение [9]; Вермей и Лефор [10], а также Доуз и Раев-
ский [11] сообщили о синтезе аминокислот под действием у-лучей
и рентгеновских лучей.
В литературе нет указаний на использование повышенных тем-
ператур для синтеза биологически важных простых органических
соединений в гипотетической примитивной атмосфере. Миллер и Юри
[22] объясняют это тем, что тепловая энергия будто бы недостаточ-
на для первичного синтеза.
Однако при подходящих условиях тепловую энергию с успехом
использовали для поликонденсации свободных аминокислот. Обра-
зующиеся продукты могут содержать 18 аминокислот, обычно встре-
чающихся в белках [ 13]. Обнаруженное белковоподобное соединение
(протеиноид) во многих отношениях напоминает естественные белки.
Было показано также, что при использовании тепловой энергии
возможно образование больших количеств цианистого водорода из
194
К. Харада и С. Фокс
метана и аммиака в присутствии окиси алюминия или кремния [13]:
A12O3S1O2
CH4 + NH3------> HCN + 3H2—60 ккал.
Согласно Опарину [1] и Юри [2], метан и аммиак являлись
компонентами примитивной атмосферы Земли. Миллер [14] пред-
ложил рассматривать цианистый водород в качестве одного из клю-
чевых компонентов предбиологического синтеза.
Харада предположил, что примитивная атмосфера, состоящая
из метана, аммиака, водорода и водяного пара, могла вступать
в контакт с областью высокой температуры на Земле, это привела
бы к образованию цианистого водорода. Именно таким образом
тепловая энергия, вероятно, участвовала в образовании HCN из
примитивной восстановительной атмосферы Земли. Цианистый водо-
род может быть далее использован в процессах образования многих
органических кислот, пуринов и пиримидинов [16]. Интересная
особенность вышеупомянутой реакции заключается в том, что выход
цианистого водорода увеличивается в присутствии соединений серы
[13]. По-видимому, в примитивной восстановительной атмосфере
присутствовал в небольших количествах сероводород.
При взаимодействии метана, аммиака и паров воды при высокой
температуре могут возникать не только цианистый водород, но и
различные другие биологически важные органические соединения.
В настоящем исследовании среди органических продуктов, обра-
зуемых в процессе термического синтеза, обнаружены, в частности,
многие природные аминокислоты. Газовую смесь (СН4, NH3,
Н2О) пропускали через кварцевый песок, силикагель, вулкани-
ческую лаву и окись алюминия, нагретые до температур, указан-
ных в табл. 1. Именно эти твердые вещества были, как известно,
характерны для коры Земли.
Эксперимент проводили следующим образом. Метан пропуска-
ли через концентрированный водный раствор аммиака, и получен-
ный смешанный пар поступал в нагретую (900—1100°) трубку из
стекла викор, содержащую одно из вышеприведенных твердых ве-
ществ. Выделившийся газ поглощался 3 и. водным раствором
аммиака на холоду. Затем этот аммиачный раствор нагревали
в герметически закрытой колбе в течение различных промежутков
времени при 75°. Аммиак й воду отгоняли при пониженном давле-
нии и осадок кипятили с обратным холодильником в присутствии
4 н. НС1 в течение 5 час. Гидролизат упаривали под вакуумом.
Осадок растворяли в цитратном буфере (pH 2,2) и раствор исследо-
вали в автоматическом аминокислотном анализаторе «Феникс
К-5000». В лабораторных условиях для быстроты анализа при-
меняли кислотный гидролиз. В природных условиях, очевидно,
происходил более медленный гидролиз в водах первичного океана,
которые имели аммиачный или кислый характер.
Термический синтез аминокислот
195
Таблица 1
Количественный состав смеси аминокислот *, получаемых при термическом
синтезе в присутствии двуокиси кремния и при синтезе в электрическом
разряде
Аминокислота Количество аминокислоты, %
термический синтез синтез при электри- ческом разряде
кварцевый песок (950°) силика- 1 силика- гель гель (950°) | (1050°) искровой разряд** тихий разряд**
Аспарагиновая кислота 3,4 2,5 15,2 0,3 0,1
Треонин 0,9 0,6 3,0 — —
Серин 2,0 1,9 10,0 — —
Глутаминовая кислота 4,8 3,1 10,2 0,5 0,3
Пролин 2,3 1,5 2,3 — —
Глицин 60,3 68,8 24,4 50,8 41,4
Аланин 18,0 16,9 20,2 27,4 4,7
Валин 2,3 1,2 2,1 — —
Аллоизолейцин 0,3 0,3 1,4 — —
Изолейцин 1,1 0,7 2,5 — —
Лейции 2,4 1,5 4,6 — —
Тирозин 0,8 0,4 2,0 — —
Фенилаланин 0,8 0,6 2,2 — —
а-Аминомасляная кислота 0,6 — — 4,0 0,6
Р-Аланин ?*** ?*** ?*** 12,1 2,3
Саркозин — — — 4,0 44,6
N-Метилаланин — — — 0,8 6,5
* Основные аминокислоты в таблице не приведены, поскольку не проводили их
полного определения. При некоторых анализах обнаружены пики, соответствующие ли-
зину (или орнитину) и аргинииу.
** Пересчитано из результатов Миллера [5].
*** Определение р-аланина было затруднено ввиду наложения соседнего неиденти-
фицированного пика.
На фиг. 1 и 2 представлены схемы приборов, которые были
использованы в нашей работе. На фиг. 1 показан прибор для одно-
кратного пропускания газа. На фиг. 2 представлен прибор замкну-
той конструкции, в котором газы реакционной смеси объединяются
по ходу реакции. Приборы были сделаны из стекла пирекс, а про-
бирки — из стекла викор (96% окиси кремния). В твердые веще-
ства вводили термопару (хромель — алюмель); температуру изме-
ряли с помощью калиброванного потенциометра.
196
/(. Харада и С. Фокс
В предварительных опытах использовали горелку с природным
газом и кислородом. Впоследствии применяли печь (модель Хоскин-
са), нагреваемую спиралью из хромеля А.
В опытах наблюдалось образование почти всех природных ами-
нокислот, за исключением цистина и метионина. Ввиду отсутствия
соединений серы в реакционной смеси образование серусодержа-
щих соединений, естественно, было невозможно. Вопрос образова-
ния основных аминокислот нельзя считать полностью решенным.
Фиг. 1. Прибор для^единичного пропускания газа.
При некоторых определениях были обнаружены пики, соответству-
ющие лизину (или орнитину) и аргинину. Обнаружение гистидина,
если он и присутствовал в реакционной смеси, было затруднено
ввиду больших количеств аммиака. Для обнаружения триптофана
необходимо специальное определение, которое мы не проводили.
При температуре 950° независимо от того, использовался ли квар-
цевый песок или силикагель, соотношение образующихся амино-
кислот было одинаковым. При повышении температуры до 1050°
содержание глицина снижалось, тогда как содержание других ами-
нокислот увеличивалось. Совершенно иным был состав смеси ами-
нокислот при использовании окиси алюминия. При этом в значи-
тельных количествах синтезировался цианистый водород; кроме
того, были обнаружены глицин, аланин, аспарагиновая кислота
и саркозин (или серин). Другие аминокислоты не были обнаружены
или присутствовали в незначительных количествах. Цианистый
водород, поглощенный охлажденным 3 н. раствором аммиака, отти-
Термический синтез аминокислот
197
тровывали нитратом серебра. При использовании окиси алюминия
получали в 100—300 раз большее количество цианистого водорода,
чем при применении двуокиси кремния. Указанная разница обу-
словлена, по-видимому, тем, что окись алюминия была подвергнута
специальной обработке [13]. Реакции, в которые вступает цианис-
тый водород, образуемый при использовании окиси алюминия,
Фиг. 2. Прибор замкнутой конструкции для циклического пропускания газов.
в основном те же, которые изучались Орб и Кимбелом [16] при
синтезе аденина и аминокислот в водно-аммиачном растворе циа-
нистого водорода. Это позволяет предположить, что в процессе
термического синтеза из метана, аммиака и воды могут образовать-
ся не только многие природные аминокислоты, но также и азоти-
стые основания, входящие в состав нуклеиновых кислот. И дей-
ствительно, на хроматограммах было обнаружено несколько пятен
при облучении ультрафиолетовым светом. Установление природы
этих пятен является предметом наших дальнейших исследований.
Во всех опытах наблюдали пик, совпадающий по Rf с мочевиной.
Однако это вещество пока еще с точностью не идентифициро-
вано.
Для того чтобы исключить возражения, сводящиеся к тому,
что источником аминокислот является микробное или иное зара-
198
К. Харада и С. Фокс
жение, ставили контрольные опыты в тех же условиях, но без
нагревания. При этом были обнаружены с помощью автоматическо-
го анализатора лишь следы аминокислот; эти количества совер-
шенно незначительны по сравнению с количеством аминокислот,
образующихся при термическом синтезе. Другим аргументом про-
тив того, что источником обнаруженных аминокислот является
живой организм, служит отсутствие цистина и метионина. Коли-
чественное соотношение аминокислот в реакционной смеси (см.
табл. 1) также не совпадает с таковым для микроорганизмов.
Механизм термического синтеза, несомненно, очень сложен.
Вероятно, частично он включает в себя синтез Штрекера. Однако
глицин, аланин и аспарагиновая кислота могут быть синтезиро-
ваны без образования соответствующего альдегида в качестве про-
межуточного продукта, как показали Оро и Кимбел [16], а также
Хейнс и Павел [17]. Это явствует и из данных по термическому
синтезу с использованием окиси алюминия (см. табл. 1). Согласно
сообщению Харады [18], нагревание формиата аммония или форм-
амида также приводит к образованию вышеназванных аминоки-
слот. Для выяснения возможного механизма синтеза в настоящее
время проводятся исследования по различным направлениям. Изу-
чаются реакции, идущие с использованием окиси и двуокиси
углерода, а также этана и ацетилена.
Сравнение термических реакций с реакциями, снабжаемыми энер-
гией электрического разряда, позволяет предположить универ-
сальное значение тепловой энергии в синтезе природных амино-
кислот. При тихом разряде образуются главным образом саркозин,
глицин и некоторые аминокислоты, не встречающиеся в белках
[5]. При искровом разряде происходит синтез глицина, алани-
на, аспарагиновой и глутаминовой кислот, а также нескольких
необычных аминокислот. Продуктами же описываемой нами терми-
ческой реакции являются главным образом природные аминоки-
слоты. Полученные данные привлекают внимание к роли тепловой
энергии в опытах с применением искрового разряда, поскольку
при электрической искре выделяется тепло и возникает поток
электронов (и в какой-то мере ультрафиолетовое излучение). Опре-
деленный интерес представляет сравнение содержания саркозина,
аспарагиновой кислоты и глутаминовой кислоты в продуктах, обра-
зующихся при тихом, разряде, искровом разряде и при термическом
синтезе аминокислот. При тихом разряде содержание саркозина
составляло 45%, тогда как при искровом разряде оно уменьшалось
в десять раз (4%), а при термическом синтезе саркозин вовсе не
обнаруживался в реакционной смеси. При тихом или искровом раз-
ряде и при термическом синтезе содержание аспарагиновой кислоты
составляло соответственно 0,1; 0,3 и 3—15%, а содержание глута-
миновой кислоты — 0,3; 0,5 и 3—10%. Как явствует из этих дан-
Термический синтез аминокислот
199
ных, при действии тепловой энергии синтез неприродных аминоки-
слот подавляется, а синтез природных аминокислот ускоряется.
Как термическая энергия, так и энергия электрического разряда
способствует образованию предшественников аминокислот. Одна-
ко разница в получаемых результатах указывает на то, что при
термическом синтезе и при синтезе в электрическом разряде ради-
кальные механизмы реакций различны. Определение |3-аланина
с помощью автоматического аминокислотного анализатора затруд-
нено ввиду того, что на его пик накладываются два других неиденти-
фицированных пика. Предполагалось получить сравнительно высо-
кое содержание р-аланина. При синтезе с использованием кварце-
вого песка, нагретого до 950°, обнаружено небольшое количество
а-аминомасляной кислоты. Помимо четырех природных аминоки-
слот, обычно получаемых и при электрическом разряде, при терми-
ческом синтезе происходит также образование треонина, серина,
пролина, валина, аллоизолейцина (неприродная аминокислота),
изолейцина, лейцина, тирозина и фенилаланина. Особого вни-
мания заслуживает факт обнаружения ароматических амино-
кислот.
Вероятно, в примитивных условиях количество тепловой энер-
гии было неограниченным. Согласно расчетам Сагана [19], стаби-
лизация земной коры имела место около 4,5-109 лет назад, а эво-
люция жизни на Земле началась примерно 4,2 ± 0,2-109 лет назад.
Если жизнь на Земле возникла вскоре (через 0,3-109 лет) после
формирования земной коры, то вполне обоснованным будет предпо-
ложить, что на Земле до зарождения жизни также были большие
количества тепловой энергии. В процессе формирования земной
коры гравитационная энергия превращалась в тепловую, что дол-
жно было приводить к значительному повышению температуры
коры (1000°). Даже после затвердевания земной коры могли про-
исходить местные извержения подкоркового вещества, что приво-
дило к расплавлению части поверхности Земли и к перестройке
участков земной коры. Запасы тепловой энергии [20] пополнялись
также за счет вулканической активности. В примитивной атмосфере
на горячей поверхности земной коры также могли происходить
•самые различные реакции» [15].
Таким образом, в смеси простых газов при использовании тепло-
вой энергии может происходить образование большинства аминоки-
слот, типичных для белков. Характер указанного превращения
не противоречит другим аспектам термической теории биохими-
ческого зарождения жизни [15, 21]. Состав аминокислот в такой
системе в значительной мере зависит от температуры и природы
поверхности твердой фазы, на которой происходит реакция газо-
вой фазы. Среди продуктов реакции обнаружены ароматические
аминокислоты.
200
К. Харада и С. Фокс
ЛИТЕРАТУРА
1. О и а р и н А. И., Возникновение жизни на Земле, М.— Л., Биомедгиз,
1936.
2. Urey Н., The Planets, Their Origin and Development, Yale Univ. Press,
New Haven, Connecticut, 1952.
3. В e r n a 1 J. D., The Physical Basis of Life, Routledge and Kegan Paul
Ltd., London, 1951.
4. M i 1 1 e r S. L., Science, 117, 528 (1953).
5. M i 1 1 e r S. L., J. Am. Chem. Soc., 77, 2351 (1955).
6. Groth H., von Weysenhoff, Naturwissenschaften, 44, 510 (1957).
7. Deschreider A. R., Nature, 182, 528 (1958).
8. H a s s e 1 s t г о m T., Henry M. C., Science, 123, 1038 (1956).
9. Hassels from T., Henry M. C., Murr B., Science, 125, 350
(1957).
10. Vermeil C., L e f о r t M., Compt. Rend., 244, 889 (1957).
11. Dose K., Rajewsky B., Biochim. Biophys. Acta, 25, 225 (1957).
12. F о x S. W., H a r a d a K., J. Am. Chem. Soc., 82, 3745 (1960).
13. К о t a k e M., Nakagawa M., Ohara T., Harada K., N i n o-
m i a M., Kogyo Kagaku Zasshi (J. Chem. Soc. Japan Ind. Chem. Sect.),
59, 121 and 151 (1956).
14. M i 1 1 e r S. L., Ann. N.Y. Acad. Sci., 69, 260 (1957).
15. Harada K., Tampakushitsu Hakuran Koso. (Protein, Nucleic Acid
Enzyme), 6, 65 (1961).
16. Oro J., Kimball A. P., Arch. Biochem. Biophys., 94, 217 (1961).
17. H e у n s L., P a v e 1 K., Z. Naturforsch., 12, 97 (1957).
18. Harada K., Unpublisched experiment (1963).
19. Sagan C., Radiation Res., 15, 174 (1961).
20. В u 1 1 a r d F. M., Volcanoes in History, in Theory, in Eruption, Univ,
of Texas Press, Austin. Texas, 1962.
21. Fox S. W., Science, 132, 200 (1960).
22. M i 1 1 e r S. L., U г e у H., Science, 130, 245 (1959).
ОБСУЖДЕНИЕ ДОКЛАДА
Саган. Как вам удалось избежать термической диссоциации
аминокислот?
Харада. Я полагаю, что под диссоциацией вы подразуме-
ваете распад?
Саган. В своих опытах вы удаляете аминокислоты из обла-
сти высоких температур, при которых идет их образование. В при-
роде такое удаление имеет место не всегда. Мне кажется сомни-
тельным, чтобы значение подобных реакций в процессе предбиоло-
гического синтеза аминокислот было очень велико. Если скорость
распада высока, то равновесная концентрация будет весьма низкой.
Харада. Вполне возможно, что образуемые продукты вымы-
вались или немедленно удалялись иным путем.
Насколько я пониманию, в опытах Миллера условия образова-
ния аминокислот в электрическом разряде также могли привести
к быстрому разложению аминокислот. В этих опытах образуемые
продукты вымывались за счет циркуляции водяного пара, что пре-
Термический синтез аминокислот
201
дохранило их от разрушения. При термическом синтезе использова-
ли такой же способ удаления продуктов.
Фокс. Важно также, что метан, аммиак и вода вступали
в термическую реакцию в газовой фазе, а получаемые продукты
реагировали с водным раствором аммиака. Следовательно, амино-
кислоты не подвергались температурному воздействию.
Это реакция в газовой фазе типа, используемого в промышлен-
ности, когда быстро перемещающиеся пары подвергаются действию
высоких температур.
Саган. Вот в том-то и дело. Особенность состоит именно
в кратковременности действия высокой температуры, что значи-
тельно ограничивает возможность широкого распространения ука-
занной гипотетической реакции в примитивных условиях. Если
ваш источник высоких температур не будет «включаться» и «выклю-
чаться» достаточно часто, то большинство активных продуктов
будет инактивировано к моменту их перехода в водную среду.
О р о. Я хочу попытаться ответить на вопрос д-ра Сагана, исхо-
дя из более общих соображений. Как говорилось в моем докладе,
имеются две основные стадии (доземная и земная), на которых может
иметь место синтез органических соединений при использовании
тепловой энергии. В доземной области основные процессы синтеза,
возможно, происходят в зонах с более низкой температурой, окру-
жающих атмосферу углеродных звезд. Если, согласно предполо-
жению Хойла и Викрамасингха, имеет место выбрасывание угле-
родных частиц из пульсирующих звезд типа N, то весьма вероятно,
что наряду с частицами углерода будут выброшены и органические
соединения. Указанные соединения могут образоваться путем
рекомбинации активных радикалов, обычно присутствующих в атмо-
сфере звезд. Подобный синтетический процесс, носящий всеобщий
характер, происходил и происходит в космическом масштабе. Поми-
мо этого, во внутренних районах солнечной системы при возникно-
вении ударных волн, спорадически исходящих от активного про-
тосолнца, происходил синтез менее общего характера.
Что касается Земли, то здесь имеется несколько возможностей
синтеза; как я указывал, происходят строго локализованные явле-
ния; я имею в виду падения комет и метеоритов. Другой пример
был предложен доктором Фоксом — это вулканические процессы.
В силу природы указанных явлений (всеобщих или локализо-
ванных) редко достигается состояние химического термодинами-
ческого равновесия. Система является гетерогенной и находится
в состоянии быстрых флуктуаций. В ней имеются поверхности
раздела (частицы углерода, частицы неорганического вещества
и т. д.) и происходят внезапные понижения температуры. В конеч-
ном счете будет происходить охлаждение системы, ведущее к реком-
бинации радикалов и стабилизации синтезированных продуктов.
202
К- Харада и С. Фокс
Саган. Обсуждаемый вопрос имеет общий характер. Мы ис-
пользуем для образования органических молекул определенные
источники энергии. Обнаружено, что те же самые источники энер-
гии могут вызывать разрушение этих молекул. Вполне естествен-
но, что химик-органик стремится отделить продукты реакции от
источника энергии до того, как они будут разрушены. Когда мы
говорим о происхождении жизни, нельзя, я полагаю, пренебрегать
тем, что здесь имеет место не только синтез, но и распад и что ход
реакции должен быть иным, если продукты реакции предваритель-
но не удаляются. Пытаясь воссоздать картину возникновения, жиз-
ни, мы должны представить себе разумный «сценарий», который
каким-то образом предусматривал бы пути преодоления этой трудно-
сти. Недостаточно сказать, что в небольшом числе случаев деграда-
ции не происходит— например, если обильный паводок уносит про-
дукты реакции в океан. Мы должны найти универсальный процесс,
обеспечивающий образование интересующих нас органических моле-
кул без одновременного их распада. Если вы нашли такой процесс,
то это замечательно.
Фокс. Реакции в газообразной фазе столь же обычны, сколь
обычны вулканические области и другие районы с высокой темпе-
ратурой, в которых такие реакции происходят. При таких темпера-
турах быстрое перемещение паров является нормальным. Дождь
также представляет собой обычное геохимическое явление.
Оро. В качестве еще одной иллюстрации такого процесса
можно привести образование хондр в углистых хондритах. Неза-
висимо от того, возникли ли хондры в результате термических
процессов, столкновений или вулканической активности на роди-
тельской планете или же сформировались в солнечной туманности
за счет ударных волн, исходящих от протосолнца, в любом случае
эти тела образовались при сравнительно высоких температурах,
после чего происходило быстрое охлаждение. Веским доказатель-
ством быстрого охлаждения служат папоротниковидные микро-
кристаллические структуры, обнаруживаемые в стекловидных хон-
драх. В процессе охлаждения эти маленькие сферические образо-
вания могли в тот или иной момент прийти в соприкосновение
с окружающими их органическими веществами, находящимися
в материнской породе хондритов. Это взаимодействие происходит
при температурах, при которых органические соединения (напри-
мер, аминокислоты) или образуемые ими продукты (например,
полипептиды) переходят в устойчивое состояние. Возможно, что
подобный процесс обусловливает присутствие связанных аминоки-
слот в хондрах углистых хондритов, о чем сообщают Каплан, Дед-
женс и Рейтер [1].
Фокс. Приведем еще некоторые факты. На Гавайских остро-
вах можно пройти в обычной обуви по пепловому конусу вулкана,
Термический синтез аминокислот
203
но в некоторых местах, пятью сантиметрами ниже поверхности,
температура равна 160—200° даже через три года после изверже-
ния.
Во многих местах имеется четкий температурный градиент, и я
полагаю, что не стоит строить гипотез на этот счет. Можно просто
учитывать это к собственному удовлетворению.
Саган. Мне кажется поразительным температурный градиент,
равный 100° на 2,5 см.
Фокс. Это удивляет и многих геологов. Для того чтобы убе-
диться в этом, в июле прошлого года я проводил температурные изме-
рения на Гавайских островах вместе с Р. Джирдсом, который рабо-
тает обходчиком в Национальном парке вулканов.
Стюарт. Все, что необходимо для протекания процессов,
о которых говорит доктор Саган,— это горячие поверхности для
образования органических веществ и дождь для последующего
охлаждения поверхностей и удаления образующихся продуктов.
А как сказал доктор Фокс, дождь — это весьма обычное метеороло-
гическое явление.
Саган. Это очень разумная точка зрения. Однако температу-
ра поверхности должна быть достаточно низкой для того, чтобы
не произошло испарения капель дождя прежде, чем они сопри-
коснутся с поверхностью. Кроме того, в этом случае район, в кото-
ром происходит синтез, не может быть слишком обширным.
С т ю а р т. Я полагаю, что горячие области, в которых про-
исходил синтез органических продуктов и последующее удаление
их с дождем, имели достаточную площадь, позволяющую обеспе-
чить образование значительных количеств органических веществ
за счет абиогенных процессов.
Валлентайн. Я думаю, что здесь необходимо также упомя-
нуть следующее. Если искать аналогию на Земле, то лучше всего,
вероятно, взять лаву. Ее температура бывает порядка 1100° и про-
исходит то же самое, о чем говорил д-р Харада. Я полагаю, что
в обоих случаях реакция протекает в газовой фазе?
Фокс. На первой стадии вплоть до гидролиза реакция про-
исходит в газовой фазе.
Валлентайн. Начинается циклическая реакция и полу-
чается то же самое, что и в этой системе. Все, что необходимо сде-
лать,— это поместить нагревающий элемент где-то на Земле, так
чтобы где-то поблизости находилась более холодная область, и вы
получите то, о чем говорит д-р Харада.
Саган. Но в реакции, о которой говорил д-р Харада, должна
быть и жидкая фаза. Разве промежуточные продукты не поступают
в жидкий раствор?
Валлентайн. А океан?
Фокс. Вода будет испаряться при температуре выше 100°.
204
К. Харада и С. Фокс
Саган. Вот именно. Как обстояло дело с экстрактами, кото-
рые анализировал д-р Харада? В какой фазе они находились —
газовой, жидкой или твердой?
X а р а д а. Мы не использовали экстракты. Прореагировавший
газ поглощался раствором аммиака. Затем раствор отгоняли и гидро-
лизовали соляной кислотой, после чего исследовали гидролизат.
Саган. Соляная кислота является единственной жидкостью?
Разве в системе не было воды?
Харада. Конечно, была. Соляную кислоту использовали
после реакции в целях анализа.
Саган. А что же будет, если не использовать воду?
Фокс. Тогда не будет ловушки.
Харада. Мы получаем цианид.
Саган. Таким образом, вам необходима вода в жидком состоя-
нии. Это не целиком газовая система, как предполагает доктор
Валлентайн.
Харада. Да, это не полностью газовая система. Прореаги-
ровавший газ, согласно описанной схеме, образует раствор хими-
ческих предшественников аминокислот на второй стадии, которой
предшествует реакция в паровой фазе.
Шрамм. На основании чего производился расчет процентно-
го содержания? На основании общего исходного количества аммиа-
ка или процентного содержания аминокислот?
Харада. Результаты выражались в процентах общего коли-
чества аминокислот.
Ш р а м м. Кажется, этот способ очень специфичен в том слу-
чае, когда у вас получается 70% глицина.
Харада. Да. Глицин легко образуется при многих условиях.
Фокс. Но при более высоких температурах содержание гли-
цина падает (см. табл. 1).
Поннамперума. В тот момент, когда д-р Харада писал
свой доклад, мы сами ставили такой же опыт. Мы пропускали метан
и аммиак через трубку, сделанную из стекла викор, при 800°.
Продукты реакции поглощались водой. У нас есть предваритель-
ные данные об образовании аминокислот и даже пептидов. Мы,
однако, не проводили полного анализа образующихся веществ.
Саган. Все-таки после нагревания поверхности продукты
реакции должны были обязательно поступать обратно в воду.
Валлентайн. Если вы возражаете против опытов Хара-
ды, то вы тем самым отвергаете все, что было сделано в этой обла-
сти. Вы, следовательно, отвергаете и опыты Миллера — ведь в них
температура искры по крайней мере так же высока, как и исполь-
зуемая здесь.
Саган. Температура искры высока. Но эквивалентом искры
в первичных условиях является атмосферное электричество. Мы
Термический синтез аминокислот
205
знаем, что там была вода. Должны были быть и облака. Должны
были быть и электрические разряды. После грозового разряда фаза
высокой температуры кончается. Продукты реакции не разруша-
ются, и происходит образование аминокислот в водном растворе.
Здесь же речь идет о другой модели примитивной Земли: газы
нагреваются горячей поверхностью, и происходит быстрое удале-
ние продуктов реакции. Составляет ли это общее или единичное
явление в условиях примитивной Земли?
Валлентайн. Весьма общее. Вулканическая деятельность
в докембрийский период, вероятно, была более интенсивной, чем
в настоящее время.
Г россенбахер. Я хочу обратить внимание на то, что нас
так беспокоит. Имеется реальная возможность, что, помимо тепло-
вой энергии электрического разряда, в дуге происходит высвобо-
ждение коротковолнового излучения (около 900 А). Если это излу-
чение немедленно поглощается холодным газом окружающей атмо-
сферы, то при этом передается не тепловая, а лучистая энергия.
Мне кажется, что именно в этом следует искать объяснения
большей части наблюдаемых явлений.
Имеется вариант опыта, который позволит получить некоторые
указания в этом направлении. Мы сконструировали специальную
установку, в которой вместо дуги используется нагретая платино-
вая проволока. Таким образом, вместо разряда мы получаем тепло.
Мы надеемся получить ряд новых данных.
О р о. Я хочу поздравить д-ра Хараду и д-ра Фокса с новыми
данными о синтезе аминокислот, которые согласуются с общей
схемой синтеза аминокислот, исследуемой в нашей лаборатории.
Я хочу сделать два небольших замечания. Одно касается трактов-
ки аналитических данных, а другое связано с возможными меха-
низмами синтеза ароматических аминокислот. Отсутствие серусо-
держащих аминокислот не может служить критерием при решении
вопроса о загрязнениях. Хотя этот факт говорит об отсутствии
биологического заражения, он не исключает загрязнения из дру-
гих источников, таких, например, как, ионообменные смолы,
используемые в процессе анализа. Как я уже указывал в обсужде-
нии, некоторые вещества, находящиеся в смолах, могут превра-
щаться в аминокислоты, причем не обязательно в серусодержащие
аминокислоты.
Предполагается, что одним из возможных механизмов синтеза
ароматических аминокислот является образование стирола и дру-
гих ароматических соединений из ацетилена. Как предположил
в свое время Оро [2], в результате реакции стирола с гидроксиль-
ными радикалами может произойти образование фенилацетальде-
гида. Последний превращается в фенилаланин путем конденсации
Штрекера и последующего гидролиза. Для образования тирозина
206
К- Харада и С. Фокс
требуется только дополнительное гидроксилирование в пара-поло-
жении.
А к a б о р и. Меня удивляет сравнительно высокое содержа-
ние глутаминовой кислоты, обнаруженное во всех опытах. Есть
ли у вас какие-либо соображения относительно механизма ее обра-
зования?
Харада. Механизм мне неизвестен. Кстати, содержание про-
лина также высоко.
А к а б о р и. Глутаминовая кислота может быть образована
из акрилонитрила согласно следующему уравнению:
NC —СН = СН2 + СО+Н2—> NC—СН2—CH—СНО
Акрилонитрил I Реакция Штрекера
Ф
DL-Глутаминовая кислота
i/'
D L
Оро. То же самое было отмечено и в нашей лаборатории.
Холдейн. Нельзя ли предположить, что на некоторой ста-
дии атмосферное давление было намного выше, чем сейчас? Если
это так, то не проводились ли опыты при давлении в несколько
атмосфер? Я не знаю, действительно ли содержание водорода было
когда-либо намного выше, чем сейчас.
С а г а н. Я постараюсь ответить на первую часть вашего вопро-
са. Относительная недостаточность на Земле редких газов служит
убедительным доказательством того, что первичная атмосфера Зем-
ли почти полностью диссипировала в космическое пространство,
за исключением небольшой части, которая вступила в реакцию
с веществами поверхности, или выпала в виде осадков, или была
поглощена в недрах Земли. Давление этой первичной восстанови-
тельной атмосферы у поверхности было, вероятно, намного выше,
чем то, которое существует сейчас на Земле. Любой органический
синтез, происходивший в первичной атмосфере, не имеет отноше-
ния к вопросу о возникновении жизни ввиду последующей терми-
ческой или иной деструкции продуктов. Более труден вопрос о том,
каково было давление у поверхности во время формирования вто-
ричной атмосферы, когда происходило выделение газов из недр
Земли. Существующие мнения расходятся; предложен широкий
диапазон давлений, как выше, так и ниже одной атмосферы. Мы не
знаем, каков правильный ответ.
Холдейн. Может быть, стоит провести опыты при различном
давлении?
Саган. Парциальные давления водорода и гелия могли быть
намного выше ввиду того, что время их диссипации из земной атмо-
Термический синтез аминокислот 207
сферы очень невелико по сравнению с периодом в 4,5-109 лет.
Более тяжелые газы не диссипировали из современной земной атмо-
сферы, и маловероятно, чтобы произошла их диссипация после
того, как сформировалась вторичная атмосфера. Обилие этих газов
обусловлено геохимическим равновесием между их высвобождени-
ем и поглощением. Маловероятно, чтобы на протяжении прошед-
ших четырех миллиардов лет сумма парциальных давлений всех
газов земной атмосферы (кроме водорода и гелия) превышала когда-
нибудь одну атмосферу.
ЛИТЕРАТУРА
1. Kaplan I.R.,Degens E.T.,R eu ter J.H., Geochem. Cosmochim
Acta, 27, 805 (1963).
2. О г 6 J., J. Proc. Lun. Plan. Explor. Collog., 3, N 2, 9 (1963).
3. LH a r a d a K., F о x S. W., Nature, 194, 768 (1962).
РЕЧЬ ПРЕДСЕДАТЕЛЯ
Э. СНЕЛЛ
Department of Biochemistry, University of California,
Berkeley, California
Мы прослушали целый ряд докладов, касающихся проблемы
синтеза аминокислот в условиях, вероятно предшествовавших по-
явлению жизни; много говорилось о физических и химических свой-
ствах среды, в которой аминокислоты могут образоваться в резуль-
тате химических реакций из метана, аммиака и других веществ,
а также о том, каким образом можно воспроизвести эти реакции.
Человеку, который, подобно мне, не знаком с этой областью,
представленные результаты кажутся поразительными и увлекатель-
ными. В то же время мне думается, что оказалась забытой одна
область исследования, а именно изучение возможных путей обра-
зования витаминов. Присутствие таких простых коферментов, как
витамины, могло бы резко снизить энергии активации в реакциях
синтеза других важных соединений и, следовательно, способство-
вать их образованию в условиях, значительно более мягких, чем те,
которые использовались до сих пор в модельных экспериментах.
Кстати, я полагаю, д-р Саган и другие понимают, что термолабиль-
ность некоторых аминокислот (треонина, серина, цистеина и др.)
очень важна в связи с проблемой их образования в условиях при-
митивной Земли.
Было бы полезно исследовать некоторые альтернативные воз-
можности образования термолабильных аминокислот. В связи
с этим я хочу кратко обсудить одну работу, которую мы провели
с совершенно другой целью, а именно для выяснения механиз-
ма действия in vivo ряда ферментных систем, связанных с пири-
доксалем; я упомяну о некоторых реакциях, которые могут уско-
ряться в присутствии пиридоксаля без участия какого-либо белка.
Пиридоксаль, как известно, представляет собой одну из форм
витамина В6. Его структура несущественна для дальнейшего изло-
жения. Достаточно будет указать, что пиридоксаль может вызвать
целый ряд превращений глицина, а, как сообщалось сегодня утром,
глицин — это та аминокислота, которая в предбиологических усло-
виях могла, по-видимому, образоваться в наибольших количествах.
При участии пиридоксаля глицин реагирует почти с любым альде-
Речь председателя
209
гидом (например, с формальдегидом) с образованием соответствую-
щей р-оксиаминокислоты [см. уравнение реакций (1)]. Эта реак-
ция может идти дальше, и при отщеплении функциональных групп,
стоящих в а- и p-положениях, образуется пировиноградная кислота
[см. уравнение (2)], которая затем может подвергаться переамини-
рованию в присутствии подходящего донора аминогруппы [см. урав-
нение (3)], что приводит к образованию аланина. В результате
совершенно аналогичных реакций глицин с ацетальдегидом дадут
треонин, а-кетомасляную и а-аминомасляную кислоты, серин с ин-
долом образуют триптофан, серин с сероводородом образуют цис-
теин и т. д.
Пиридоксаль
NH2CH2COOH + HCHO -— ~> CH2OHCHNH2COOH (1)
Серин
Пиридоксаль
CH2OHCHNH2COOH CH3COCOOH + NH3 (2)
Пиридоксаль
CH3COCOOH + RCHNH2COOH х > CH3CHNH2COOH + RCOCOOH (3)
Следует подчеркнуть, что в разведенных водных растворах
при температуре 100° эти реакции идут очень быстро; при темпера-
туре же 37° или ниже для их протекания требуется несколько дней;
необходимыми компонентами реакций являются пиридоксаль (ка-
тализатор) и ионы металлов.
Таким образом, если, например, треонин будет разрушен под
действием высоких температур, то в водной среде при низкой темпе-
ратуре в присутствии пиридоксаля легко осуществим ресинтез этой
аминокислоты из гораздо более стабильного глицина и ацетальдегида.
Аналогичным образом в присутствии глиоксалевой кислоты
та же серия реакций (1) — (3) приведет к образованию аспарагино-
вой кислоты. Достаточно сказать, что известно около 30 реакций
и взаимопревращений аминокислот, которые идут при участии
ферментов, связанных с фосфопиридоксалем, и многие из этих
реакций можно легко воспроизвести, если к раствору аминокислот
добавить пиридоксаль и ионы металлов и инкубировать эту смесь
в очень мягких условиях.
В свете всего сказанного кажется странным, что никто не задался
вопросом, образуется ли такое вещество, как пиридоксаль, в модель-
ных реакционных смесях. Образование пиридоксаля (или подоб-
ного ему соединения с аналогичной каталитической активностью) на
ранних этапах истории Земли вполне вероятно, а в его присутствии
многие реакции синтеза аминокислот могли бы протекать в значи-
тельно более мягких условиях, чем это кажется необходимым теперь.
Кроме пиридоксаля, можно рассмотреть и некоторые другие
витамины, которые могли бы функционировать в качестве «пре-
биотических ферментов», каталитическая активность которых зна-
210
Э. Снелл
чительно ниже, чем активность истинных ферментов. В этом отноше-
нии поразительное открытие сделал около года назад Майстер.
Он показал, что оксидаза аминокислот, которая, как известно,
в присутствии кислорода отщепляет аминогруппу от аминокислоты,
в анаэробных условиях катализирует процесс в обратном напра-
влении. Эта обратная реакция может играть, по-видимому, весьма
большую роль, если в анаэробной среде независимо возникнут
восстановленные флавиновые производные, аммиак и кетокислоты.
В восстановительных условиях, первоначально существовавших
на Земле, аминокислоты могли образоваться именно этим путем.
Поскольку восстановленный рибофлавин не будет окисляться
кислородом воздуха в условиях восстановительной атмосферы, он
мог бы участвовать в процессах аминирования аминокислот, а не
в тех реакциях, которые мы связываем теперь с флавинами и флаво-
протеидами.
Возьмем теперь коферменты, содержащие фолиевую кислоту,
которые д-р Буханан использовал в своих исследованиях. Они
необходимы для целой серии реакций окисления одноуглеродных
фрагментов на уровне формальдегида, муравьиной кислоты или
метанола. Эти коферменты катализируют присоединение, отщепле-
ние и перенос одноуглеродных фрагментов и резко снижают энер-
гии активации, необходимые для таких переносов. Д-р Оро сооб-
щил сегодня, что в его опытах происходил синтез птеридинов неиз-
вестной природы, из которых образуются пуриновые основания.
А нельзя ли предположить, что такие птеридины способны катали-
зировать некоторые реакции, которые идут при участии ферментов,
связанных с фолиевой кислотой? Не обязательно, чтобы скорости
реакций были высокими. Я полагаю, что время здесь — не самый!
главный фактор; важнее сама возможность образования опре-
деленных специфически важных соединений.
Конструктивное предположение, которое я позволю себе выдви-
нуть на этой конференции, состоит в следующем: необходимо обра-
тить внимание на возможность образования каталитически активных
веществ (быть может, аналогов современных соединений) в пред-
биологических условиях. Такие вещества облегчали бы те превра-
щения, с которыми столь хорошо знакома современная биохимия
и которые, как нам сейчас кажется, были бы невозможны в усло-
виях примитивной Земли. Между тем эти превращения были, по-ви-
димому, очень важны в процессе предбиологической химической
эволюции, приведшей к возникновению биохимических систем.
Фокс. При нагревании смеси глюкозы и аспарагина образуется
материал, обладающий в биологических опытах активностью нико-
тиновой кислоты. Сведения об этом можно найти в работе: Fox
S. W., VegotsKy A., Harada К-, Hoagland Р. D..
Ann N. Y. Acad. Sci., 69, 328 (1957).
ПЕРВИЧНЫЙ СИНТЕЗ НУКЛЕОЗИДФОСФАТОВ
ПОД ДЕЙСТВИЕМ УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫХ ЛУЧЕЙ
К. САГАН
Harvard University and Smithsonian Astrophysical Observatory,
Cambridge, Massachusetts
Ровно сто лет назад Дарвин писал Гукеру: «В настоящее время
просто бессмысленно пытаться объяснить происхождение жизни.
С таким же успехом можно пытаться объяснить происхождение
материи».
Тем не менее мы теперь занимаемся именно вопросом о происхо-
ждении материи. В астрономии очень активно ведутся исследова-
ния, показывающие, что существующее обилие химических эле-
ментов в космосе определяется ядерными реакциями с участием
водорода и продуктов его превращения в недрах звезд. Эта пробле-
ма стала активно разрабатываться как раз в то время, когда стали
намечаться экспериментальные подходы к изучению вопроса о про-
исхождении жизни. Замечание Дарвина — это не отрицание воз-
можности исследования, и этим оно отличается от предсказания
Огюста Конта, который утверждал в середине XIX в., что челове-
ческий ум никогда не постигнет химической природы звезд; но про-
шло несколько десятилетий, и в астрономии начала бурно разви-
ваться спектроскопия. Замечание Дарвина показывает лишь, что
он сознавал, насколько трудна проблема происхождения жизни.
И до сих пор еще далеко не все трудности преодолены.
Любая дискуссия о происхождении жизни логически начинает-
ся с астрономии. Если заложена астрономическая основа, то проб-
лема происхождения жизни, на мой взгляд, несколько упрощается,
и мы можем прямо перейти к обсуждению интересующих нас специ-
фических процессов, происходивших в условиях примитивной Зем-
ли. Мой доклад будет целиком теоретическим. В дальнейшем д-р
Поннамперума подробно расскажет о наших совместных экспе-
риментах, проведенных в его лаборатории. Эти опыты при-
вели к успешному синтезу нуклеозидфосфатов в условиях, соот-
ветствующих, как нам кажется, примитивным условиям на
Земле.
Основные элементы во Вселенной — это водород и гелий. Осталь-
ные элементы встречаются в следовых количествах; из них углерод,
азот и кислород встречаются в относительно больших количествах
212
К. Саган
и отличаются высокой реакционной способностью; однако и этих
элементов содержится в 1000 раз меньше, чем водорода. Содержание
же других элементов, например фосфора, еще в сотни и тысячи
раз меньше.
Следует ожидать, что в холодном газе с космическим обилием
элементов неизбежно образуются гидриды наиболее распростра-
ненных элементов. Поэтому в примитивной атмосфере любой пла-
неты должны присутствовать молекулярный водород, метан, аммиак
и вода. Между тем наша Земля состоит не только из метана, аммиа-
ка, воды и водорода. Следовательно, она, а также некоторые дру-
гие планеты и спутники имеют состав, нехарактерный для космоса
в целом. Состав же обычной живой клетки гораздо ближе к средне-
му химическому составу вещества в космосе; точно так же и ди-
электрическая частица межзвездного вещества не слишком сильно
отличается по величине и элементарному составу от бактерии.
Возникает вопрос, почему же состав Земли оказался атипичным,
а состав клетки приближается к типичному составу, характерному
для космоса в целом?
Если сравнить относительное распространение инертных газов
и кремния на Земле и в космосе, то обнаружится, что на Земле
инертных газов сравнительно очень мало, причем содержание газа
тем меньше, чем ниже его массовое число. Именно этого следует
ожидать в тех случаях, когда газовая смесь диссипирует из поля
тяготения планеты при высоких температурах; при этом диссипа-
ция более легких элементов происходит быстрее. Отсюда следует,
что первичная атмосфера Земли улетучилась в окружающее про-
странство, так что современная атмосфера — вторичного происхожде-
ния; однако недавно Жокипий [4] показал, что разделение инерт-
ных газов можно объяснить также как результат амбиполярной
диффузии сквозь магнитное поле солнечной туманности (гипотети-
ческого облака газа и пыли, из которого, как полагают, образова-
лись планеты). Легко ионизирующиеся атомы удерживаются магнит-
ным полем, тогда как с трудом ионизирующиеся атомы проходят
сквозь магнитные силовые линии и покидают солнечную систему.
Если принять эту точку зрения, то разделение элементов произошло
еще до образования Земли. Но независимо от объяснения явления
суть его в том, что атмосфера Земли имеет вторичное происхождение,
т. е. первоначальная атмосфера, окружавшая Землю (или прото-
землю), исчезла и затем каким-то образом появилась другая атмо-
сфера. Откуда произошла вторичная атмосфера? Абсолютно неве-
роятно было бы предположить, что она принесена извне. Един-
ственная возможность ее возникновения — это выделение газов
из недр Земли.
Я уже говорил, что низкое содержание водорода и гелия на
Земле по сравнению с их содержанием в космосе можно объяснить
Синтез нуклеозидфосфатов под действием ультрафиолета
213
тем, что эти газы могут легко улетучиваться путем испарения
и относительно легко — путем амбиполярной диффузии. Тело
большей массы, например планета Юпитер, имеющая экзосферу
такой же температуры, как и Земля, совершенно не способно утра-
тить водород за геологическое время. Если вторичная атмосфера
Земли возникла путем выделения газов из недр, а недра образова-
лись в среде с высокой восстановительной способностью, то вполне
естественно предположить, что вначале вторичная атмосфера также
носила восстановительный характер. Итак, мы переходим к вопросу
о том, каким образом произошло превращение вторичной восстано-
вительной атмосферы в современную окислительную. Нам известны
два процесса, которые могли бы способствовать такому превращению.
Один из них — фотосинтез растений, безусловно определяющий
окислительные свойства атмосферы Земли в настоящее время.
Скорость образования кислорода в процессе фотосинтеза в совре-
менных условиях составляет около 0,1 г /см2 в год. Поскольку
на 1 см2 поверхности Земли приходится приблизительно 200 г
молекулярного кислорода, то среднее время жизни одной молекулы
немногим более 2000 лет — чрезвычайно короткий отрезок времени
по сравнению с миллиардами лет, о которых идет речь.
Другой процесс, который, по-видимому, был более важным
в раннюю эпоху истории Земли,— это фотодиссоциация паров
воды в верхних слоях атмосферы, происходящая под действием
ультрафиолета. Образующийся при этом водород, как более легкий
газ, улетучивался; более тяжелый кислород оставался и избиратель-
но окислял различные восстановленные компоненты атмосферы
и литосферы. На первых порах за счет процесса фотодиссоциации
образовывалось какое-то, пусть небольшое, количество кислорода.
Но какой из двух процессов — фотодиссоциация или фотосинтез —
привел к возникновению на Земле окислительной атмосферы, нам
пока не известно. Судя потому, что ни одна другая планета солнеч-
ной системы не содержит в своей атмосфере свободного кислорода,
можно полагать, что именно фотосинтез растений является перво-
начальным источником атмосферного кислорода. Расчеты скорости
диссоциации воды дали противоречивые результаты. Некоторые
авторы считают, что в процессе фотодиссоциации образуется
достаточно кислорода для окисления составляющих земной коры и
появления кислорода в земной атмосфере; другие придерживаются
противоположной точки зрения. Основное противоречие представле-
ний, основанных на такого рода подсчетах, состоит в том, что ско-
рость диффузии воды в верхние слои атмосферы и скорость улету-
чивания водорода вычисляют, исходя из структуры современной
атмосферы, а не той, для которой ведутся подсчеты. Вот почему
невозможно представить себе, в какую эпоху произошел переход
от восстановительной атмосферы к окислительной.
214
К- Саган
Здесь, однако, можно вспомнить представления геологов об
эволюции земной атмосферы. Холланд [3] рассматривает три ста-
дии в истории вторичной атмосферы Земли. Длительность стадии 1,
для которой характерна атмосфера с высокой восстановительной
способностью, составляла, по-видимому, 5-Ю8 лет (со времени
образования Земли). Этой стадии свойственна весьма значительная
вулканическая активность, а также миграция ионов железа во
внутренние слои Земли. На стадии 2 атмосфера утратила выражен-
ные восстановительные свойства, но не стала резко окислительной.
В ней отсутствовали как свободный водород, так и свободный кисло-
род. Переход от стадии 1 к стадии 2 сопровождался массовым пре-
вращением метана в двуокись углерода и аммиака — в молекуляр-
ный азот. На третьей стадии возникла наша современная окисли-
тельная атмосфера. Некоторые факты, касающиеся степени окис-
ленности соединений урана из докембрийских осадочных пород,
позволяют думать, что переход от стадии 2 к стадии 3 совершился
менее чем 1,8-109 лет назад. Вероятно, использованный метод более
надежен, чем прежние, основанные на изучении степени окислен-
ности железных руд или сравнительного распространения изотопов
серы. Древнейший известный ископаемый организм, известковая
водоросль, найденная в пределах Родезийского щита, имеет воз-
раст около 2,7-109 лет.
Хронологическая последовательность событий такова: 4,5-109 —
4,0-109 лет назад Земля была окружена восстановительной атмо-
сферой; в этой среде протекали те органические реакции, о которых
идет речь на нашей конференции. Особенно интенсивный синтез
органических молекул мог иметь место в конце этого периода, когда
условия на поверхности Земли стали относительно мягче. Если,
как мы предполагаем, для возникновения жизни требуются восста-
новительные условия, то зарождение жизни должно было произойти
приблизительно 4,0-109 лет назад.
К эпохе, имевшей место 2,7-10° лет назад, в результате эволю-
ции появились уже такие сложные организмы, как водоросли.
Атмосфера в этот период состояла вначале из азота, воды, СО2
и аргона; окислительный распад органических соединений в этих
условиях должен был играть значительно меньшую роль, чем
теперь. Наконец, сравнительно недавно, может быть в палеозое,
накопилось достаточно свободного кислорода и возникла наша
атмосфера, определяющая течение биологических процессов.
Эти соображения о хронологии событий, относящихся к про-
исхождению жизни, очень важны. В докембрийский период уже
существовали, по-видимому, разнообразные простейшие однокле-
точные организмы. Если эволюция действительно происходит от
простого к сложному, то 4 млрд, лет назад должно было существо-
вать нечто бесконечно более простое, чем клетка. С точки зрения
Синтез нуклеозидфосфатов под действием ультрафиолета
215
проблемы происхождения жизни одноклеточный организм уже
чрезвычайно сложен.
Следовательно, нет ничего удивительного в том, что начало
жизни связано с появлением систем, устроенных намного проще,
чем клетка.
Рассмотрим теперь, что могло происходить на стадии 1, когда
Земля была окружена вторичной восстановительной атмосферой.
Именно в этот период, по-видимому, имело место большинство
явлений, рассматриваемых на данной конференции. Поскольку
кислород тогда отсутствовал, то не было и озона. Из-за отсутствия
озона примитивная атмосфера была прозрачной для ультрафиолето-
вых лучей. Метан, аммиак, вода и водород не поглощают свет
с длиной волны ниже 2400 А, даже если они присутствуют в атмо-
сфере в больших количествах. Вещества, содержащиеся в следо-
вых количествах, такие, как СО и СО2, также не поглощают свет
с такой длиной волны. Следовательно, поглощение ультрафиолета
в области 2400—3000 А обусловлено присутствием недоокислен-
ных соединений, в частности альдегидов и кетонов.
При анализе газовой фазы в модельных экспериментах оказа-
лось, что в наибольшем количестве по сравнению с другими альде-
гидами и кетонами образуется формальдегид. Поглощение форм-
альдегида лежит в области длин волн, больших 2900 / . Таким
образом, в восстановительной атмосфере Земли оставалось «окно»
в области 2400—2900 А.
Помимо формальдегида, в примитивной атмосфере в некотором
количестве присутствовал, по-видимому, и ацетальдегид, хотя
в модельных экспериментах, по крайней мере в опытах, проведенных
несколько лет назад Миллером и мной [131, выход его был назначи-
тельным. Может быть, мы еще услышим что-либо по этому вопросу
от тех, кто проводит анализ газовой фазы. Присутствие ацетальде-
гида принципиально важно, так как он довольно сильно поглощает
ультрафиолет в области 2400—2900 А. Я полагаю, однако, что
ощутимый поток ультрафиолетового света должен был достигать
поверхности первичного океана. Это представление вполне совме-
стимо с некоторыми биологическими данными.
Существует несколько механизмов повреждения клеток совре-
менных организмов при воздействии ультрафиолетового излучения.
Один из них — образование перекисей, окисляющих внутрикле-
точные компоненты. В основе другого механизма лежит димеризация
тимина, которая является следствием избирательного поглощения
фотона ультрафиолетового света нуклеиновыми кислотами. Приме-
чательно, что в клетках современных организмов существует весьма
эффективная система защиты от воздействия ультрафиолетовых
лучей: перекиси разрушаются очень активными ферментами —
216
К- Саган
каталазой и пероксидазой, а димеризации тимина противопостав-
лен процесс фотореактивации, происходящий при наличии подходя-
щего фермента и ультрафиолета с длиной волны около 3700 А.
Возникает вопрос, зачем нужен современной клетке относительно
сложный механизм защиты от коротковолнового ультрафиолето-
вого света.
Правда, в процессе нормальной жизнедеятельности ряда орга-
низмов образуется некоторое количество перекисей, и их инакти-
вация может оказаться полезной. Небольшое количество ультра-
фиолетовых лучей проникает через современную атмосферу, но это
в основном относится к области длин волн, превышающих 3000 А.
Справедливо также, что в отдельных редких случаях может иметь
место димеризация тимина. Однако значение всех этих явлений
относительно невелико, поскольку они либо касаются отдельных
групп организмов, либо происходят очень редко. Тем не менее
механизм защиты от ультрафиолета широко распространен как
у эволюционно древних, так и у современных организмов. Трудно
себе представить, что он возник для защиты от столь редко встре-
чающегося неблагоприятного воздействия. Гораздо разумнее пред-
положить, что все организмы возникли в богатой ультрафиолетом
среде. С этой точки зрения система предохранения от ультрафиоле-
тового света эволюционно самая древняя. Она была необходима
для выживания как такового и приводила к снижению частоты
мутаций до допустимого уровня. В противном случае приобретенные
полезные признаки не могли бы наследоваться, исчезая в процессе
мутаций, и естественного отбора вообще бы не было.
Если согласиться с тем, что восстановительная атмосфера на
стадии 1 была относительно прозрачной для средней ультрафиолето-
вой области спектра, то можно перейти к расчетам величины свето-
вого потока, достигавшего Земли. Исходя из хорошо разработан-
ных в настоящее время моделей эволюции Солнца, можно рассчи-
тать, что 4-109 лет назад поток фотонов в области длин волн 2400—
2900 А, попадающий в верхние слои атмосферы Земли, составлял
7-1014 фотонов /см2-сек [11]. При такой интенсивности облучения
средняя продолжительность летального облучения для большин-
ства современных организмов составляет 1 сек. Время же, в тече-
ние которого достигается максимальная частота мутаций, и того
меньше.
Отсюда следует, что даже если ультрафиолетовые лучи с этой
длиной волны частично задерживались атмосферой Земли, все же
механизмы защиты от них должны были возникнуть в первую оче-
редь. Нельзя было игнорировать этот поток; нужно было или при-
способиться к нему, или ускользнуть от него. По-видимому, фото-
реактивация и другие современные приспособительные механизмы
как раз и представляют собой рудиментарные остатки механизмов,
возникших в процессе приспособления к облучению. Единственным
Синтез нуклеозидфосфатов под действием ультрафиолета
217
способом избежать облучения было погружение на несколько
метров в глубь океана. При этом достигалось снижение интенсивно-
сти ультрафиолетового излучения до допустимого уровня. Если же
в океане присутствовали органические вещества, способные погло-
щать ультрафиолет, то уже небольшая глубина могла служить
защитой от этого излучения.
В условиях примитивной среды ультрафиолетовое излучение
было основным источником энергии, необходимой для процессов-
органического синтеза, и потому среди химических веществ первич-
ного океана, по-видимому, преобладали продукты фотохимических
реакций, идущих при участии ультрафиолета. Зная величину
потока ультрафиолетовых лучей, а также квантовый выход данной
фотохимической реакции, можно рассчитать, сколько образуется
молекул в цилиндрическом объеме с площадью сечения 1 см2 за
любой отрезок времени. Согласно данным Грота и фон Вайсенхо-
фа [2], при синтезе оксикислот и аминокислот под действием ультра-
фиолета квантовый выход составляет приблизительно 10"5. Исполь-
зуя эту величину, я подсчитал, что за 109 лет может образоваться
так много органических веществ, что если растворить их в совре-
менном океане, то получится 1%-ный раствор органического веще-
ства. Таким образом, мы получаем некоторое представление о кон-
центрациях, которые целесообразно применять в соответствующих
модельных опытах. Однако, как я уже упоминал ранее, следует
учитывать, что ультрафиолет не только способствует синтезу, но-
вызывает также распад молекул. Диссоциации под действием
ультрафиолета отчасти препятствовал процесс, происходивший
в верхних слоях атмосферы и состоящий в том, что более тяжелые
молекулы опускались вниз и, таким образом, попадали в оптически
более плотные слои атмосферы.
По всей вероятности, в первичном океане было гораздо меньше
воды, чем в современном; количество воды постепенно увеличива-
лось за счет аккреции и выделения из недр. Но постепенно росли
и континенты. Поскольку относительные скорости этих двух про-
цессов нам не известны, трудно установить первоначальное соот-
ношение суша/вода.
Исходя из всех этих предпосылок, я хотел бы предложить вашему
вниманию гипотетическую схему предбиологической эволюции.
В дальнейшем я выскажу о ней несколько критических замечаний.
Несмотря на недостатки, эта схема, мне кажется, все же имеет
некоторую ценность, заключающуюся в ее наглядности. Во всяком
случае, она составлена таким образом, что события естественно-
вытекают одно из другого, и их последовательность приводит
к возникновению живых систем.
Как впервые показали Миллер, Оро и Поннамперума, под
действием различных видов энергии из компонентов примитивной
218 К- Саган
атмосферы — метана, аммиака, водорода и воды — сначала обра-
зуются газообразные промежуточные продукты (цианиды, альде-
гиды и углеводороды), а затем вещества, представляющие биологи-
ческий интерес, и среди них пурины, пиримидины, рибоза и 2-дез-
оксирибоза. Д-р Оро уже говорил, а д-р Поннамперума еще будет
говорить об этом. Можно допустить, что эти вещества присутство-
вали в определенной концентрации в первичном океане. Должны
были присутствовать в нем также и соединения фосфора, хотя пока
неизвестно, в какой форме и в каких количествах.
Здесь уместно подчеркнуть, что не все виды энергии равно-
ценны. Так, облучение смеси метана, аммиака, водорода и воды
ультрафиолетом приведет к иным результатам, чем нагревание
этой смеси или облучение ее а-частицами или электронами с боль-
шими энергиями. Причина в том, что пурины и пиримидины интен-
сивно поглощают в области 2600 А; следовательно, облучение
ультрафиолетом с такой длиной волны вызовет реакции, связанные
преимущественно с пуринами и пиримидинами. Этого не произойдет
при использовании других видов энергии. В условиях термодинами-
ческого равновесия существует отличная от нуля вероятность обра-
зования молекулы органического вещества из метана, аммиака,
воды и водорода. При использовании тепловой энергии в условиях,
когда избирательного удаления продуктов реакции не происходит,
должно получиться хорошее приближение к термодинамически
равновесному содержанию молекул исследуемых органических
веществ. Под действием же ультрафиолета образуется смесь, значи-
тельно отличающаяся от термодинамически равновесной.
Нельзя не удивляться тому, что относительный максимум погло-
щения пуринов и пиримидинов лежит при 2600 А, т. е. как раз
в середине того ультрафиолетового «окна», о существовании которого
в первичной атмосфере Земли мы уже упоминали. Иными словами,
могло случиться, что поверхности моря достигало излучение как раз
той длины волны, при которой поглощают пурины и пиримидины.
Именно поэтому я предлагал в 1957 г. и вновь в 1961 г. облучить
ультрафиолетом смесь, например, аденина и некоторых пентоз
и фосфатов и посмотреть, могут ли при этом синтезироваться адено-
зинтрифосфат (АТФ) и другие предшественники нуклеиновых
кислот (еще в 1957 г. присутствие их в первичном океане представ-
лялось нам важным).
Результаты таких опытов, выполненных д-ром Поннамперумой,
мисс Маринер и мною, были недавно опубликованы; мы обнаружи-
ли, что облучение ультрафиолетовым светом (с длиной волны
2537 Л) разбавленного раствора аденина, рибозы и фосфорной
кислоты приводит к образованию нуклеозида аденозина [6]. Любо-
пытно, что, как показали первые эксперименты, аденозин, по-види-
Синтез нуклеозидфосфатов под действием ультрафиолета
219
мому, не образуется в отсутствие фосфора, хотя в молекуле адено-
зина фосфора нет. Вполне вероятно, что этот факт каким-то образом
связан с той особой ролью, которую играет фосфор в современных
организмах (независимо от его относительного содержания в кос-
мосе), хотя я и не думаю, что дело ограничивается только этим.
Во второй серии опытов мы облучали аденозин и фосфорную
кислоту; при этом нуклеозидфосфаты не образовывались. Однако,
когда мы применили этилметафосфат (впервые на этот источник
фосфора обратил внимание Шрамм), нам удалось синтезировать
нуклеозидфосфаты, причем с высоким выходом. Сейчас я не хотел
бы останавливаться на вопросе о более подходящем источнике
фосфора. Понятно, что, если даже этилметафосфат и был доступен
в условиях примитивной Земли, все же он не был самой распро-
страненной формой фосфора, присутствовавшей в первичном океане.
Необходимо изучить целый ряд других фосфорных соединений;
дополнительные опыты должны быть поставлены и с фосфорной
кислотой.
Используя метафосфат, мы синтезировали непосредственно из
аденина и рибозы аденозин, аденозинмонофосфат (АМФ), аденозин-
дифосфат (АДФ), аденозинтрифосфат (АТФ) и даже соединения
с большим числом фосфатных остатков [7 ]. Я полагаю, что эти
опыты хорошо подтверждают предположение о том, что нуклеозид-
фосфаты присутствовали в первичном океане в довольно значи-
тельных количествах.
Ну, а если бы в этих опытах вместо рибозы мы взяли дезокси-
рибозу или же вместо аденина гуанидин, цитидин, тимидин или
уридин? Тогда нам удалось бы, возможно, получить полный набор
дезоксирибонуклеозидфосфатов и рибонуклеозидфосфатов. Д-р Пон-
намперума несколько позже сообщит об экспериментах, в которых
действительно удалось синтезировать дезоксинуклеозидфосфаты.
Итак, допустим, что первичный океан действительно содержал
нуклеозидфосфаты. Тогда возникает вопрос, насколько вероятно
образование из них полинуклеотидов. Корнберг и Очоа показали,
что в водном растворе смесь соответствующих нуклеозидтрифос-
фатов сополимеризуется с образованием полинуклеотидов в при-
сутствии соответствующих кофакторов (магний) и ферментов (ДНК-
полимераза или полинуклеотидфосфорилаза), причем эти фермен-
тативные процессы полимеризации могут идти без затравочной
нуклеиновой кислоты.
Вполне понятно, что такой кофактор, как магний, имелся
в первичном океане; что же касается ДНК-полимеразы или поли-
нуклеотидфосфорилазы, то их случайное образование, конечно,
невероятно. Для синтеза полинуклеотидов требуются ферменты,
а для образования ферментов нужны полинуклеотиды. Единствен-
ным выходом из этого заколдованного круга может быть допущение,
220
К- Саган
что фактор времени восполнил отсутствие необходимых ферментов.
Иными словами, приходится допустить, что в первичном океане
имела место спонтанная полимеризация нуклеозидтрифосфатов
за время, достаточно короткое по сравнению с возрастом Зем-
ли, но длительное по сравнению с жизнью современных орга-
низмов.
После возникновения первого полинуклеотида, скажем, поли-АТ,
скорость репликации в среде, содержащей нуклеозидтрифосфаты,
должна резко возрасти, так как появилась затравка. С течением
времени в полинуклеотидах происходили делеции, инверсии, заме-
щения; на каком-то этапе можно представить себе океан, содержа-
щий в достаточно большом количестве самовоспроизводящиеся
полинуклеотиды различных типов.
Я убедился в том, что все эти представления находят довольно
много сторонников. Тем не менее никакое воображение не поможет
нам связать зарождение жизни именно с этим периодом. Даже в сре-
де с высоким содержанием самовоспроизводящих и мутирующих
молекулярных систем не обязательно должна возникнуть жизнь,
ибо эти системы не способны осуществлять регуляцию над дей-
ствием факторов внешней среды; другими словами, у них нет аппа-
рата, сколько-нибудь аналогичного современной системе ДНК —
информационная РНК — рибосомная РНК — синтез ферментов.
Очень ценной является попытка д-ра Буханана описать те
пути, которые могли привести к появлению некоторых элементов
этого аппарата. К сожалению, пока нет оснований для предположе-
ния о том, что система последовательной передачи информации
существовала уже в первичном океане. Может быть, так оно и было.
Но допустимы и другие предположения.
Прежде всего предположим вслед за Стентом [15] и Ричем [8],
что современный триплетный код возник лишь сравнительно недавно,
скажем, на стадии 3. Можно допустить, что на стадии 2 существовал
дуплетный код, а еще раньше, на стадии 1,— синглетный. Посколь-
ку аминокислоты и нуклеотиды имеют очень близкие размеры
(при соответствующем сопоставлении), вполне вероятно, что поли-
меры одного из этих классов соединений могли служить кодом для
полимеров другого класса. Первые попытки описать генетический
код относятся к 1940 г. Когда триплетный код будет полностью
расшифрован, можно будет реконструировать также и предшество-
вавшие ему дуплетные и синглетные коды. Предложенный син-
глетный код можно будет проверить тогда стереохимически. Ката-
литические свойства белка, состоящего только из 4 аминокислот,
будут, конечно, ограниченны, но все же это гораздо лучше, чем
ничего. Может быть, первичный механизм кодирования базировался
на других пуринах и пиримидинах или других аминокислотах.
Гроссенбахер отмечал, что в предбиологическую эпоху существо-
Синтез нуклеозидфосфатов под действием ультрафиолета
221
вало и было доступно значительно больше типов аминокислот, чем
теперь используют живые организмы.
Не исключены и другие возможности. Нельзя ли предположить,
что существуют полинуклеотиды, обладающие некоторой катали-
тической активностью, или же полипептиды с некоторой способ-
ностью к самовоспроизведению. Следует попытаться их обнаружить.
Есть и некоторые другие аспекты проблемы, остающиеся совершен-
но неясными. Какова кинетика спонтанной полимеризации нуклео-
зидтрифосфатов и может ли этим путем синтезироваться достаточное
количество полинуклеотидов за отрезок времени, который можно
считать коротким по сравнению с периодом 10® лет? Изучение
кинетики позволило бы проверить вероятность этого предположения.
Усиливает ли ультрафиолетовое излучение процесс полимериза-
ции? Не мешает ли нам чистота лабораторных реактивов изучать
действительный ход реакций, имевших место в первичном, не
столь чистом океане? Возможно ли, что ДНК появилась на более
поздних стадиях эволюции, а примитивные самовоспроизводящиеся
молекулярные системы базировались на совершенно другом соеди-
нении, например РНК? Ясно, что получения предшественников
нуклеиновых кислот еще недостаточно для ответа на поставленные
вопросы. Тем не менее успешный синтез нуклеозидфосфатов, по
моему мнению, еще раз подтверждает тот факт, что проблема про-
исхождения жизни становится, наконец, на научную основу.
Для анализа и проверки гипотез о возникновении жизни может
оказаться полезным изучение органических синтезов, происходя-
щих вне Земли. Доступный нам источник такого рода информации —
углистые хондриты, о которых уже говорили на нашей конферен-
ции Валлентайн, Оро и другие.
Есть и другие источники органических веществ, которые пока
недоступны для непосредственного исследования, но скоро станут
гораздо доступнее (когда именно,— зависит от национального
бюджета той или иной страны); я имею в виду другие планеты
солнечной системы. Рассмотрим некоторые из них (в порядке их
удаленности от Солнца).
Прямые данные о наличии органических веществ на Венере
отсутствуют. Существует предположение — пока это всего лишь
предположение,— что в нижних слоях атмосферы и на поверхности
этой планеты содержатся большие количества углеводородов. Это
мнение основано на чрезвычайно косвенных (космогонических
и спектроскопических) данных. В то же время термодинамические
расчеты, сделанные недавно Мюллером [5], приводят к выводу,
что в условиях Венеры углеводороды крайне нестабильны. Следует
гораздо больше знать об этой планете, для того чтобы утверждение
о присутствии на ней органического вещества имело хоть какую-то
вероятность. Если даже на Венере есть органические вещества, то
222
X. Саган
изучать их будет очень трудно, так как поверхность Венеры окутана
облаками и имеет температуру 700° К.
Не исключено, что под поверхностью Луны также есть органи-
ческие вещества. Расчет квантовых выходов синтезов органических
веществ, о котором я говорил в связи с Землей, применим также
к Луне на той стадии ее существования, когда она еще имела вос-
становительную атмосферу. Такой расчет показывает, что всего
на 1 см2 поверхности Луны могло образоваться 10 г органического
вещества. Часть его, может быть, сохранилась в относительно
древних и стабильных областях Луны, например в ее Южных
горах.
Весьма вероятно, что Луна не претерпела такого нагревания,
как Земля, и потому первоначально образовавшиеся там органиче-
ские вещества разложились не полностью. Таким образом, если
на Луне есть органические соединения, то они относятся, по-ви-
димому, к периоду очень ранней истории солнечной системы, так
как их образование происходило одновременно с процессом конден-
сации планет из солнечной туманности, а не в эпоху появления
вторичных, выделившихся из недр атмосфер. Такой же специфи-
кой, как Луна, обладают, по-видимому, родительские тела метео-
ритов.
Данные Синтона [14], изучавшего инфракрасный спектр отраже-
ния Марса, свидетельствуют о наличии углеводородов и, возможно,
альдегидов как в атмосфере, так и на поверхности этой планеты,
особенно в области «морей» Марса. Есть и другое указание на при-
сутствие жизни на Марсе, полученное независимым методом, но
здесь не место его рассматривать. Мне кажется, что если взвесить
все доказательства, то вполне можно допустить существование
на Марсе не только большого количества органического вещества,
но даже и живых организмов.
Наконец, я хотел бы упомянуть о Юпитере. Наличие на Юпитере
органического вещества всегда с легкостью отрицают главным
образом потому, что наблюдаемая болометрическая температура
составляет приблизительно 160° К- Эта температура относится,
конечно, к облачному слою. Согласно недавним подсчетам Галле [1 ],
на Юпитере под видимыми облаками должен располагаться слой
толщиной около 10 км, температура которого колеблется в пре-
делах 300—350° К, а плотность атмосферы составляет около
0,1 г/см3; в этом слое имеют место конденсация воды и электриче-
ские разряды; возможно, сюда проникает часть ультрафиолетового
излучения Солнца. Я не могу представить себе более подходящей
среды для возникновения и разностороннего взаимодействия органи-
ческих молекул. И действительно, за те 5-109 лет, в течение которых
Юпитер удерживает свою первичную восстановительную атмосферу,
на нем могло накопиться больше органических веществ, чем во-
Синтез нуклеозидфосфатов под действием ультрафиолета
223
всей земной биосфере. Эти предположения должны быть проверены
спектроскопически. По сути дела, Юпитер — это гигантская лабо-
ратория, в которой по сей день идут химические процессы, ведущие
к появлению живого. Изучение этого далекого мира могло бы дать
ключ к окончательному решению многих наших вопросов.
Мы, в сущности, недалеко ушли вперед за те сто лет, которые
прошли с тех пор, как Дарвин писал Гукеру. Может быть, в после-
дующее столетие мы действительно приблизимся к пониманию этой
увлекательной проблемы.
ЛИТЕРАТУРА
1. G а 1 1 е t R., личное сообщение.
2. Groth W., von Weyssenhoff Н., Ann. Physik, 4, 69 (1959).
3. Holland H. D., in «Petrologic Studies: A Volume to Honor A. F. Bud-
dington», Geological Society of America, New York, p. 447 (1962).
4. J о k i p i i J. R., RAND Corporation Memorandum RM-3977-PR (1964).
5. M u e 1 1 e r R. F., Icarus, в печати (1964).
6. Ponnamperuma C., Mariner R., Sagan C., Nature, 198,
1199 (1963).
7. Ponnamperuma C., Sagan C., Mariner R., Nature, 199,
222; Smithsonian Astrophys. Observ. Spec. Rept., № 128 (1963).
8. Rich A., in «Horizons in Biochemistry» (M. Kasha and B. Pullman, eds.),
p. 103, Academic Press, New York (1962).
9. Sagan C., Evolution, 11, 40 (1957).
10. Sagan C., Radiation Res., 15, 174 (1961).
11. Sagan C., Organic Matter and the Moon. Nat. Acad. Sci.— Nat. Res.
Council Publ., 757, Washington, D.C. (1961).
12. Sagan C., Exobiology. A Critical Review. In «Life Sciences and Space
Research», Vol. II (M. Florkin, ed.).
13. S a g a n С., M i 1 1 e r S. L., Astronom. J., 65, 499 (1960).
14. S i n t о n W. M., Science, 130, 1234 (1959).
15. Stent G., личное сообщение (1962).
НЕБИОЛОГИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ НЕКОТОРЫХ КОМПОНЕНТОВ
НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ
С. ПОННАМПЕРУМА
Exobiology Division, National Aeronautics and Space Administration,
Ames Research Center, Moffet Field, California
Самая простая рабочая гипотеза, которой можно руководство-
ваться при экспериментальном подходе к изучению проблемы воз-
никновения жизни, сводится к тому, что ведущая роль в современ-
ных жизненных процессах принадлежит молекулам, игравшим
такую же роль и в возникновении жизни. Вполне возможно, что
нуклеиновые кислоты и белки, или по крайней мере их предше-
ственники, возникли на очень ранних стадиях эволюции Земли.
В нашей лаборатории проводится изучение синтеза пуринов, пири-
мидинов, сахаров, нуклеозидов и нуклеотидов, обнаруженных
в нуклеиновых кислотах.
В экспериментах Миллера [7] не наблюдалось синтеза соеди-
нений, поглощающих ультрафиолет. Однако Фоксу удалось пока-
зать, что при нагревании яблочной кислоты и мочевины синтези-
руется урацил [4]. Оро убедительно доказал образование аденина
при нагревании раствора цианида аммония [11]. Совсем недавно
он описал возможные пути синтеза пуринов (гуанина и ксантина)
и пиримидинов (цитозина, урацила и тимина) из промежуточных
соединений [10]. Основной целью наших исследований было выяс-
нить, можно ли из смеси простых газов путем последовательных
синтезов получить компоненты нуклеиновых кислот.
В условиях примитивной Земли синтез органических соедине-
ний происходил под действием различных форм энергии, источ-
ники которых перечислены ниже [8]:
Источник энергии Мощность, ккал/см^'год
Ультрафиолетовое излучение Солнца
2500 А 570
2000 А 85
1500 А 3,5
Электрические разряды 4
Ионизирующее излучение 0,8
Вулканическое тепло 03,1
Небиологический синтез компонентов нуклеиновых кислот
225
Все эти формы энергии мы использовали в наших экспериментах.
В своих первых опытах в качестве исходных веществ мы использо-
вали метан, аммиак и воду. Поскольку при пропускании через
эту смесь электрического разряда одним из первых продуктов был
цианистый водород, с него мы и начали вторую серию опытов.
В третьей серии опытов исходным веществом служил формальдегид.
Затем мы сделали попытку получить нуклеозиды и нуклеотиды из
пуринов и сахаров, т. е. тех веществ, которые образовывались
в наших предыдущих опытах.
Фиг. 1. Прибор для облучения электронами смеси метана, аммиака и воды.
Обозначения см. в тексте.
В экспериментах со смесью метана, аммиака и воды мы приме-
няли облучение электронами, что позволяло воспроизвести дей-
ствие К40 на примитивной Земле [14]. Смесь С14-метана, 4 н. раство-
ра хлористого аммония и водорода облучали в стеклянном приборе,
изображенном на фиг. 1. Электроны поступали через окошко в во-
гнутом конце цилиндра. Энергия электронов составляла 4,5 Мэв.
Общее количество поглощенной энергии было порядка 7-Ю10 эрг!г.
Жидкость в сосуде 1 кипела в процессе облучения; при этом с поверх-
ности 2 синтезированные вещества смывались обратно в сосуд 1.
После окончания реакции жидкость из сосуда 1 удаляли и подвер-
гали анализу.
Исследование нелетучих продуктов проводили методом хрома-
тографии на бумаге. Пробы наносили на бумагу вместе с аденином
в качестве носителя. Для хроматографирования в одном направле-
нии использовали смесь н-пропанол — аммиак — вода, а в другом
направлении — смесь бутанол — муравьиная кислота — вода.
Зону, соответствующую носителю (аденину), вырезали и элюиро-
вали. Элюат рехроматографировали в двух других системах раство-
рителей (н-бутанол — вода и изопропанол — НС1). Положение
пятна аденина на хроматограммах устанавливали методом тене-
226
С. Поннамперума
графин [13]. Количество аденина (в процентах), образовавшегося
из СН4, находили путем элюции пятен аденина с хроматограмм
и измерения радиоактивности с помощью жидкостного сцинтилля-
ционного счетчика.
Полученные данные четко показывают, что при облучении смеси
метана, аммиака и воды образуется аденин (фиг. 2).
Дальнейшими опытами было установлено, что синтез аденина
ускорялся в отсутствие Н2. Это неудивительно, поскольку углерод
метана, перед тем как включиться в пурины, должен предварительно
подвергнуться окислению.
Окислительными агентами в первую очередь служат, по-види-
мому, радикалы ОН и NH2, способные при соединении с водородом
опять превращаться в исходные соединения согласно следующей
схеме:
•ОН + Н2-^> Н2О-|-Н.,
• NH2 Н- Н2 -» NH3 + Н .
Первая реакция является выгодной в энергетическом отношении,
поскольку энергия Н — Н-связи составляет 104,2 ккал, а энергия
НО — Н-связи равна 119 ккал [5]. Вторая реакция с этой точки
зрения несколько менее выгодна (энергия H2N — Н-связи состав-
ляет 103 ккал) и может не осуществиться. Образование пуринов
тормозится в присутствии Н2 еще и потому, что последний участвует
в обратной реакции:
•СН3 + Н2 СН4+ -н.
В данной реакции энергии связей очень сходны (для связи Н — СН3
104 ккал и для связи Н — Н 104,2 ккал). Исходя из сказанного
выше, можно заключить, что увеличение концентрации органиче-
ского вещества на примитивной Земле стало возможным только
после исчезновения из атмосферы большей части присутствовавшего
в ней водорода.
Гуанин, цитозин, урацил и тимин не были найдены ни на одной
из наших хроматограмм, хотя использованные методы позволили бы
нам обнаружить их даже в количествах, составляющих всего
1/100 количества синтезированного аденина. Такой преимуществен-
ный синтез аденина может быть связан с разнообразием функций,
выполняемых им в биологических системах. Кроме того, как пока-
зали расчеты по методу молекулярных орбит, аденин обладает
наивысшей энергией резонанса по сравнению со всеми другими
биологически важными пуринами и пиримидинами [17]. Это не
только увеличивает вероятность синтеза аденина, но также обуслов-
ливает его высокую стабильность по отношению к облучению.
Незадолго до этого симпозиума мы закончили опыты, позво-
ляющие говорить об образовании рибозы и дезоксирибозы при
Фиг- 2- Хроматограмма. полученная порле облучения электронами смеси метана, аммиака и воды.
228
С. Поннамперума
облучении смеси метана, аммиака и воды. Хотя для подтверждения
полученных данных, безусловно, необходимы дальнейшие опыты,
однако уже те сведения, которыми' мы располагаем, настолько
убедительны, что я позволил себе включить их в мое сообщение
на этой конференции.
Облучение проводилось так же, как и в предыдущем опыте.
Нейтральную фракцию полученных продуктов отделяли от кислой
и щелочной фракций с помощью хроматографии на ионообменных
смолах дауэкс-50 и амберлит С-400. Количество С14, включившегося
в нелетучие продукты, составляло 0,44%; 14% от этого количества
приходилось на нейтральную фракцию.
К нейтральной фракции затем добавляли равные количества
D-рибозы и 2-дезоксирибозы и смесь разделяли с помощью одно-
мерной хроматографии на бумаге в системе бутанол — этанол —
вода. Зоны, соответствующие рибозе и дезоксирибозе, вырезали,
элюировали и разделяли методом двумерной хроматографии, исполь-
зуя для разделения в одном направлении систему бутанол — эта-
нол — вода, а в другом — систему «-пропанол — этилацетат —
вода. Локализацию нерадиоактивных носителей определяли путем
опрыскивания хроматограмм раствором кислого фталата анилина
и последующего получения тенеграмм. Совпадение в положении
и форме пятен было полным. Полученные результаты говорят
о том, что под действием электронов в смеси метана, аммиака
и воды образуется рибоза и дезоксирибоза,-— пентозы, являющиеся
компонентами рибонуклеиновой кислоты (РНК) и дезоксирибо-
нуклеиновой кислоты (ДНК)- Хроматографирование нейтральной
фракции позволило нам установить, что образуется большое коли-
чество всевозможных соединений, в том числе, по-видимому, каких-
то других сахаров. Сейчас мы занимаемся их идентификацией.
Полученные результаты не являются полностью неожиданными,
поскольку ранее было установлено, что одним из продуктов, возни-
кающих после пропускания электрического разряда в смеси про-
стых газов, является формальдегид [3], который в щелочной среде
полимеризуется с образованием высших сахаров [2]. Поэтому
в последующих опытах мы использовали формальдегид в качестве
исходного материала для синтеза. Источником энергии служили
ультрафиолетовый свет и ионизирующее у-излучение Со80.
Облучению подвергался раствор С14-формальдегида в концентра-
ции 3-10 4 моль 1л (удельная активность 10 мкюри/ммоль). Раство-
ренный кислород удаляли из смеси, пропуская через раствор ток
азота. Образцы запаивали в пробирки из стекла викор и облучали
ультрафиолетом. Облучение у-лучами проводили в пробирках из
обычного стекла.
Максимум поглощения формальдегида лежит при 2880 А. Стекло
викор пропускает'90% света этой длины волны. В качестве источ-
Небиологический синтез компонентов нуклеиновых кислот
229
никау-лучей применяли Со60 (мощность источника 2,5 ккюри, макси-
мальная интенсивность 5 • 106 род/час). Продукты реакции выпарива-
ли почти досуха. Часть полученного густого раствора разделяли мето-
дом двумерной хроматографии. Растворителями служили бутанол —
пиридин — бензол — вода и бутанол — уксусная кислота — вода.
В процессе реакции образовывался ряд органических соединений.
Фиг. 3. Хроматограмма, показывающая образование рибозы и дезоксири-
бозы из формальдегида.
А — стандарты; Б — хроматограмма продуктов реакции, полученных после облучения
формальдегида ультрафиолетом (/) и у-лучами Со’0 (II) (система бутанол — этанол —
вода).
Во втором опыте аликвотные порции каждой пробы разделяли
с помощью одномерной хроматографии в системе бутанол — эта-
нол — вода, используя нерадиоактивные рибозу и дезоксирибозу
в качестве стандарта. Нерадиоактивную рибозу и дезоксирибозу
определяли с помощью кислого фталата анилина. Регистрацию
радиоактивности проводили методом радиоавтографии, пользуясь
рентгеновской пленкой. Как в опытах с ультрафиолетом, так
и в опытах с ионизирующим излучением были обнаружены пятна,
соответствующие рибозе и дезоксирибозе (фиг. 3).
Зоны, соответствующие рибозе и дезоксирибозе, вырезали,
элюировали и подвергали двумерной хроматографии вместе со
230
С. Поннамперума
стандартными носителями, используя для разделения в одном
направлении смесь пропанол — этилацетат — вода, а в другом —
смесь бутанол — уксусная кислота — вода. Затем получали тене-
граммы и радиоавтографы. Пятно метчика на тенеграмме полно-
стью совпадало по форме и по положению с соответствующим пят-
ном на радиоавтографе. Итак, при действии ультрафиолетовых
и у-лучей из формальдегида образуются рибоза и дезоксирибоза.
По данным предварительного анализа больше всего образуется
пентоз и гексоз. Это, безусловно, объясняется стабильностью,
присущей пяти- и шестичленным циклам.
Следует отметить, что реакция, протекающая при действии
ультрафиолетовых и у-лучей, отчасти напоминает полимеризацию
формальдегида в щелочной среде, т. е. реакцию, известную хими-
кам-органикам уже более ста лет. Однако реакция, протекающая
под действием ультрафиолетовых и у-лучей, идет в кислой среде;
pH был равен 4,5 как до, так и после реакции.
В третьей серии опытов в качестве исходного вещества исполь-
зовался HCN, представляющий собой один из первичных про-
дуктов, возникающих в смеси метана, аммиака и воды при действии
ионизирующего излучения или электрического разряда. Миллер
и Юри рассматривали HCN как промежуточный продукт синтеза
аминокислот из смеси простейших газов [7]. Палм и Кальвин [12]
идентифицировали HCN как основной продукт, образующийся при
облучении электронами метана, аммиака и воды.
Применение HCN в качестве исходного материала целесообразно
также в свете теории кометного происхождения органических
веществ на примитивной Земле [9]. Известно, что некоторые из
этих соединений способны спонтанно превращаться в аминокислоты
и другие биохимически важные вещества. Полоса, соответствующая
связи С = N, обычно является первой полосой спектра хвостов
комет при их приближении к Солнцу [22]. Эта полоса имеет также
наибольшую ширину и в спектрах голов комет. Возможно, в ядрах
комет содержатся замороженные свободные радикалы, переходящие
в газообразное состояние под действием солнечного излучения.
Можно также предположить, что в ядрах комет содержатся замерз-
шие молекулы, которые под действием солнечного излучения пере-
ходят в парообразное состояние и диссоциируют на свободные
радикалы [23].
Третьим доводом в пользу нашего выбора послужил тот факт,
что аминоцианкарбен (димер HCN) является промежуточным про-
дуктом синтеза белков, пуринов и других биологически важных
соединений [6]:
/ NH \
II
2HCN —* \Н—С — С = N/ —>H2N—С—С = N:
Небиологический синтез компонентов нуклеиновых кислот
231
Поскольку этот димер представляет собой замещенный моноциан-
карбен, он может также иметь форму 1,1-бирадикала или 1,3-бира-
дикала. В форме 1,3-бирадикала он мог бы вступать в реакцию
с образованием таких циклических оснований, как пурины.
Мы проводили облучение цианистого водорода, меченного С14
(удельная активность 10 мкюри/ммоль, концентрация 10'3 моль/л).
Образцы запаивали в кварцевые пробирки и облучали с помощью
лампы ультрафиолетового света в течение 7 дней. Для удаления
растворенного кислорода через раствор пропускали ток азота.
Пробирки помещали в жидкий азот, откачивали и снова запаивали.
Продукты реакции выпаривали почти досуха, после чего их разде-
ляли с помощью двумерной хроматографии на бумаге в системах
пропанол — аммиак — вода и бутанол — пропионовая кислота —
вода. С помощью радиоавтографии на рентгеновской пленке мы
установили, что в результате облучения цианистого водорода
образуется большое количество различных органических соеди-
нений (фиг. 4).
Во втором опыте в качестве нерадиоактивных носителей исполь-
зовались гуанин и аденин, которые разделяли с помощью дву-
мерной хроматографии вместе с продуктами реакции. Носители на
тенеграмме выступали в виде ярких пятен. Темные пятна на рентге-
новской пленке полностью соответствовали светлым пятнам на
тенеграмме как по локализации, так и по форме, причем это совпа-
дение наблюдалось для четырех различных систем растворителей:
пропанол — аммиак — вода, бутанол — пропионовая кислота —
вода, изопропанол — НС1 и бутанол —• вода. Таким образом, из
меченного С14 цианистого водорода образуются вещества, идентич-
ные аденину и гуанину. Эти методы позволили идентифицировать
среди продуктов реакции также мочевину.
Расчеты показали, что в нелетучие продукты включалось 6%
исходного материала, причем около 1 % общего количества нелету-
чих продуктов приходилось на аденин, 0,5% — на гуанин и 10% —
на мочевину. Результат, по-видимому, не зависит от значения pH.
Для синтеза пуринов из HCN предложено несколько механизмов.
Например, аденин, согласно Клиссу и Мэттьюсу, может образовы-
ваться следующим образом. Цианистый водород в своей 1,3-бира-
дикальной форме, реагируя с одной молекулой HCN, дает кольцо
имидазола. Присоединение еще одной молекулы HCN и замыкание
кольца приводят к образованию аденина. Для катализируемого
основаниями синтеза аденина Оро [11] предложил следующую
схему. Формамидин и4-аминоимидазол-5-карбоксамидин образуются
самопроизвольно. Они являются теми основными промежуточными
продуктами, которые на конечном этапе синтеза дают аденин.
Я полагаю, что опыт с цианистым водородом по ряду причин
имеет особенно важное значение:
232
С. Поннамперума
1. Аденин и гуанин, синтезированные в наших опытах, являются
пуриновыми основаниями, встречающимися как в РНК, так и в ДНК.
2. Как аденин, так и гуанин образуются в процессе одной
и той же реакции.
Фиг. 4. Хроматограмма, полученная после облучения ультрафиолетом
цианистого водорода.
3. Концентрация исходного вещества в опыте крайне мала
(порядка 10~3 4 моль/л). Она вполне сравнима с концентрацией HCN
на примитивной Земле.
4. Ультрафиолетовый свет, использованный в качестве источ-
ника энергии в наших опытах, был в условиях примитивной Земли
наиболее распространенной формой энергии.
Небиологический синтез компонентов нуклеиновых кислот
233
5. В наших опытах в большом количестве образуется мочевина,
являющаяся важным с биохимической точки зрения промежуточным
продуктом.
Итак, полученные результаты показывают, что при наличии
подходящих источников энергии из цианистого водорода образуются
пурины (аденин и гуанин) и сахара (рибоза и дезоксирибоза).
В связи с этим нам показалось интересным выяснить, можно ли,
используя источники энергии, с помощью которых были успешно
синтезированы азотистые основания и сахара, синтезировать также
нуклеозиды и нуклеозидфосфаты. Мы провели две серии опытов —
с ультрафиолетовым светом и с ионизирующим излучением.
Принято считать, что ультрафиолетовое излучение Солнца
было наиболее доступной и широко распространенной формой энер-
гии на примитивной Земле; поэтому вполне логично предположить,
что оно сыграло ведущую роль в образовании органической среды,
связанной с возникновением жизни. По мнению Сагана [18, 19],
восстановительная атмосфера примитивной Земли по крайней мере
отчасти пропускала лучи с длиной волны 2400—2900 А; в этих
условиях пурины и пиримидины активировались и, по-видимому,
приобретали способность включаться в процесс образования нукле-
озидов и нуклеотидов.
В работе использовали С14-8-аденин (удельная активность
23,4 мккюри. 1мг), С14-8-аденозин (удельная активность?, % мккюри !мг)
и С14-адениловую кислоту (удельная активность 3,1 мккюри 1мг).
В качестве носителей применяли нерадиоактивные аденозин, адено-
зинмонофосфат (АМФ), аденозиндифосфат (АДФ), аденозинтрифос-
фат (АТФ) и аденозинтетрафосфат (А4Ф). Этилметафосфат мы
получали следующим образом: 150 г пятиокиси фосфора растворяли
в 300 мл этилового эфира, добавляли хлороформ и раствор нагре-
вали в течение нескольких часов с обратным холодильником [20].
Избыток растворителя удаляли выпариванием под вакуумом.
Облучение и анализ проводили следующим образом. Меченые
аденин, аденозин и адениловая кислота, применявшиеся в раз-
личных опытах в количестве от 1,5-10“6 до 1,5-10“5 моль, запаива-
лись в пробирки из стекла викор в виде водных растворов в смеси
со стехиометрическими количествами рибозы, фосфорной кислоты
или полифосфатов (табл. 1).
Конечная концентрация основания, нуклеозида и нуклеотида
в каждом случае не превышала 10“3 моль!л. Растворы облучали
четырьмя ультрафиолетовыми бактерицидными лампами GM (типа
782Н-10), длякоторых95% испускаемого света приходится на область
резонансной линии ртути с длиной волны 2537 А. Стекло викор, из
которого были сделаны пробирки, пропускало 80% света этой
длины волны. В течение 1 час образцы поглощали в общем ± 108эрг.
Во время облучения окружающая температура равнялась 40 ± 2°.
234
С. Поннамперума
Синтез компонентов нуклеиновых кислот *
Таблица 1
Опыт Аденозин АМФ АДФ АТФ А4Ф
1. С14-Аденин + рибоза
С14-Аденин + рибоза+
+ фосфорная кислота
С14-Аденин+рибоза+
+ этилметафосфат
2. С14-Аденозин +фос-
форная кислота
С14-Аденозин + этил-
метафосфат
3. С14-Аденозинмоно-
фосфат + фосфорная
кислота
С14-Аденозинмоно-
фосфат + эти лмета-
фосфат
4**. Аденозиндифосфат+
+ фосфорная кислота
Аденозиндифосфат +
+ этилметафосфат
4-(0,01%) -
+ (0,01%) +(0,08%)
+ (0,5%)
+ (0,06%) +(0,05%) +(0,04%)
+ (0,2%) +(0,1%) +
+ (3%)
+ (0,з%) +(0,1%)
* Цифры в скобках показывают, какое количество исходного материала (в %)
превратилось в данное вещество. Нижний предел чувствительности примененного мето-
да составляет 0,001%.
* * В опыте 4 количественные определения не проводились, так как использовали
немеченый АДФ. Положение АТФ устанавливали методом тенеграфии.
Продукты реакции анализировали прежде всего с помощью
хроматографии и радиоавтографии, а затем изучали их спектры
поглощения в ультрафиолете. Пробы наносили на бумагу ват-
ман № 4 и разделяли методом двумерной хроматографии в двух
системах растворителей: бутанол — пропионовая кислота — вода
и изомасляная кислота — аммиак.
Положение носителей (аденозина, АМФ, АДФ, АТФ и А4Ф)
определяли методом тенеграмм. Совпадение расположения и разме-
ров пятен носителей на тенеграммах с радиоактивностью на радио-
автограммах явилось основой для идентификации получаемых
соединений. Другие пробы хроматографировались в двух других
системах растворителей: трихлоруксусная кислота — ацетон и бута-
Небиологический синтез компонентов нуклеиновых кислот
235
нол — муравьиная кислота — вода. И на этот раз также было
установлено совпадение пятен носителя на тенеграмме и радиоак-
тивности на пленке. Результаты, полученные методами тонкослой-
ной и ионообменной хроматографии, совпали с данными хромато-
графии на бумаге.
Мы провели четыре различных опыта. В первом опыте исход-
ным веществом был аденин, во втором — аденозин, в третьем —
аденозинмонофосфат (фиг. 5) и в четвертом — аденозиндифосфат.
Мы установили, что аденин превращается в аденозин, аденозин —
в аденозинмонофосфат, аденозинмонофосфат — в аденозиндифосфат
и аденозиндифосфат — в аденозинтрифосфат [15]. При использо-
вании аденина в качестве исходного вещества наблюдалось обра-
зование АМФ, АДФ и АТФ.
В отсутствие фосфорного компонента не происходило синтеза
заметных количеств аденозина. Образование аденозина имело место
в присутствии как фосфорной кислоты, так и этилметафосфата,
тогда как нуклеозидфосфаты синтезировались только в присутствии
этилметафосфата. Вначале для синтеза нуклеозидфосфатов мы
пользовались фосфорной кислотой. Затем был выбран этилмета-
фосфат, так как, согласно недавнему сообщению Шрамма и сотр.
[20], он активирует карбонильные, гидроксильные и аминогруппы.
По-видимому, нельзя считать, что в предбиологических условиях
этилметафосфат был доступным источником фосфора. Однако неясно,
способны ли были другие фосфорные соли, быть может встречав-
шиеся в больших количествах, заменять этилметафосфат. При тем-
пературах выше 300° фосфорная кислота находится в форме поли-
фосфата. По-видимому, при остывании земной коры полифосфаты
взаимодействовали с алкоксисоединениями с образованием фос-
форных эфиров. Возможно также, что в синтезе нуклеозидфосфатов
способны принимать участие и другие фосфорные соединения.
Для того чтобы установить, существует ли опасность загрязне-
ния продуктов реакции микроорганизмами, мы провели две группы
опытов. Во-первых, мы хотели установить, не происходит ли при
довольно высокой температуре (40 ± 2°) опыта в процессе облуче-
ния усиления метаболической активности микроорганизмов, при-
сутствующих в реакционных сосудах. Для этого контрольные про-
бирки выдерживали в течение соответствующего времени при
той же температуре, но без облучения ультрафиолетом. Затем
контрольные и облученные образцы подвергали одинаковой обра-
ботке и последующему анализу. Никаких различий при этом обна-
ружено не было.
Другой возможный источник заражения — микроорганизмы,
присутствующие в изотопных реактивах; мы предположили, что
под действием ультрафиолета они подвергаются лизису, и освобо-
дившиеся при этом продукты обмена способны загрязнять реак-
236
С. Поннамперума
ционную среду. Для проверки этого предположения мы выдержи-
вали в автоклаве опытные пробирки в течение 45 мин при 120°,
а все реактивы предварительно пропускали через стерильные
фильтры Зейца. Подготовленные таким образом стерильные пробы
Фиг. 5. Хроматограмма, полученная после облучения АМФ ультрафиолетом,
облучали ультрафиолетовым светом и анализировали. Никаких
различий по сравнению с опытом обнаружено не было.
Как показано в табл. 1, выход продуктов реакции был довольно
высоким. А между тем обычный химический синтез нуклеозидфос-
фатов требует довольно сложной методики [1]. При образовании
аденозина из аденина, рибозы и донора фосфора квантовый выход
Небиологический синтез компонентов нуклеиновых кислот 237
за 1 час облучения составляет <р ~ 10'5. При синтезе АМФ, АДФ
и АТФ с участием этилметафосфата квантовые выходы почти на
порядок выше.
Для выяснения вопроса о биохимической активности синтези-
рованной АТФ мы провели опыты по изучению свечения обезвожен-
ных задних абдоминальных сегментов светляков по методу Стрелера
и Тоттера [21]. Интенсивность люминесценции измеряли на флуо-
риметре Тёрнера. Кривые затухания свечения для опытной и аутен-
тичной АТФ оказались идентичными. Было обнаружено, что вели-
чина концентрации АТФ в опытном растворе совпадала с величи-
ной,полученной спектроскопически. Различия оставались в преде-
лах ошибки опыта. Сотрудники нашего Отделения космической
•биологии Купервас и Клейн определяли биохимическую актив-
ность синтезированного АТФ, используя гексокиназу дрожжей.
Синтезированный продукт в гексокиназной реакции был столь же
эффективен, как и заведомо чистый АТФ.
Применяя описанные выше методы, мы предприняли попытки
синтезировать дезоксиаденозин и дезоксинуклеотиды. После облу-
чения смеси дезоксирибозы, аденина и этилметафосфата мы полу-
чили дезоксиаденозин, а также дАМФ, дАДФ и дАТФ. Приме-
нение ионизирующего излучения дает еще более обнадеживающие
результаты. Если подвергнуть действию ионизирующего излучения
водные растворы аденина и рибозы, то аденозин образуется даже
в отсутствие фосфата. При облучении же ультрафиолетом для обра-
зования аденозина необходимо присутствие фосфата. Предвари-
тельные данные показывают, что в присутствии неорганического
фосфата (фосфорной кислоты) образуются моно-, ди- и тринуклео-
тиды.
Таким образом, в нашей лаборатории был осуществлен синтез
пуринов (аденина и гуанина), сахаров (рибозы и дезоксирибозы),
нуклеозида (аденозина) и нуклеотидов (АМФ, АДФ и АТФ). Эти
результаты непосредственно связаны с проблемой происхождения
жизни, так как синтез названных соединений происходил в водной
среде, концентрация исходных веществ была очень низкой и источ-
ники энергии были сходны с теми, которые, вероятнее всего, суще-
ствовали на примитивной Земле.
ЛИТЕРАТУРА
1. В a d d i 1 е у J., in «The Nucleic Acids», I, p. 137, ed. by E. Chargaff
and J. Davidson, New York, Academic Press, J955.
2. Бутлеров A., Annalen, 120, 295 (1861).
3. Эльпинер E., Сокольская А. В., Происхождение жизни
на Земле (Материалы международного симпозиума, Москва), стр. 173,
1959.
238
С. Поннамперума
4. Fox S. W., Harada K-, Science, 133, 1923 (1961).
5. Kerr J. A., T г о t m a n - D i с к e ns о n A. F., in Handbook of Che-
mistry and Physics, 44-th ed., pp. 3519-20, Chem. Rubber Publ. Co, Cleve-
land, Ohio (1962—63).
6. К 1 i s s R. M., Matthews C. N., Proc. Nat. Acad. Sci., US, 48, 1300
(1962).
7. M i 1 1 e r S. L., I. Am. Chem. Soc., 77, 2351 (1955).
8. M i 1 1 e r S. L., U г e у H. C., Science, 130, 245 (1959).
9. Ord J., Nature, 190, 389 (1961).
10. Ord J., Ann. N.Y. Acad. Sci., 108, 64 (1963).
11. О г о J., К i m b a 1 1 A. P., Arch. Biochem. Biophys., 93, 166 (1961).
12. P a 1 m С., С a 1 v i n M., J. Am. Chem. Soc., 84, 2115 (1962).
13. Ponnamperuma C., Lemmon R. M., Calvin M., Science,
137, 605 (1962).
14. Ponnamperuma C., Lemmon R. M., Mariner R., С a 1-
v i n M., Proc. Natl. Acad. Sci., U.S., 49, 737 (1963a).
15. Ponnamperuma C., Sagan C., Mariner R., Nature, 199,
222 (1963B).
16. Pullman B., Pullman A., Nature, 196, 1137 (M. Burton, J.Kirby-
Smith, J. L. Magee, eds.) (1962).
17. P u 1 1 m a n B., Pullman A., in «Comparative Effects of Radiation»
111—112, Wiley, New York (1960).
18. Sagan C., Evolution, 11, 40 (1957).
19. Sagan C., Radiation Res., 15, 174 (1961).
20. Schramm G., G г о t s c h H., P о 1 1 m a n W., Angew. Chemie
(Intern Ed. Engl.), 1, 1 (1962).
21. S t r e h 1 e r B. L., T о t t e r J. K., Arch. Biochem. Biophys., 40,
28 (1952).
22. S w i n g s P., H a s e r L., Atlas of Representative Cometary Spectra
Univ. Liege, Astrophysical Institute Louvain (1956).
23. W h i p p 1 e F. L., Astrophys. J., Ill, 375 (1950).
ОБСУЖДЕНИЕ ДОКЛАДА
Бернал. Сообщение д-ра Сагана представляется мне особен-
но ценным потому, что в нем обсуждаются дополнительные факторы,
которые необходимо учитывать при любом обсуждении проблемы
возникновения жизни, а именно распространение в космическом
пространстве главнейших элементов, таких, как водород, углерод,
азот и кислород. Он предполагает, что эти элементы являются
основными компонентами любых форм жизни. Наиболее слабое
место этого представления состоит, по моему мнению, в том, что
оно не учитывает ограниченного распространения фосфора —
этого ключевого элемента всех биохимических реакций. Между
тем уже одно это обстоятельство позволяет исключить любую
возможность возникновения жизни на метеоритах или на их роди-
тельских телах, на которых концентрация фосфора слишком низка;
в то же время оно говорит в пользу возникновения жизни в водной
среде на поверхности планеты достаточно большой массы.
X а р а д а. Я бы хотел узнать мнение д-ра Сагана относительно-
предполагаемой температуры протосолнца.
Небиологический синтез компонентов нуклеиновых кислот
239
Согласно вашей статье в журнале Radiation Res., 15, 174 (1961),
«...примитивная восстановительная атмосфера существовала уже
1-10® лет назад, а 4,5-10® лет назад стабилизировалась земная
мантия» и далее: «...возникновение жизни следует отнести ко вре-
мени, удаленному от нас на 4,0 ± 0,5-109 лет. Более точные расчеты
показывают, что жизнь на Земле возникла 4,2 ± 0,2- 10е лет назад».
Итак, к этому времени из метана, аммиака и других соединений
примитивной атмосферы при участии энергии ультрафиолетового
излучения или электрических разрядов образовались простые
и сложные биологически важные органические соединения. Химики
считают, что ультрафиолетовый свет был на примитивной Земле
наиболее распространенной формой энергии. Однако химики не
могут точно указать температуру поверхности протосолнца 4,5 X
X 10е лет назад. А между тем энергия ультрафиолетового излуче-
ния, безусловно, связана с температурой поверхности Солнца.
Существует мнение, согласно которому Земля и Солнце имеют
общее происхождение, причем это событие, как полагают, произошло
4,5-10® лет назад. Следовательно, 4,2-10® лет назад, когда на
Земле возникла жизнь, Солнце было еще очень молодым. Прото-
солнце могло быть оранжевой или красной звездой или даже несве-
тящейся звездой даже в том случае, если в недрах такого прото-
солнца протекали термоядерные реакции. Если температура поверх-
ности протосолнца уменьшалась, то, согласно закону Стефана —
Больцмана и закону смещения Вина, энергия излучения, особенно
ультрафиолетового излучения, должна была также заметно сни-
зиться. Если первичное Солнце было оранжевой звездой, то оно
могло испускать только небольшое количество длинноволновых
ультрафиолетовых лучей. Если же оно было красной звездой, то
вряд ли энергия его ультрафиолетового излучения вообще дости-
гала Земли. Я рассматриваю сейчас тот ранний период, когда атмо-
сфера была относительно легко проницаемой для ультрафиолетовых
лучей. Образование слоя озона произошло позже.
Синтезы биологически важных органических соединений, про-
веденные в лаборатории при использовании ультрафиолетового све-
та, имеют весьма важное значение. Однако, по-моему, химики не
задаются вопросом, была ли энергия ультрафиолетового излучения
протосолнца в период возникновения жизни такой же, какова
она сейчас.
Я полагаю, что эволюция Солнца должна рассматриваться в свя-
зи с эволюцией примитивной Земли. Знание температуры на поверх-
ности протосолнца (4,5—4,2-10® лет назад) очень важно, поскольку
от этой температуры зависело образование органических соеди-
нений при участии энергии ультрафиолетового излучения. Какова
же была температура поверхности протосолнца 4,5—4,2-10® лет
назад?
240
С. Поннамперума
Саган. Величину потока фотонов с длиной волны, меньшей
некоторого значения Ло, падающих на поверхность атмосферы при-
митивной Земли, можно выразить следующим образом:
q- kT С2LY {-/ic/мт}
Y 7
где k — постоянная Больцмана, h = h/2л, h. — постоянная План-
ка, Т — эффективная температура Солнца в ультрафиолетовой
области, R — радиус солнечной фотосферы, а — большая полуось
орбиты Земли и с — скорость света. По-видимому, величины k, h, с
и а были 4-10® лет назад такими же, как и сейчас. Поэтому при
данном значении /-0 мы можем определить поток фотонов Q, падаю-
щий на 1 см2 за 1 сек, при условии, если нам известны R и Т.
Согласно современным представлениям об эволюции Солнца,
вначале оно уплотнялось из межзвездного газово-пылевого облака,
затем оно перемещалось по диаграмме Гершпруна — Рессела вер-
тикально вниз по направлению к главной последовательности.
Температура поверхности Солнца свыше 5-10® лет назад была
почти так же высока, как и в настоящее время, тогда как радиус его
был значительно больше; поэтому вполне возможно, что поток
ультрафиолетовых лучей был в то время даже интенсивнее, чем
сейчас. Однако это сжатие Солнца до состояния звезды главной
последовательности происходило до образования планет и, по-види-
мому, поток ультрафиолета никоим образом не связан с проблемой
возникновения жизни на планетах.
По достижении состояния звезды главной последовательности
Солнце приобрело относительную стабильность, и его яркость
за 5-10® лет возросла примерно на половину звездной величины
(болометрической). Согласно модели эволюции Солнца, радиус
солнечной фотосферы 4 млрд, лет назад составлял 0,9 теперешней
величины. Если мы условимся, что эффективная температура
ультрафиолетового излучения пропорциональна средней боло-
метрической температуре, то можно сказать, что она составляла
0,98 современной величины, т. е. была немногим меньше 5000° К.
На основании этих данных мы составили следующую таблицу,
в которой представлены приблизительные значения потока фотонов
ультрафиолетового излучения с длиной волны Х,о, исходивших
от Солнца и достигавших границы атмосферы Земли 4-10® лет
назад:
Хо> A Q, см~2сек~1
2900 7-101*
2600 4-10И
2400 9-1013
2000 2-1013
Небиологический синтез компонентов нуклеиновых кислот
241
Эти цифры, по моему мнению, наглядно показывают преиму-
щественную роль ультрафиолетового света по сравнению с дру-
гими формами энергии в процессе возникновения жизни. По этой
же причине целесообразнее всего для воспроизведения в лаборатории
условий примитивной Земли использовать именно ультрафиолет,
а не другие источники энергии, например а-частицы высокой
энергии.
Пири. Я бы попросил д-ра Сагана несколько дополнить све-
дения о Юпитере; я не запомнил цифр, но, кажется, его плотность
очень низка, ниже 1, и поэтому часть объема Юпитера должна
была, видимо, состоять из очень легких веществ, таких, как жидкий
водород или аммиак. Совместимо ли это с температурами, о кото-
рых вы говорили?
Саган. На основании величин массы и радиуса Юпитера
можно заключить, что в среднем его плотность выше F/з г/см3.
Вот Сатурн мог бы плавать на поверхности воды, если бы его бро-
сить в достаточно большой водоем. Характер движения спутников
Юпитера показывает, что в центре самой планеты имеет место зна-
чительное уплотнение вещества. Следовательно, большая часть
вещества Юпитера находится в газообразном состоянии. В физиче-
ских условиях, существующих внутри Юпитера, водород приобре-
тает свойства металла, т. е. высокую тепло- и электропроводность,
которыми обычно он не обладает.
Предположения, о которых я говорил, основаны на термодина-
мических расчетах Галле и касаются той области атмосферы, кото-
рая расположена на 100 км ниже видимых облачных скоплений.
Твердое же тело Юпитера удалено от этой области еще дальше.
Пири. Итак, вы считаете, что в «тумане», окружающем Юпи-
тер, идет синтез?
Саган. По плотности атмосфера Юпитера приближается
к жидкой воде. Хотя она и не является жидкой в общепринятом
смысле, все-таки она уплотнена настолько, что может заменять
воду и служить средой, благоприятной для образования больших
органических молекул. К тому же облака содержат воду.
Мора. Д-р Поннамперума, пробовали ли вы в ваших опытах
с аденином заменить фосфорную кислоту на фосфористую? Фосфо-
ристая кислота, поскольку третий атом водорода у нее имеет низкую
константу диссоциации, могла бы служить сильным катализатором.
Поннамперума. Нет, не пробовал. Надо проверить
эту способность фосфористой кислоты.
М о р а. Я рекомендую вам в связи с этим статьи Свейна и Лоури
[Swain C.G., В rown I. Е., I. Am. Chem. Soc. 74, 2534 (1952);
L о w г у Т. М., S т i t h J. F., J. Chem. Soc. 2539 (1927)].
Патти. У меня возник вопрос в связи с тем, что говорил
Саган. В своем выступлении вы сказали, что с удовольствием изуча-
242
С. Поннамперума
ли бы поведение полимеразы в геологическую эпоху. Но для этого
нужно знать две величины. Одна из них — время полужизни
Нуклеотида, а вторая — каталитическая активность полимеразы.
Известны ли эти величины?
С а г а н. Я не могу ответить на этот вопрос. Это уже проблемы
кинетики, которые, надеюсь, можно решить.
Холдейн. ДНК очень стабильна; возможно, так же стабиль-
на и РНК- Я хотел бы спросить д-ра Сагана, что он думает о так
называемой химии Франклина, которая базируется на аммиаке,
а не на воде. Возможна ли подобного типа система в условиях
Юпитера?
Саган. Конечно, я считаю, что такая замена ОН на NH2 вполне
возможна. На Юпитере мы можем ожидать присутствия слоя обла-
ков из жидкого аммиака ниже наблюдаемого слоя «перистых» обла-
ков из аммиака, а выше — гипотетический слой облаков из жидкой
воды. Таким образом, можно предположить, что на Юпитере имеют
место оба типа органической химии — типа Франклина и обыч-
ный тип.
Фокс. Я хотел бы в связи с замечанием д-ра Мора указать,
что, по мнению Аддисона Гулика [Addison Gulick, Am. Sci.,
43, 479 (1955); Ann. N. Y. Acad. Sci., 69, 309 (1957)], на примитивной
Земле встречались как фосфористая, так и фосфорноватистая кис-
лоты. Гулик предполагает, что жизнь возникла в среде, в которой
фосфор был окислен лишь частично.
Саган. По мнению Гулика, в восстановительных условиях,
существование которых он признает, фосфор присутствовал только
в форме солей фосфористой и фосфорноватистой кислот; но в этих
условиях могла также существовать и фосфорная кислота, которая
и служила вероятным источником фосфора в те далекие времена.
Оро. Д-р Поннамперума был удивлен тем, что ему не удалось
обнаружить пиримидины, тогда как мы их обнаружили. Я бы хотел
предложить два вероятных объяснения: отсутствие образования
соответствующих промежуточных С3-компонентов и использование
более низкой температуры (наши опыты проводились при темпе-
ратуре 135°).
Ш р а м м. Может ли аденозин превратиться в аденозинфосфат
без облучения? Не пытались ли вы проверить это?
Поннамперума. При температуре около 40° нам не уда-
валось получить нуклеотиды без облучения.
Чар гафф. Имеются ли данные об образовании в различного
типа первичных бульонах таких соединений, как гидразин или
гидроксиламин? Известно, что пиримидины легко разрушаются в
присутствии гидразина; вот вам и подходящее объяснение. Обна-
руживали ли вы гидразины или гидроксиламин?
Поннамперума. Мы не определяли их.
Неб ио логический синтез компонентов нуклеиновых кислот
243
Оро. Гидразин в большом количестве образуется при действии
электрических разрядов на аммиак или смесь аммиака с водой.
Однако в присутствии метана синтез гидразина снижался за счет
образования аминокислот и амидов. Химические свойства гидра-
зина еще не изучены полностью.
Шрамм. Расщепление пиримидинов происходит только при
высоких концентрациях гидразина.
Оро. Следует добавить, что формальдегид и гидразин дают
начало ряду весьма интересных соединений. Так, кроме вышена-
званных аминокислот, о которых я говорил в своем докладе, мы
наблюдали образование ацетальдегида и пиридинов. Поскольку
некоторые производные пиридина известны как коферменты, пред-
ставляет интерес обсудить возможные пути образования пиридинов
из формальдегида и гидразина. В присутствии гидразина формаль-
дегид претерпевает процесс альдольной конденсации, который
ускоряется в щелочной среде; при этом образуются моносахариды,
которые легко циклизуются с образованием пираноз и фураноз.
При восстановлении гидразина возникает аммиак, который
легко замещает кислород в карбонильной группе пиранозы, что
ведет к образованию пиридина. По-видимому, за счет такой же
последовательности реакций из фуранозы возникают пирролы.
Как было показано оригинальными опытами Горбачевского,
а недавно и работами других авторов — Бредерика, Оро, Поннам-
перумы,— из таких аминокислот, как, например, глицин, можно
легко синтезировать пурины. Однако для такого синтеза требуются
температуры около 500° К. Ниже мы приводим список синтезиро-
ванных пуринов в порядке уменьшения их выхода, который тем
меньше, чем меньше степень их окисленности: мочевая кислота,
ксантин, гипоксантин, аденин. Выход аденина, хотя и низок, но
сопоставим с количествами, получаемыми при использовании
цианистого водорода.
Можно также предположить, что синтез пуринов весьма сходен
с ферментативным синтезом этих веществ из смеси цианистого
водорода при комнатной температуре. Это заключение основано
на более ранних наблюдениях с применением пробы Герлаха —
Дёринга, позволяющей обнаруживать или сам аденин, или аде-
нинсодержащие соединения. Так, помимо аденина, с помощью
этой пробы мы обнаружили на хроматограммах еще одно соеди-
нение, дающее положительную реакцию Герлаха — Дёринга. Судя
по меньшей подвижности этого соединения и по некоторым другим
его свойствам, мы предположили, что это ацил- или гликозилпро-
изводное аденина; по-видимому, можно считать также, что про-
межуточные продукты при синтезе нуклеозидов образуются до цик-
лизации имидазольного и пиримидинового колец молекулы аде-
нина, что характерно и для ферментативного синтеза.
24 4
С. Поннамперума
Саган. Д-р Буханан предположил, что примитивный синтез
пуринов и пиримидинов протекал аналогично биосинтетическо-
му пути образования этих веществ. Однако СО2 всегда находился
в атмосфере Земли в малом количестве, так как, согласно Юри,
избыток СО2 взаимодействовал с силикатами с образованием
карбонатов и песка. Реакция эта зависела от парциального
давления СО2, которое, в свою очередь, определялось температурой
окружающей среды. Но парциальное давление СО2 было того же
порядка, что и в современных условиях. Следовательно, если пути
образования пиримидинов в то отдаленное время были сходны с
современными, то их тормозил недостаток СО2.
Буханан. Возможно, что запас СО2 пополнялся за счет
распада щавелевоуксусной кислоты. Однако при проведении фер-
ментативной реакции трудно определить, какое из соединений
является лучшим предшественником пуринов — щавелевоуксусная
кислота или СО2.
Поннамперума. Д-р Фокс показал ранее, что яблочная
кислота и мочевина дают урацил. Это может быть ответом на ваш
вопрос.
Фокс. Этот синтез идет в присутствии полифосфорной кислоты
и сопровождается дегидратированием последней. Таков вполне
вероятный механизм, при котором происходит потеря молекулы
воды.
Поннамперума. Изучая протеиноид, полученный путем
нагревания аминокислот, мы обнаружили следы гуанина. По-види-
мому, его синтез аналогичен биосинтетическому процессу, в котором
аминокислоты также служат предшественниками.
Трудно сказать с уверенностью, как возникает гуанин. Однако
опыты с мечеными аспарагиновой и глутаминовой кислотами пока-
зали, что ни одна из них не участвует в образовании гуанина. В его
образовании принимают участие какие-то другие аминокислоты
(может быть, одна аминокислота).
ПРЕДПОЛАГАЕМЫЙ СИНТЕЗ ПОРФИНОПОДОБНЫХ
ВЕЩЕСТВ В ПРОЦЕССЕ ХИМИЧЕСКОЙ ЭВОЛЮЦИИ
А. ШУТКА
Department of Chemistry, University of Detroit, Detroit, Michigan
ВВЕДЕНИЕ
Существует довольно обоснованная гипотеза, согласно которой
химическая эволюция, т. е. эволюция на молекулярном уровне,
предшествовала появлению первой живой клетки на Земле. Соглас-
но современным представлениям, в сравнительно простой при-
митивной атмосфере, состоявшей из метана, аммиака и воды,
а также, вероятно, некоторого количества молекулярного водо-
рода, при действии ультрафиолетового излучения, электрических
разрядов и высокоэнергетического излучения могли образоваться
более сложные вещества [17, 25, 26, 43]. Принято считать, что
в тот период, к которому относятся эти превращения, температура
была ниже 100°. Возникшее, таким образом, первичное вещество
накапливалось в воде, образуя органическую среду, т. е. смесь
углеродных соединений, возникшую абиогенным путем, которую
обычно рассматривают как необходимую предпосылку для возник-
новения жизни. Некоторые расчеты, сделанные Юри [43], пока-
зывают, что первичный океан мог содержать до 10% растворенных
органических соединений. Синтез таких первичных веществ про-
должался до тех пор, пока не достигалось состояние равновесия,
при котором количество первичных органических веществ, обра-
зующихся под действием имеющихся источников энергии, равно
количеству одновременно разрушаемых веществ. На этом этапе
могло иметь место образование только сравнительно простых
молекул, так как более сложные и лабильные оказались бы раз-
рушенными под действием интенсивного ультрафиолетового излу-
чения. Это излучение могло в то время достигать поверхности
Земли, не защищенной слоем озона, как это имеет место в настоя-
щее время.
Изложенные выше теории Опарина [25, 26] и Юри [43] под-
верглись тщательной экспериментальной проверке в работах Мил-
лера [20—22], Миллера и Юри [24], Павловской и Пасынского [32],
Абельсона [1], Оро [27], Хассельштрома и Генри [18], Хассель-
штрома и сотр. [19], Пашке и сотр. [31 ] и других авторов [3, 4, 30].
В результате этих экспериментов были получены различные био-
246
А. Шутка
химически важные вещества, такие, как аминокислоты, алифа-
тические кислоты, полиоксисоединения, альдегиды и мочевина.
Подвергая указанные простые соединения дальнейшему воздей-
ствию ультрафиолетового излучения или нагревания в мягких усло-
виях, удалось получить целый набор более сложных органических
веществ. В результате таких реакций более высокого порядка про-
исходило, в частности, образование полипептидов из аминокис-
лот [13—15] и из полиглицина [2].
Большинство исследователей, работающих над проблемой про-
исхождения жизни [7—10, 16, 25, 26, 36], убеждены в том, что
на определенном этапе химической эволюции должно было про-
исходить образование порфиринов. Однако до недавнего времени
не было убедительных экспериментальных данных, подтверждаю-
щих возможность синтеза порфиринов и порфиноподобных соеди-
нений из предшественников, присутствовавших на Земле в период,
когда на ней протекала химическая эволюция.
В настоящем сообщении представлены данные, имеющие непо-
средственное отношение к образованию органической среды, а имен-
но к синтезу порфиноподобных соединений из простых предшествен-
ников.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ
Известно, что при нагревании пиррола и бензальдегида до 180°
происходит их конденсация с образованием а, р, у, б-тетрафенил-
порфина [34] (фиг. 1) и а, р, у, б-тетрафенилхлорина [5]. В своих
первых опытах [38] мы работали со смесью, состоящей из 5 мл
пиррола, 10 мл бензальдегида, 10 мл пиридина (все реактивы были
свежеперегнанными) и 5 г уксуснокислого цинка. Пиридин при этом
служил растворителем; уксуснокислый цинк использовался для
увеличения выхода реакции [5, 33]. В изготовленную из стекла
пирекс пробирку с завинчивающейся крышкой помещали смесь
реагентов таким образом, чтобы над жидкостью оставалось 2 мл
свободного пространства. Смесь подвергали действию у-лучей,
испускаемых Со60, в течение 10 час, мощность дозы составляла при-
мерно 0,5 мегарентген/час. Затем облученный раствор красноватого
цвета удаляли из реакционного сосуда, разводили хлороформом,
приливали равный объем 6 н. соляной кислоты и интенсивно пере-
мешивали в течение 3 час. Затем кислый раствор нейтрализовали
аммиаком. Хлороформную фракцию отделяли от водного слоя,
промывали несколько раз дистиллированной водой и подвергали
хроматографическому разделению на колонке из активированной
окиси алюминия по методу Пристхоффа и Бенкса [33]. В качестве
элюента использовали свежеперегнанный хлороформ. После трое-
кратной очистки достигалось удаление большей части смолистых
Синтез порфиноподобных веществ в ходе химической эволюции 247
веществ из хлороформной фракции, которую затем хроматографи-
ровали на колонке из магнезола. Фракцию темно-зеленого цвета
пропускали через другую колонку, далее пропускали эфир и про-
водили элюцию хлороформом. Эту процедуру повторяли до тех
пор, пока не получали одну светлую фракцию.
В более поздних опытах [39] мы использовали смесь из 3 мл
свежеперегнанного пиррола, 6 мл бензальдегида и 4 мл воды,
которую помещали в химический стакан емкостью 250 мл и облу-
чали ультрафиолетом на расстоянии 25 см при помощи лампы Напо-
via (100 вт). Применявшийся в опытах фильтр пропускал 45%
Фиг. 1. Молекула а,р,у,6-тетрафенилпорфина.
лучей с длиной волны 2500 А и 90% — с длиной волны 3000 А.
Выходная мощность лампы составляет 1,5- 101а квантов в 1 сек
на 1 слг или 5-Ю16 квантов в 1 сек на площадь экспонируемой
поверхности реакционной смеси. Дозы измеряли методом хими-
ческой актинометрии, используя щавелевокислый уранил согласно
методу Форбса и Хейдта [12]. По окончании облучения полученный
красновато-коричневый раствор разбавляли приблизительно 20 мл
хлороформа и промывали 20 мл дистиллированной воды. После
разделения в делительной воронке водный слой удаляли, а слой
хлороформа переливали в химический стакан, содержащий при-
мерно 20 г безводного сульфата натрия, для окончательного обез-
воживания. Сульфат натрия затем удаляли при помощи фильтро-
вания. К фильтрату доливали хлороформ до общего объема 50 мл.
Полученный раствор подвергали инкубированию и использовали
в дальнейшем для количественного определения порфинов.
Конечный продукт выделяли при помощи хроматографирования
на колонках из активированной окиси алюминия (F-20) и флори-
248
А. Шутка
зила (60—100 меш); в качестве элюента использовали свежепере-
гнанный хлороформ. Чистое вещество получали в результате
двукратного разделения на колонке из окиси алюминия и трех-
четырехкратного пропускания через колонку из флоризила. В элюа-
те обнаруживали порфины. Фракции собирали до того момента,
пока не исчезала полоса Соре.
^00 500 600 700
Длина волны, ммк
Фиг. 2. Спектр бензольного раствора.
Сплошная линия — стандартное соединение, ТФП; прерывистая линия — выделенное
вещество.
Если такую же смесь, содержащую пиррол, бензальдегид и воду,
поместить в темноту без облучения, в ней также происходит обра-
зование порфинов. Их выделение и количественное определение
мы проводили при помощи тех же методов, что и в случае облу-
ченных растворов.
При использовании вместо воды пиридина в облучаемой в тече-
ние 2 час смеси не удалось обнаружить порфинов при помощи выше-
описанных методов. Инкубирование смеси в течение 10 дней при-
водило к появлению лишь незначительных количеств порфинов.
На фиг. 2 представлен типичный спектр соединения, выделен-
ного из облученной смеси, а также спектр соответствующего тетра-
фенил порфина (ТФП), синтезированного по методу Болла
Длина волны, ммк
Фиг. 3. Спектр хелатного комплекса с цинком (бензольный раствор).
Сплошная линия — стандарт; прерывистая линия — выделенное вещество.
ifOD 500 600 700
Длина волны, ммк
Фиг. 4. Спектр раствора в ледяной уксусной кислоте.
Сплошная линия — стандарт; прерывистая — выделенное вещество.
250
A. Шутка
и сотр. [5]. Приведенные спектры аналогичны спектрам, получен-
ным Томасом и Мартеллом [40], а также Доро и сотр. [11 ]. Для
количественного определения образующегося вещества использо-
вали коэффициент молярной экстинкции, равный, согласно Томасу
и Мартеллу [40], 18,7-103 при максимуме 515 ммк. В дальнейшем
тождественность исследуемых веществ устанавливали на основании
образования хелатного комплекса с цинком согласно методике,
предложенной Ротемундом и Менотти [35], а также Доро
и сотр. [11]. Как следует из фиг. 3, спектры стандартного хелат-
ного комплекса и хелатного комплекса соединения, выделенного
из облученной смеси, идентичны.
Как показали Ротемунд и Менотти [35], а также Бенке
и Биек [6], кислые соли а,р,у,б-тетрафенилпорфинов имеют
характерный спектр. Поэтому часть бензольных растворов соот-
ветствующего ТФП и растворов соединений, выделенных из облу-
ченных смесей, выпаривали досуха и обрабатывали ледяной уксус-
ной кислотой. Оказалось, что полученные спектры (фиг. 4) иден-
тичны спектрам, приведенным в литературе [6, 35].
Хотя количество порфинов, выделенных после у-облучения,
измерялось микрограммами, оно было достаточным для их иден-
тификации.
На фиг. 5 и 6 представлены общие количества порфинов, выде-
ляемых из инкубационных смесей в зависимости от времени инку-
бирования в хлороформе. Каждая кривая на этих графиках полу-
чена для различных условий облучения.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
В настоящей работе показано, что порфиноподобные вещества
могут синтезироваться в присутствии кислорода и соответствую-
щих предшественников, которые были вполне доступны на самых
ранних стадиях химической эволюции. Как показали опыты Мил-
лера [20—22], среди продуктов реакции, образующихся при элек-
трическом разряде в атмосфере Юри, обнаружены альдегиды.
Пирролы и пирролидины легко образуются из аммиака, ацетилена
и других ненасыщенных углеводородов в результате простой ката-
литической реакции или же под действием ультрафиолетового излу-
чения [25]. Помимо этого, Цукамото и Лихтин [41, 42] обнару-
жили, что пирролы являются основным продуктом при взаимодей-
ствии активированного азота с бутадиенами-1,3.
Результаты данного исследования указывают также на то, что
присутствие воды, вернее суспендирование органического вещества
в воде, значительно повышает выход порфиноподобных веществ.
Как уже отмечали Опарин [25, 26] и Холдейн [17], жизнь скорее
40
J--U—1---1--1--1--1_J---1___1-1__I , 11 , _L 1 |
Ю 20
Время, дни
Фиг. 5. Общее количество вещества, образующегося в зависимости от вре-
мени инкубации в хлороформе после облучения ультрафиолетом.
Кружки — без облучения; треугольники — облучение в течение I час (2537 Л); квадра-
тики — облучение в течение 2 час (2537 А); ромбики — облучение в течение 3 час (2537 А).
Фиг. 6. Общее количество вещества, образующегося в зависимости от вре-
мени инкубации в хлороформе после облучения вольфрамовой лампой.
Кружки — без облучения; треугольники — облучение в течение I час (видимый свет);
квадратики — облучение в течение 2 час (видимый свет); ромбики — облучение в течение
3 час (видимый свет).
252
A. Шутка
всего возникла в водоемах, богатых органическими веществами,
а не на твердой поверхности.
Концентрация органических веществ могла значительно повы-
шаться при испарении воды в озерах и лагунах.
Увеличение выхода порфиноподобных веществ, наблюдаемое
при длительной инкубации в хлороформе, свидетельствует о нали-
чии автокаталитического процесса. Таким образом, предположе-
ние Кальвина [7—10] о возможности подобного процесса получило
теперь экспериментальное подтверждение.
При более внимательном изучении фиг. 5 и 6 можно обнаружить,
что общее количество порфинов, образующихся в процессе инку-
бации, бывает различным в зависимости от вида электромагнит-
ного излучения, использованного для предварительной обработки.
Скорость образования порфинов в растворе, предварительно облу-
ченном светом от вольфрамовой лампы, оказалась такой же, как
и в случае необлученных растворов. С другой стороны, при исполь-
зовании ультрафиолета для предварительного облучения скорость
образования порфинов при аналогичных условиях инкубирова-
ния была ниже. Сравнивались результаты для случая водных сус-
пензий исходных веществ, облучавшихся в присутствии кисло-
рода.
Многие исследователи придерживаются того мнения, что синтез
порфиринов является необходимой ступенью в процессе возник-
новения жизни. Однако вопрос о времени появления порфиринов
вызывает много споров. Гаффрон [16] и Кальвин [7—9] придер-
живаются того мнения, что порфирины уже играли активную роль
на самой ранней стадии существования псевдоживых органических
структур. Миллер и Юри [24], со своей стороны, полагают, что
порфирины могли образовываться в процессе эволюции первичных
организмов. Штругольд и Риттер [37] утверждают, что образова-
ние и эволюция хлорофилла определили накопление кислорода
в результате фотохимической диссоциации воды; образова-
ние же порфиринов типа гема, по их мнению, имело место только
1—1,5 млрд, лет спустя.
Хотя в настоящее время невозможно сказать с абсолютной досто-
верностью, на какой стадии химической эволюции возникли порфи-
ноподобные вещества, все же на основании имеющихся экспери-
ментальных данных можно сделать некоторые заключения. Можно
предположить, что на первой стадии химической эволюции, после
того как наступило насыщение среды простыми органическими
соединениями, возникли условия, сделавшие возможным дальней-
шее продолжение химической эволюции до более сложных веществ.
В результате фотолиза воды и возникновения слоя озона возник
«экран», полностью задерживавший коротковолновое ультрафиоле-
товое излучение. Остались только длинноволновое ультрафиолето-
Синтез порфиноподобных веществ в ходе химической эволюции 253
вое излучение и видимые лучи, обладающие более мягким дей-
ствием.
В то же время по мере превращения восстановительной атмо-
сферы в окислительную в процессе эволюции возникала необхо-
димость в синтезе порфиноподобных веществ. Поскольку коротко-
волновое ультрафиолетовое излучение как источник энергии теперь
исключалось, появление порфинов, и особенно их хелатных ком-
плексов с металлами, было существенно важно на этой стадии
именно потому, что они обеспечивали эффективное использование
излучения с менее высокой энергией. В настоящее время убеди-
тельно показана роль порфинов в таких химических превращениях,
как перенос водорода, или окисление.
Превращение восстановительной атмосферы в окислительную
сопровождалось образованием перекиси водорода вследствие фото-
лиза воды. Вступая в контакт с перекисью водорода, органиче-
ские вещества подвергаются интенсивному окислению. Для того
чтобы химическая эволюция могла продолжаться, необходимо
было создание механизма, обеспечивающего разрушение возникаю-
щей в большом количестве перекиси водорода. Как показал Каль-
вин [7], включение трехвалентного железа в молекулу типа гема
приводит к тысячекратному возрастанию каталитической актив-
ности железа в разрушении перекиси водорода. Ассоциация же
с некоторыми белками вызывает дополнительное увеличение ско-
рости этого процесса в 105 раз.
Приведенные данные свидетельствуют о том, что в процессе
превращения восстановительной атмосферы в окислительную воз-
никла насущная необходимость в образовании порфиноподобных
соединений.
ЛИТЕРАТУРА
1. A b е 1 s о n Р. Н., Science, 124, 935 (1956).
2. Akabori S., Origin Life Earth Rep. Intern. Symp. Moscow, 1957, pp.
189—196, 1959.
3. Bahadur K., Nature, 173, 1141 (1954).
4. Bahadur K., Strivastava R. R., Zn. Obshch. Klim., 31,
3017 (1961).
5. В a 1 1 R. H., Dorough G. D., Calvin M., J. Am. Chem. Soc.,
68, 2278 (1946).
6. Banks С. V., Bisque R. E., Anal. Chem., 29, 522 (1957)
7. C a
a
a
a
7. C
8. C
9. C
10. C
11. Dor
1
1
1
1
v i n
v i n
v i n
v i n
о u g
M., Science, 130, 1170 (1959).
M., Chem. Eng. News., 39, 96 (May 1961).
M., Perspectives Biol. Med., 5, 147 (1962).
M„ Perspectives Biol. Med., 5, 399 (1962).
h G. D., Miller J. R., Huennekens F. M., J. Am.
Chem. Soc., 73, 4315 (1951).
12. F о r b e s G. S., H e i d t L. J., J. Am. Chem. Soc., 56, 2363 (1934).
13. Fox S. W., Am. Scientist, 44, 347 (1956).
254
A. Шутка
14. Fox S. W., Science, 132, 200 (1960).
15. Fox S. W., Harada K.., Arch. Biochem. Biophys., 86, 281 (1960).
16. G a f f г о n H., Perspectives Biol Med., 3, 163 (I960).
17. Haldane J. B. S., Collection of Essays on the Origin of Life, Penguin
Books, London, 1954.
18. Hasselstrom T., Henry M. C., Science, 123, 1038 (1956).
19. H a s s e 1 s t г о m T., H e n г у M. С., M u r r B., Science, 125, 350
(1957).
20. M i 1 1 e r S. L., Science, 117, 528 (1953).
21. M i 1 1 e r S. L., J. Am. Chem. Soc., 77, 2351 (1955).
22. M i 1 1 e r S. L., Ann. N. Y. Acad. Sci., 69, 260 (1957).
23. M i 1 1 e r S. L., Biochim. Biophys. Acta, 23, 480 (1957).
24. M i 1 1 e r S. L., Urey H. C., Science, 130, 245 (1959).
25. Опарин A. И., The Origin of Life on the Earth (translated by A. Syn-
ge), 3rd ed., Academic Press, New York, 1957.
26. Опарин A. И., Life , Its Nature, Origin and Development (translated
by A. Synge), Academic Press, New York, 1962.
27. Or 6 J., Nature, 191, 1193 (1961).
28. О r 6 J., G u i d г у C. L., Arch. Biochem. Biophys., 93, 166 (1961).
29. Oro J., К a m a t S. S., Nature, 190, 442 (1961).
30. Palm A., Calvin M., J. Am. Chem. Soc., 84, 2115 (1962),
31. Paschke R.,Ch a ngR. W.H., Young D., Science, 125, 881 (1957).
32. Павловская T. E., П а с ы н с к и й А. Г., Возникновение жизни
на Земле. Труды Московского симпозиума, 1957 г., стр. 151—157, 1959.
33. Р г i е s t h о f f J. H., Banks С. V., J. Am. Chem. Soc., 76, 937 (1954).
34. R о themund P., J. Am. Chem. Soc., 58, 625 (1936).
35. Rothemund P., M e n о t t i A. M., J. Am. Chem. Soc., 70, 1808
(1948).
36. Sagan C., Radiation Res., 15, 174 (1961).
37. S t r u g h о 1 d H., Ritter C. L., Aerospace Med., 33, 275 (1962).
38. S z u t k a A., H a z e 1 J. F., M c N a b b W. M., Radiation Res., 10, 597
(1959).
39. S z u t k a A., Radiation Res., 19, 183 (1963).
40. Thomas D. W., Martell A. E., J. Am. Chem. Soc., 78, 1338 (1956).
41. T s u k a m о t о A., L i c h t i n N. N., J. Am. Chem. Soc., 82, 3798
(1960).
42. Tsukamoto A., Lichtin N. N., J. Am. Chem. Soc., 84, 1601 (1962).
43. U г e у H. C., The Planets. Yale Univ. Press, New Haven, Connecticut
(1952).
ОБСУЖДЕНИЕ доклада
Опарин, я хочу упомянуть о работе на довольно близкую
тему; эта работа выполнена А. А. Красновским и А. В. Умрихиной
в Институте биохимии им. А. Н. Баха. Они показали, что присут-
ствие кислорода облегчает синтез порфина из пиррола и формаль-
дегида. В то же время наблюдается ускорение указанного синтеза
в присутствии двуокиси кремния и тому подобных соединений.
Этот факт представляет определенный интерес в связи с воз-
можностью абиогенного образования порфинов.
Обнаружено, что порфин играет роль фотосенсибилизатора
в реакциях переноса водорода. Это наблюдается, например, в том
Синтез порфиноподобных веществ в ходе химической эволюции 255
случае, когда донором электронов служит закись железа, а акцеп-
тором — метиловый красный.
Шутка. Я очень благодарен за это сообщение. Я знаком
с некоторыми работами профессора Красновского, посвященными
порфинам и порфиноподобным веществам, но именно эта работа
мне неизвестна. Она подтверждает данные, полученные в моей
лаборатории.
Саган. Вполне правдоподобно, что только после превраще-
ния восстановительной атмосферы в окислительную имело место
биологическое использование порфинов и порфиринов. В это время
действительно прекратилось неограниченное образование органи-
ческих веществ при действии ультрафиолетового света и появилась
необходимость в возникновении механизмов, позволяющих исполь-
зовать другие виды энергии. Это был период серьезного кризиса
эволюции. Удивительно, что этот кризис вообще был преодолен
и живые существа все-таки смогли возникнуть. Однако, если при-
нять во внимание, что при существовании восстановительной атмо-
сферы порфины и порфирины уже выполняли другую функцию,
будет легче понять их быстрое использование после установления
окислительных условий. Возможно, они принимали участие в реак-
циях первичной фотореактивации, которые могли иметь место
на самых ранних этапах эволюции под действием ультрафиолето-
вого излучения, в больших количествах достигавшего поверхности
Земли. Несомненно, для осуществления реакции фотореактивации
необходимо было присутствие какого-либо акцептора фотонов
видимого света. Мой вопрос заключается в следующем. Известен ли
вам какой-либо защитный механизм против облучения у современ-
ных организмов, в котором бы использовались порфины и пор-
фирины в качестве акцепторов фотонов?
Шутка. Порфины имеют довольно широкий спектр погло-
щения; они поглощают и видимый свет. Как обнаружил проф. Крас-
новский, они являются фотосенсибилизаторами. Поэтому они
облегчают протекание определенных фотохимических реакций
в силу своей способности использовать как ультрафиолетовый, так
и видимый свет.
Саган. Понятно. Что играет роль акцептора фотонов ви-
димого света в процессе фотореактивации в современных усло-
виях?
Шутка. Не знаю. Это зависит от системы.
Мора. Играл ли видимый свет какую-либо роль на ранних
стадиях, когда ультрафиолетовое излучение еще проникало через
атмосферу?
Саган. Да, он также проходил через атмосферу.
Мора. Какова вероятность того, что порфирины могли функ-
ционировать в то время?
256
А. Шутка
Саган. Возможно, что происходило использование порфири-
нов. Было бы интересно выяснить, что играет роль акцепторов
в настоящее время.
Блуа. Может быть, следует изучить процесс фотореактивации
или обращения реакции димеризации под действием видимого
света. Димер обладает способностью поглощать свет.
Саган. Может ли димер поглощать видимый свет?
Блуа. Да.
Холдейн. Я не совсем понимаю вопрос д-ра Сагана. Мне
кажется, что проблема может быть сразу разрешена, если допус-
тить, что порфины осуществляли процесс фотосинтеза сквозь слой
озона.
Саган. Я имел в виду возможность абиогенного происхо-
ждения исходного свободного кислорода и озона.
Часть III
МАКРОМОЛЕКУЛЫ
РЕЧЬ ПРЕДСЕДАТЕЛЯ
А. МИРСКИЙ
Rockefeller Institute for Medical Research, New York City, New York
Теперь, когда мы уже выполнили половину нашей программы,
круг обсуждаемых вопросов заметно изменился. До сих пор мы
обсуждали, в каких условиях на Земле могла зародиться жизнь.
Теперь же мы приступаем к обсуждению первых примитивных
форм жизни. Я нахожу, что в этом вопросе положение исследова-
теля уже совершенно иное. Рассматривая условия, имевшие место
на нашей планете, удается прийти к очень правдоподобной кон-
цепции «первичного бульона». При обсуждении этой проблемы
нам, безусловно, необходимо иметь не только знания о живых
клетках, но также весьма обширные знания по органической химии.
Докладчики, выступавшие вчера и позавчера, подчеркивали, что
многие использованные ими разделы органической химии возникли
еще в XIX веке. Однако это ни в коей мере не умаляет значения
проделанных работ; напротив, я считаю доложенные исследова-
ния очень ценными. Дело в том, что к настоящему времени основные
проблемы органической химии изучены достаточно полно, и поэтому,
сталкиваясь с неизвестным нам явлением в этой области, мы все же
можем догадываться о его природе, ибо знаем предмет в целом.
Во второй половине нашей дискуссии, посвященной самым
ранним формам жизни, мы, естественно, должны исходить из наших
представлений о живых клетках. При этом, как видно из тех заме-
чаний, которые были сделаны в первый день работы симпозиума,
в формировании наших представлений о первичных формах живого
самые последние данные науки играют несравненно большую роль,
чем в вопросе об обстановке на Земле в ранний период ее истории.
Значительная часть того, что мы можем сказать о первичных
формах жизни, основана на исследованиях последних 5—10 лет,
а часто даже последних 1—2 лет. Легко себе представить, как
много удастся обнаружить через 5, 10, 20 лет и как необходимы
для развития наших представлений те сведения, которые добудет
следующее поколение.
Конечно, сказанное можно отнести к любой отрасли науки.
Но более всего это касается проблем, обсуждаемых сегодня, ибо
260 А. Мирский
то, чего мы не знаем, может здесь оказаться решающим. Вспомним,
например, что не так давно в рассуждениях о происхождении
жизни нуклеиновые кислоты даже не упоминались. Полагаю, что
в своем выступлении д-р Мора имел в виду именно эту недостаточ-
ность наших основных знаний о живых системах. Хотя он говорил
не только об этом, у меня создалось впечатление, что он хотел под-
черкнуть как чрезвычайную новизну большей части наших пред-
ставлений в этой области, так и то, что в настоящее время нам
известна лишь малая часть сведений, которые в будущем станут
достоянием науки.
СОВРЕМЕННЫЙ ЭТАП ЭВОЛЮЦИИ БИОСИНТЕЗА
И ПРЕДШЕСТВОВАВШЕЕ ЕМУ РАЗВИТИЕ
Ф. ЛИПМАН
The Rockefeller Institute, New York City, New York
Я участвую в настоящей дискуссии главным образом потому,
что у меня вызывает сомнение распространенный взгляд, будто
система передачи генетической информации была необходима
уже на заре жизни. Создается впечатление, что все исследования
концентрируются исключительно на попытках воспроизвести син-
тез нуклеотидов и аминокислот и из них — полинуклеотидов и поли-
пептидов; при этом в качестве исходных веществ для синтеза исполь-
зуют различные углеродные и азотистые соединения, а также доступ-
ные источники энергии (например, электрические разряды).
Я думаю, что увлечение полинуклеотидами и полипептидами связа-
но с представлением о том, что они были необходимы с самого заро-
ждения жизни. Так как меня не удовлетворяет такое начало прямо
с курицы, а не с яйца, я попытаюсь найти другие пути решения
проблемы. К сожалению, мой доклад, как всякое выступление
о происхождении жизни, будет в значительной мере умозрительным.
1. НЕОБХОДИМОСТЬ В ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ СВЕДЕНИЯХ
ОБ ЭВОЛЮЦИИ БАКТЕРИЙ
При попытке ретроспективного воспроизведения предшествую-
щего хода развития следует начинать с самых простых доступных
нам форм, а именно с микробов.
Эволюция микробов разработана очень слабо, главным образом
потому, что здесь нет ископаемых форм, т. е. нет основы для пос-
троения схемы развития. Нам известны только ныне живущие
микроорганизмы; ранее существовавшие формы недоступны для
исследования. Я нахожу, что лучшая схема эволюции микробов
предложена Клюйвером и ван Нилем [12] (фиг. 1). Она основана
на предположении о том, что самая примитивная форма— кокки —
предшествует более сложным формам, видимо произошедшим от
нее. У таких более сложных организмов уже есть органеллы и т. д.
Насколько я могу судить, кокки обладают достаточно совершен-
262
Ф. Липман
ным обменом веществ. Некоторые микробиологи вообще считают,
что обмен веществ микробов является более интересным объектом
изучения, чем обмен у высших организмов. Среди микроорганизмов
наблюдается колоссальное разнообразие, и у них встречаются
такие особенности обмена, которые полностью или частично утра-
чены организмами, стоящими на более высокой ступени эво-
люции.
Фиг. 1. Гипотетическая схема эволюции бактерий [12].
Только эволюция на уровне микробов дает нам возможность
заглянуть в глубь времен. На этой стадии уже возникло большин-
ство таких биологически активных веществ, как витамины, и поя-
вился механизм передачи информации от дезоксирибонуклеиновой
кислоты (ДНК) на рибонуклеиновую кислоту (РНК) и на белки.
Примитивные организмы на этой стадии эволюции приспособлены
к дальнейшему развитию, но еще не достигли какой-либо инди-
видуализации. Тот, кто наблюдал культуру микробов в фазе экспо-
ненциального роста, согласится, что микробы — еще не инди-
видуумы в буквальном смысле слова. В беспрерывном процессе
деления практически невозможно различить индивидуальности:
это цепь роста. Сказанное, однако, не имеет прямого отношения
к делу. У большинства микроорганизмов еще отсутствуют большие
внутриклеточные включения (они появляются только у более
высокоорганизованных форм); в частности, у многих низших форм
Современный этап эволюции биосинтеза
263
микроорганизмов нет митохондрий. Рибосомы, однако, присут-
ствуют обязательно и содержатся в микробных клетках в больших
количествах, поскольку рибосомы необходимы для синтеза белка
в процессе быстрого роста.
Я придерживаюсь мнения, что белки и полинуклеотиды пред-
ставляют собой позднейшие приобретения в ходе эволюции. Отвле-
чемся ненадолго, чтобы рассмотреть эволюцию наших представ-
лений о механизме процесса репликации. Мы смогли продвинуться
в этом вопросе так быстро только потому, что опирались на дан-
ные относительно образования энергии и использования ее в био-
синтезах, полученные при исследовании процессов промежуточ-
ного обмена веществ. По сравнению с обменом веществ в целом
механизм репликации сравнительно несложен; исключение состав-
ляет процесс биосинтеза белка, относительно простой энергетичес-
ки, но нуждающийся в комплексе приспособлений для образования
последовательности из 20 различных аминокислот. Химия про-
цессов обмена веществ, генерирующих энергию — это механизм
гораздо более сложный. Нам стоит обсудить его в первую очередь.
II. ДВА ПРИНЦИПА БИОСИНТЕЗА
Изучение обмена веществ позволяет выдвинуть два положения.
Во-первых, организм строит свое органическое вещество из разно-
образных исходных продуктов; он строит его хемосинтетически
из мелких единиц. Во-вторых, эти небольшие частицы соединяются
друг с другом при участии исключительно гибкого конденсирую-
щего агента — аденозинтрифосфата (АТФ). В экспериментальных
моделях химической эволюции в качестве источника углерода
обычно используют двуокись углерода и муравьиную кислоту,
образованную из СО2 + Н2; при их конденсации в восстановитель-
ных условиях образуются соединения большего молекулярного
веса, содержащие С — Н — О-группы; по-видимому, углеводы
были первыми продуктами конденсации. Двууглеродное соеди-
нение — ацетат — послужило предшественником жиров и липи-
дов. Затем различными путями в реакции включался аммиак, что
приводило к образованию аминокислот, а затем нуклеозидов,
нуклеотидов и еще более сложных соединений. Для образования
органических соединений необходима энергия. Как правило,
источником энергии конденсации, используемой главным образом
для межмолекулярного дегидратирования, служит фосфоангидрид-
ная связь такого типа, как в АТФ. Химический потенциал энергии
фосфатной связи используется абсолютно во всех биосинтезах,
а также в различных процессах жизнедеятельности, требующих
затраты энергии (поддержание градиента концентрации, сокра-
264
Ф. Липман
щение, проведение нервных импульсов и т. д.). В настоящее время
механизмы хемобиосинтеза хорошо известны, что очень существенно
для разбираемого вопроса, ибо первые стадии развития живого
представляли собой главным образом фазу хемобиосинтезов.
Рассмотрим теперь механизм образования фосфоангидридной
связи, необходимой для реакций конденсации. Известно, что эта
связь образуется по механизму с сопряжением энергии. При этом
Фиг. 2. Схема обратимого сопряжения, показывающая перекрещивание
процессов переноса электронов и образования богатого энергией фосфата
(заштрихованная часть обозначает промежуточный этап, механизм которого
неизвестен [7]).
сначала возникает окислительно-восстановительный потенциал.
Затем он превращается в групповой потенциал (этот термин я пред-
ложил для определения величины свободной энергии макроэрги-
ческой химической связи) (фиг. 2). В начальной стадии эволюции
обмена веществ акцептором водорода мог быть не кислород, а ион
трехвалентного железа, сульфат или азотистое соединение. Можно
представить себе механизм сопряжения, аналогичный тому, кото-
рый в более сложной форме функционирует в митохондриях. Суть
этого механизма в том, что энергия переноса электронов превра-
щается в энергию фосфатной связи.
Современный этап эволюции биосинтеза
265
III. НЕ ЯВЛЯЕТСЯ ли ХИМИЧЕСКОЕ СОПРЯЖЕНИЕ НАЧАЛОМ
ЖИЗНИ?
Я полагаю, что сопряжение, возникающее при взаимном пре-
вращении двух форм химической энергии, могло оказаться первым
решающим событием на пути возникновения жизни. Другой изве-
стный нам процесс образования энергии — фотосинтез — появился
позднее; об этом говорит тот факт, что у бактерий он появляется
на поздних стадиях эволюции. Остается рассмотреть вопрос о том,
каким образом неорганический пирофосфат, имевшийся, по всей
вероятности, в ранний период истории Земли, мог функциониро-
вать в качестве переносчика энергии и, таким образом, оказаться
предшественником нуклеозидтрифосфатов.
Как известно, Земля, подобно живым существам, представляет
собой термодинамически открытую систему вследствие постоянного
притока солнечной энергии. Круговорот энергии на Земле совер-
шенно независим от находящейся на ней жизни. Я думаю, что его
можно рассматривать либо параллельно процессам биологического
превращения энергии, либо как предшественника последних. Мое
внимание привлекла схема круговорота воды в природе (фиг. 3).
Солнечное тепло используется для испарения воды, главным обра-
зом морей и океанов; водяные пары поднимаются вверх, конден-
сируются в холодных верхних слоях атмосферы, и уже в виде
дождя вода попадает обратно в океан. Таким образом, тепло исполь-
зуется для механической работы поднятия воды путем испарения.
Использование энергии этого процесса для выработки электриче-
ства может служить примером сопряжения, т. е. замыкания
цикла превращения тепла в механическую работу. В скобках
заметим, что жизнь наземных существ зависит от круговорота
воды.
Сравним теперь этот неорганический цикл с биологическим
циклом превращения энергии, схематически представленным на
фиг. 4. Несколько лет назад [14] я ввел понятие метаболического
котла для обозначения системы преобразования энергии, достав-
ляемой извне, в форму, приемлемую для использования в клетке.
Это осуществляется путем трансформации окислительно-восстано-
вительного потенциала в фосфатный групповой потенциал, необхо-
димый для процессов биосинтеза. Сравнивая эту схему с фиг. 3,
легко заметить аналогию: описанный процесс подобен переходу
тепла в энергию гравитации в физическом цикле превращения
энергии. Итак, химические энергетические циклы возникли путем
превращения окислительно-восстановительного потенциала раз-
личных систем на Земле в энергию фосфатных связей, имеющую
исключительное значение для всех химических процессов конден-
сации. В простейшем случае, например, водород как донор элек-
266
Ф. Липман
Фиг. 3. Круговорот воды.
тронов мог бы реагировать с сульфатом; как известно, именно
таким путем происходит накопление энергии фосфатных связей
у некоторых микроорганизмов. Другая возможность заключается
в том, что водород или сероводород могли бы вступать в соедине-
ние с окисью железа.
Современный этап эволюции биосинтеза
267
Вполне возможно, что активация водорода, необходимая для
этого процесса, могла происходить под действием такого прими-
тивного катализатора, как недавно открытый ферредоксин [15].
Этот белок с низким молекулярным весом состоит из 50 аминокис-
лотных остатков и содержит всего около 2/3 из 20 видов амино-
кислот, присутствующих в обычных белках. В ферредоксине
Фиг. 4. Метаболический «котел» вырабатывает поток ~Р.
Адениловая кислота служит для проведения и распределения потока функционируя
как система электропроводов. Если присутствует креатинфосфат, то он играет роль акку-
мулятора Р [14].
имеется 7 молей железа, соединенных с эквимолекулярным коли-
чеством непрочно связанного H2S; по-видимому, через сероводород
железо соединяется с 7 молекулами цистеина, присутствующими
в белке. Каталитическая функция ферредоксина связана с перехо-
дом двухвалентного железа в трехвалентное. Для вопроса об эво-
люции катализаторов от простых к сложным очень существенны
такие свойства ферредоксина, как низкий молекулярный вес,
«дефицит» многих аминокислот, а также непрочная (через серо-
водород) связь ионов железа с белком. Ферредоксин можно рас-
сматривать как предшественника сложных гемопорфиринов, широ-
ко используемых в обмене веществ в ходе дальнейшей эволюции.
Отметим попутно, что Mg-содержащие порфирины — хлорофил-
лы — едва ли могли возникнуть на заре химической эволюции
хотя бы потому, что фотосинтез появился на относительно поздних
стадиях эволюции и ему предшествовал хемосинтез, высоко разви-
тый уже у анаэробных клостридий. Нельзя забывать о том, что
268
Ф. Липман
на начальных этапах эволюции обмен веществ был упрощенным.
В отличие от животного царства в мире микробов до сих пор пре-
обладает анаэробиоз. Многие микроорганизмы, обладающие высоко-
развитым обменом веществ, являются строгими анаэробами (напри-
мер, клостридии), и ряд из них не содержит гемопорфириновых
катализаторов.
IV. ПИРОФОСФАТ КАК ПЕРЕНОСЧИК ЭНЕРГИИ
Неорганический пирофосфат как простейший носитель фосфатной
группы был, по всей вероятности, первым соединением, участво-
вавшим в накоплении и переносе богатой энергией фосфатной связи.
Оксалоацетат + ФФН Фосфоенол пируват + СО2 Фн
Оксалоацетат + ГТФ д± Фосфоенолпируват + СО2 + ГДФ.
Фиг. 5. Участие пирофосфата в биосинтезе [17].
Многие микроорганизмы и некоторые более высокоорганизованные
формы содержат большие количества полифосфатов [И], часть
которых откладывается в виде нерастворимых метафосфатов. Кроме
того, видимо, имеются растворимые полифосфаты с короткой цепью,
более активные в процессах обмена веществ. Однако продемон-
стрировать их участие в метаболизме оказалось трудным.
Корнбергу и сотр. [13] удалось показать медленное включение
полифосфатов в АТФ. Они пришли к выводу, что фосфатный группо-
вой потенциал в полифосфатах ниже, чем в АТФ. Этот факт не
исключает той возможности, что полифосфаты могут быть простей-
шими переносчиками фосфата. С указанной точки зрения большой
интерес представляет реакция, открытая Вудом и сотр. [17]. Они
обнаружили, что неорганический фосфат играет роль акцептора
макроэргического фосфата фосфоенолпировиноградной кислоты
(ФЕП), причем перенос фосфата сопряжен с фиксацией СО2 (фиг. 5).
Обратная реакция состоит в освобождении СО2, сопровождающемся
отщеплением фосфатной группы от пирофосфата и образованием
фосфоенолпировиноградной кислоты. Для сравнения на фиг. 5
изображена аналогичная реакция более обычного типа с гуано-
зиндифосфатом (ГДФ) в качестве акцептора фосфата или, обратно,
гуанозинтрифосфатом (ГТФ) в качестве донора фосфата.
Реакция Вуда — это пример, показывающий, что неорганиче-
ский фосфат может акцептировать фосфорильный радикал с обра-
зованием пирофосфата; особенно важно то, что эта реакция обра-
тима, и, следовательно, пирофосфат может служить донором бога-
того энергией фосфатного остатка.
Современный этап эволюции биосинтеза 269
Аналогичная и не менее интересная реакция была недавно
описана Меддом и сотр. [16], исследовавшими механизм образова-
ния активного метионина. Они показали, что при взаимодействии
АТФ и метионина освобождается неорганический трифосфат; эта
реакция также обратима. Схема реакции приведена на фиг. 6.
Чрезвычайно любопытно, что в этой реакции трифосфат при-
соединяется к С(5)-атому рибозы аденозина, вытесняя метионин.
АТФ + Н2ОАденозин4-ФФФн, AF°—6,7±2 ккал,
АТФ~р L-Метионин 8-Аденозилметионин~|-ФФФн, AF°—0,6 + 3 ккал.
Фиг. 6. Участие трифосфата в биосинтезе [16].
Аналогичный механизм имеет место в реакции АТФ с витамином В12
при образовании кофермента Баркера [1 ]. В этом случае к С(5)-атому
рибозы аденозина присоединяется кобальт, замещающий трифосфат.
V. РАЗВИТИЕ МИКРОБОВ
Перед нами стоит трудная задача воссоздать переход от перво-
начального возникновения энергетического цикла к современным
полностью развитым микроорганизмам. Из рассмотрения более
поздних этапов эволюции нам известно, что всякое развитие идет
постепенно. Я хочу попытаться восстановить этапы эволюции
обмена веществ, начиная с самых первых стадий, связанных с раз-
витием некоторых предбиологических систем.
Труднее всего выполнить первую часть задачи, а именно обри-
совать ход развития, предшествовавший возникновению организма
как изолированного целого, или, точнее, возникновению орга-
низма как такового. С появлением живого организма начинается
эволюция его внутренних структур, происходившая, по-видимому,
медленно. Как уже упоминалось, наиболее примитивные микро-
организмы, окруженные оболочкой, из всего набора внутриклеточ-
ных структур содержат только рибосомы весьма примитивного
строения. На этой стадии они по преимуществу или даже исклю-
чительно анаэробы. Те, кто знаком с процессом фосфорилирования,
знают, что различают два типа фосфорилирования. Первый тип —
это фосфорилирование, сопряженное с брожением, появившееся,
вероятно, очень рано. На лабораторном жаргоне мы называем
его фосфорилированием в экстракте, поскольку оно не зависит
от сложных структур, связано с субстратом и является стехио-
метрическим процессом. Совершенно очевидно, что этот тип фос-
форилирования эволюционно предшествовал второму типу — окис-
лительному фосфорилированию, более распространенному в нас-
270
Ф. Липман
тоящее время и более эффективному, но более сложному процессу,
появившемуся при переходе от анаэробиоза к дыханию. В процессе
окислительного фосфорилирования при переносе каждой пары
атомов водорода от субстрата на кислород через систему перенос-
чиков образуются три или более фосфорильных групп. Процессы
брожения гораздо проще; тем не менее остается неразрешенной
проблема, поставленная еще Опариным, а именно проблема ката-
лизаторов. Катализаторы необходимы, и их следует искать среди
самых простых соединений, способных ускорять интересующие
нас реакции. Мы уже обсуждали участие неорганических соеди-
нений в катализе, например перенос водорода на сульфат или H2S
на Fe+++. В качестве простейшего катализатора можно вспомнить
и ферредоксин.
VI. ПОСТЕПЕННАЯ ЭВОЛЮЦИЯ ХЕМОСИНТЕЗА
Рассмотрим теперь процесс образования сложных углеродных
структур. В качестве первого приближения можно считать, что
первые углеродные соединения относились к углеводам. Гексозы
и пентозы, а также ацетат представляют собой субстраты и продукты
многих типов брожения. Весьма распространенные типы брожения
(например, маслянокислое брожение), в результате которых накап-
ливаются жирные кислоты, дают представление о том, как про-
исходил их синтез. На примере подобных процессов мы можем
изучать возникновение пути биосинтеза жиров из углеводов.
В табл. 1 схематически показана структура аминокислот, обра-
зование которых непосредственно связано с гликолитическим прев-
ращением углеводов. 20 аминокислот от начала до конца таблицы
расположены в порядке усложнения их структуры.
Следует отметить, что, хотя кетоглутаровая и щавелевоуксус-
ная кислоты обычно считаются промежуточными продуктами дыха-
тельного обмена, они, по-видимому, участвуют и в комплексе про-
цессов брожения. Очевидно, многие аминокислоты произошли
более или менее непосредственно из углеводов и жирных кислот
в результате конденсации и последующего присоединения аммиака
(главным образом путем переаминирования с участием а-кето-
кислот).
Основная цель сделанного мною фрагментарного описания —
показать, что сложные молекулы образовались из небольших струк-
турных единиц за счет немногих фундаментальных процессов —
основных путей биосинтеза,— выработавшихся в ходе эволюции
процесса брожения. Я не пытаюсь, однако, представить подобную
молекулярную эволюцию как последовательность доферментатив-
ных реакций, предшествовавшую домикробной фазе развития.
Современный этап эволюции биосинтеза
27!
Таблица 1
Образование аминокислот (современная стадия эволюции) *
Источник Аминокислота Предшественники, включающиеся в аминокислоту
Углеводы Глицин С-2
Аланин Серин Цистеин Сз! Сг + С,
Аспарагиновая кислота Аспарагин Треонин Метионин Сз + Ct
Фенилаланин Тирозин [(С4 + С3)—CJ + С3--С6-Сз
Углеводы Т-жир- Глутаминовая кислота (С4 + С2) —Cj = C5
ные кислоты Глутамин Пролин Аргинин
Лизин Предшественники сложного состава
Преимуществен- Валин
но жирные кислоты Изолейцин Лейцин
Сложный Триптофа н Те же фрагменты, которые-
Гистидин включаются в нуклеотиды
♦Подробности см. в статье Фрутона и Симмондса [5].
VII. БИОСИНТЕЗ ПУРИНОВ И ПИРИМИДИНОВ
Образно говоря, основную идею настоящего обзора можно
сформулировать так: химический потенциал в виде энергии фос-
фатных связей чрезвычайно удобен для возведения сложных хими-
ческих сооружений. Конечно, очень трудно применить этот тезис
в эволюционном аспекте, т. е. применительно к тем условиям,
когда еще не возникла система ферментов. Но задача состоит скорее
в том, чтобы подчеркнуть простоту структур, составляющих слож-
ные молекулы, а также единообразие процесса дегидратирования
с участием полифосфатов.
272
Ф. Липман
Как показано на фиг. 7 [3], пуриновое кольцо образуется из
небольших структурных единиц: аммиака, одноуглеродных пред-
шественников и глицина, единственного двууглеродного компо-
нента. Углевод рибоза служит тем фундаментом, на котором достраи-
вается вся циклическая структура. Я хотел бы обратить внимание
Рибозо-5-фосфат
4 NH3
2 НСООН
СО2
CH2-NH2-COOH
10 АТФ
Адениловая кислота (C10N5P)
Фиг. 7. Биосинтез пуринов.
главным образом на то, что все эти небольшие фрагменты соеди-
няются за счет энергии 10 макроэргических фосфатных связей
(— Р). В свете этого факта кажется странным, почему многие
считают солнечное излучение чуть ли не единственным источником
Аспарагиновая
кислота
Формиат -----*-
| О ,1 г Формиат
Y,. ,
f\SxCH,OPO,H1
, , i’ii < »СН
HCL?£C'э/
Гли-
цин
Н
Н
О
Глутамин Рибозо-5-
фосфат
Фиг. 8. Происхождение различных атомов пуринового нуклеотида [3].
энергии и не пытаются с самого начала подумать о химической
энергии, обеспечивающей процессы конденсации. Более подробная
схема разбираемого синтеза, идущего слева направо, представлена
на фиг. 8.
На фиг. 9 схематически представлен синтез пиримидинов [4],
протекающий отлично от синтеза пуринов. Его начало очень свое-
образно. В данном случае основой циклической структуры оказы-
вается аспарагиновая кислота, участвующая вообще во многих син-
тезах. К аминогруппе аспартата присоединяется карбамилфосфат
NHg
СО
OPOj-
Карбамил-
фосфат
zO
НОС'
"СНг
сн
и^Аоон
Н0х z>0
с<.
HN СН2
А ^сн
°" й соон
Карбамил-
аспартат
ОН
N* ХСНг
.(L Z-CH
но NCOOH
Ди гидрооротовая
кислота
Аспартат
ОН
5-ФРПФ
№* ^СН
I !1
С ООН
ОН
I
ЫС"СН
I II
^С^ ^СН
О' zN I
СООН
ф
Оротидиловая
кислота
00,
ОН
N>C^CH
I II
zC4 z-CH
0^ >
Ф'Е
Уридин-5- фосфат
Оротовая
кислота
Фиг. 9. Ферментативный синтез пиримидинов.
274
Ф. Липман
и затем в результате спонтанного замыкания шестичленного
цикла образуется оротовая кислота. Дальнейший ход образова-
ния уридиловой кислоты совершенно очевиден. Следует сказать
несколько слов о карбамилфосфате [9]. Бернал [2] рассматривал
его как соединение, игравшее роль первичного макроэргического
фосфата. Этот выбор очень привлекателен, так как, во-первых,
карбамилфосфат синтезируется спонтанно из цианата и неоргани-
ческого фосфата и, во-вторых, это единственное богатое энергией
соединение из используемых живыми организмами, которое спон-
танно образуется при низких температурах. И все же я не думаю,
что карбамилфосфат мог быть предшественником этого класса сое-
динений. Мне кажется, что для роли первичного переносчика энер-
гии скорее всего подходит неорганический полифосфат, содержа-
щий фосфоангидридную связь; высокая активность этой связи
в реакциях конденсации используется во всех процессах биосинтеза.
VIII. ЗАМЕЧАНИЯ ПО ПОВОДУ ЭВОЛЮЦИИ СИНТЕЗА
ПОЛИПЕПТИДОВ
В этом разделе я произвольно отбрасываю вопрос о катализа-
торах синтеза и сосредоточиваю внимание собственно на полипепти-
дах. Катализаторы, безусловно, необходимы, но сейчас мне не
хотелось бы останавливаться на этом.
Удивительная приспособленность структуры полипептидов для
катализа заставляет меня сказать несколько слов о возможных
первоначальных этапах их образования. Можно предположить,
что в простейшем случае синтез полипептидов со специфическим
чередованием аминокислот не требовал наличия матрицы и мог
происходить на структурах, напоминающих клеточные стенки.
Стромингер и его группа [8] показали, что в ходе ступенчатой
ферментативной реакции из смеси нескольких (до шести) амино-
кислот образуется полипептидная цепь с определенной последо-
вательностью аминокислотных остатков, причем конденсация идет
без матрицы. Это своего рода передача информации без участия
РНК- Следовательно, допустимо предположение, что примитивные
полипептиды могли образоваться без сложной системы передачи
информации. Вероятно, не случайно, что именно в клеточных
стенках имеет место процесс синтеза, иллюстрирующий, по-види-
мому, первоначальный способ образования белковоподобных
веществ. Коль скоро полипептиды образовались, они начинали
проявлять свои каталитические свойства, особенно в комплексе
с ионами металлов, как это можно видеть на примере ферредок-
сина.
Современный этап эволюции биосинтеза
275
IX. ЭВОЛЮЦИЯ СИСТЕМЫ ПЕРЕНОСА ИНФОРМАЦИИ
В настоящее время распространено мнение о том, что перенос
информации начался не с ДНК и что ДНК представляет собой
продукт дальнейшего развития. В основе этой точки зрения лежит
наблюдение, что в РНК-содержащих вирусах носителем информа-
ции является РНК; в самом деле, частота мутаций у РНК-содер-
жащих вирусов относительно высока, что было выгодным на ранних
стадиях развития, так как создавало большее разнообразие форм.
Таблица 2
Триплеты, составленные из адениловой и уридиловой
кислот, и соответствующие им аминокислоты *
Триплет Аминокислота Триплет Аминокислота
AAA I УАА 1
ААУ Г Лизин УАУ } Изолейцин
АУА Аспарагин УУА Лейцин
АУУ Тирозин УУУ Фенилаланин
* Всего возможно 2'1, т. е. 8 таких триплетов.
Пытаясь воссоздать предшествующий этап эволюции, можно
себе представить, что первоначально функционировали только два
основания, способных к образованию водородных связей,— аденин
и уридин. Из табл. 2 следует, что эта пара могла образовать 8 раз-
личных триплетов. Согласно данным Ниренберга и Очоа [6, 10],
из этих 8 комбинаций 6 кодируют по одной аминокислоте. При
образовании белков за счет одних только этих аминокислот воз-
можно большое разнообразие структуры из-за разнообразия их
боковых цепей. Так, за счет одних только сочетаний У и А воз-
никает возможность использовать две фенольные группы фенил-
аланина и тирозина, две гидрофобные боковые цепи лейцина и изо-
лейцина, основную боковую цепь лизина и структуру дикарбоновой
кислоты, представленную аспарагином. На этой основе вполне мог
возникнуть первичный белок, обладающий каталитической
функцией.
X. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Стимулом к созданию данного обзора послужило убеждение
автора в существовании непрерывности процесса эволюции. Я попы-
тался проследить, насколько это возможно, ход предбиологиче-
276
Ф. Липман
ского, в основном химического, развития вплоть до уровня микро-
организмов, откуда, по-видимому, начинаются все известные линии
биологической эволюции. В своем изложении я старался соблюдать
основной принцип эволюции — последовательный переход от про-
стого к сложному.
При попытке заглянуть в прошлое приходится делать пред-
положения, которые трудно или невозможно проверить. Вероятно,
недостающие звенья в цепи развития следует искать путем при-
стального изучения эволюционно древних этапов обмена веществ,
благодаря чему можно обнаружить уцелевшие атавистические
стороны обмена. В качестве основной предпосылки я предлагаю
считать, что одним из самых ранних событий в ходе эволюции
было сопряжение хемосинтеза с транспортом электронов, подобное
небиологическим процессам сопряжения энергии на Земле, напри-
мер круговороту воды в природе. В роли первичных переносчиков
энергии выступали скорее всего полифосфаты, что подтверждается
участием пирофосфата и трифосфата в обратимой реакции пере-
носа энергии. Что касается эволюции белков, то я придаю особое
значение такому примитивному по структуре железосодержащему
белку, служащему переносчиком водорода, как ферредоксин.
На более раннем этапе развития синтез пептидов происходил без
матрицы, подобно тому, что можно наблюдать при синтезе пепти-
дов в клеточной стенке. Пытаясь обрисовать эволюцию обмена
веществ в чрезвычайно отдаленном прошлом, я опирался в основном
на данные, полученные при изучении современных организмов.
ЛИТЕРАТУРА
1. В а г к е г Н. A., Federation Proc., 20, 956 (1961).
2. В е г n а 1 J. D., Origin Life Earth Rept. Intern. Symp., Moscow, p. 132,
1957.
3. Buchanan J.M., The Nucleic Acids (E. Chargraff and J. N. Davidson,
eds.), Vol. HI, p. 300. Academie Press, New York (1960).
4. Buchanan J. M., Hartman S.G.,H e r r m a n R.L.,D a yR. A.,
J. Cell. Comp. Physiol., 54, supp. 1, 139 (1959).
5. F r u t о n J.S..S i m m о n ds S., General Biochemistry, 2nd ed. Wiley,
New York, 1958.
6. G a r d n e r R. S., W a h b a A. J., Bas i I io С., M i 1 1 e r R. S.,
Lengyel P., Speyer J. F., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S., 48, 2087
(1962).
7. Hoch F. L., L i p m a n n F., Proc. Nat. Acad. Sci. U.S., 40, 909 (1954).
8. I t о E., S t г о m i n g e r J. L., J. Biol. Chem., 235, PC5 (1960).
9. J о n e s M. E., L i p m a n n F., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S., 46,
1194 (1960).
10. J о n e s O. W., Nirenberg M. W., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.,
48, 2115 (1962).
11. Juni E., Kamen M. D., Reiner J. M., Spiegelman 5.,
Arch. Biochem., 18, 387 (1948).
Современный этап эволюции биосинтеза
277
12. К 1 и у v е г A., van N i е 1 С. В., Zentr. Bakteriol., Abt. II, 94, 369
(1936).
13. Kornberg W., Kornberg S. R., Simms E. S., Biochim.
Biophys. Acta, 20, 215 (1956).
14. L i p m a n n F., Advan. Enzymol., 1, 99 (1941).
15. Lovenberg W., Buchanan B., Rabinowicz J. C., J.
Biol. Chem., 238, 3899 (1963).
16. M u d d S. H., M a n n J. D., J. Biol. Chem., 238, 2164 (1963).
17. S i u P. M. L.,Wood H. G., J. Biol. Chem., 237, 3044 (1962).
ОБСУЖДЕНИЕ ДОКЛАДА
Стейнбах. Я считаю, что сообщение д-ра Липмана чрез-
вычайно интересно и актуально. Вся предшествовавшая дискуссия
показала, что в предбиологическом мире могло происходить мно-
жество процессов и образоваться большое количество разно-
образных соединений, послуживших, собственно, предбиологиче-
ским материалом. Решающий переход к живому произошел только
с появлением определенной организованной системы, в которой
происходил перенос информации к какому-либо функционирую-
щему аппарату. Следует иметь в виду, что первые организованные
системы, возможно, представляли собой просто какую-то систему
поверхностей, слоев и т. п.; они послужили основой возникнове-
ния самого общего свойства живой клетки — перепада энергии
на поверхности раздела.
Может быть, правомерно представлять прототип живого орга-
низма как систему с градиентами энергии, вовлекающую разно-
образные соединения, которые образовались различными обсу-
ждавшимися здесь способами.
Липман. Я не вижу непосредственной связи между тем,
что я говорил, и градиентом энергии. В основу моей схемы было
положено превращение окислительно-восстановительного потен-
циала в групповой потенциал, потому что таким путем генери-
руется энергия, необходимая для образования сложных химиче-
ских соединений. Но получить необходимую для этого энергию
из того, о чем вы говорите, мне представляется трудным. Все совре-
менные живые организмы синтезируют соединения за счет собствен-
ной энергии, не получая ее извне (за исключением тех случаев,
когда она возникает за счет жизнедеятельности других организмов).
Стейнбах. Но что организует те разрозненные структурные
единицы, весь тот растворимый материал, о котором вы говорили?
Разве не должно было что-то собрать его в целое?
Липман. Это не обязательно. Первичный бульон имелся
повсюду, и именно он служил первичной средой.
Шрамм. Как я понял, гликолиз, . по-видимому, является
более примитивной формой образования энергии, чем окисление.
Было бы интересно изобразить схематически неферментативный.
278
Ф. Липман
процесс, напоминающий гликолиз и могущий быть его предшест-
венником. В восстановительной атмосфере присутствовали альде-
гиды — реакционноспособные соединения с большим запасом энер-
гии. Альдегиды могли образовываться в первичной атмосфере
путем взаимодействия гидроксильного и алкильного радикалов.
Модельная схема гликолиза, снабжающая энергией предбиологи-
ческие синтезы, могла бы включать реакцию, обратную альдольной
конденсации, и целый ряд окислительно-восстановительных реак-
ций или же превращение альдегидной группы в карбоксильную
и спиртовую в присутствии химического катализатора. В дальней-
шем эти процессы могли совершенствоваться за счет образования
белковых ферментов для каждого этапа процесса. Думаю, что пере-
нос энергии при этом осуществлялся уже при участии фосфорных
эфиров, подобных АТФ.
Липман. Я вполне допускаю подобную возможность. Водо-
род имелся повсюду.
Буханан. У меня два вопроса. Во-первых, с каким перио-
дом вы связываете развитие окислительных превращений? Счи-
таете ли вы, что к тому времени основной источник энергии —
ультрафиолетовый свет — уже не использовался?
Липман. Должен сознаться, что я недостаточно знаком
с представлениями о примитивной атмосфере Земли. Недавно
я имел случай усомниться, насколько обоснованны установившиеся
в этой области взгляды (см. F о w 1 е г et al., Am. J. Physics, 21, 393
(1961) о малой вероятности восстановительной атмосферы и боль-
шей вероятности окислительной атмосферы, из чего я заключаю,
что после образования Земли ультрафиолетовый свет не достигал
ее поверхности).
Буханан. Вы предполагаете, может быть, вполне справед-
ливо, что неорганический полифосфат был источником химиче-
ской энергии. Однако д-р Саган и д-р Поннамперума показали,
что в предбиологических условиях могли образовываться аденозин
и даже, вероятно, аденозинтрифосфат. Не думаете ли вы, что если
АТФ синтезировался в достаточном количестве, то именно он,
а не неорганический полифосфат был источником энергии в перво-
начальной среде?
Липман. С этим я совершенно не могу согласиться. Эволю-
ция, на мой взгляд, началась с более простого. Для дальнейшего
развития едва ли требовалось добавлять к этому нечто, так ска-
зать, предобразованное.
Буханан. А почему бы и нет?
Липман. Прежде всего потому, что разведенный в океане
АТФ оказался бы в бесконечно малой концентрации.
Буханан. Это верно, но будут ли ваши полифосфаты в этих
условиях содержаться в достаточно высокой концентрации?
Современный этап эволюции биосинтеза
279
Л и п м а н. Я не говорю, что жизнь возникла в океане. Высшие
организмы, животные, очевидно, действительно развились в воде,
но это не относится к микроорганизмам.
Саган. В ответ на вопрос д-ра Буханана я хотел бы при-
вести некоторые расчеты. По данным нашей лаборатории, кванто-
вый выход АТФ в фотохимической реакции (<р) составляет примерно
3-10"®. Учитывая величину потока ультрафиолетовых лучей (2400—
2900 А), достигавшего Земли в тот период, можно рассчитать, что
скорость образования АТФ достигала 5-Ю-12 г1см2-сек. Этого
количества достаточно для поддержания жизни популяции из
20 000 клеток Escherichia coli в столбе воды с поперечным сечением
1 см2, при условии что время генерации составляет 1 час и скорость
гибели равна скорости размножения [Ponnamperuma,
Sagan and Mariner, Nature, 199, 222 (1963)].
Этот подсчет представляет, конечно, отвлеченный интерес,
но все же он показывает, что в тот период небиологический синтез
АТФ мог быть достаточным для поддержания весьма значительной
популяции микроорганизмов.
У меня есть вопрос к д-ру Липману. Не скажете ли вы несколько
слов о том, чем определяется уникальная роль фосфора в процессе
биологического переноса энергии? Обусловлена ли она его физи-
ческими свойствами или представляет собой историческую случай-
ность? Не может ли какой-нибудь другой элемент, стоящий в той
же группе периодической системы, заменять фосфор в живых
структурах, присутствующих на других планетах?
Липман. На симпозиуме Джона Гопкинса [L i р m а п п,
1951, в «Phosphorus metabolism» (W. D. Me Elroy and B. Glass,
eds.). Vol. I, p. 521, Johns Hopkins Press, Baltimore, Mariland]
я сравнивал свободную энергию гидролиза (иными словами, энер-
гию связи ацетильного остатка) уксусного ангидрида со свободной
энергией гидролиза ацетилфосфата или АТФ. Оказалось, что
уксусный ангидрид, ацетилфосфат и фосфоангидрид имеют при-
близительно одинаковые энергии гидролиза, т. е. одинаковые термо-
динамические потенциалы. Однако устойчивость этих соединений
в разбавленных нейтральных растворах (т. е. в системе, в которой
существует жизнь) совершенно различна. Так, ацетилфосфат в этих
условиях довольно стабилен; еще более устойчива фосфоангидрид-
ная структура АТФ, но ацетангидрид разрушается в воде в течение
нескольких секунд, в лучшем случае — минут. Причина устойчи-
вости фосфорильных производных заключается, по-видимому, в том,
что богатая энергией связь защищена отрицательным зарядом
фосфорила, отталкивающим молекулы воды и ионы ОН. В ацетан-
гидриде, напротив, аналогичная связь оказывается незащищенной
и легко гидролизуется. Таким образом, преимущество АТФ состоит
в том, что связь Р — О — Р экранирована и ее энергия сохра-
280
Ф. Липман
няется до тех пор, пока не вступит в реакцию соответствующий
катализатор. Кроме того, создается впечатление, что стабильность
макроэргической связи возрастает, если фосфорильный радикал
присоединяется к органическому остатку.
Опарин. Я хотел бы спросить д-ра Липмана, насколько
правильно я понял, как он представляет себе этапы эволюции
системы переноса электронов. Митохондрии высших организмов —
это совершенные приспособления для получения энергии в виде
фосфорных производных. Но у аэробных бактерий, как справедливо
указал д-р Липман, митохондрии отсутствуют и перенос энергии
осуществляется в липопротеидной мембране. Это, на мой взгляд,
более простая стадия развития энергетического обмена, но еще
не самая примитивная. У анаэробных микроорганизмов энергети-
ческий обмен вообще не связан с какой бы то ни было структурой,
а идет просто в растворе.
Однако даже облигатные анаэробы иногда потребляют кисло-
род. Конечно, это не оказывает положительного эффекта, а, напро-
тив, приводит к гибели организмов. Такие анаэробы содержат
флавиновые ферменты, участвующие в процессе потребления
кислорода и проявляющие активность в хорошо отцентрифуги-
рованных растворах. Обычно эти ферменты переносят водород
на органический акцептор, например на пировиноградную кислоту.
Но они могут участвовать и в переносе водорода на кислород, что,
как указывалось, гибельно для жизнедеятельности анаэробных
микроорганизмов. Для того чтобы этот процесс не оказывал леталь-
ного действия, он должен быть включен в систему, связанную
с мембраной. Таким образом, здесь мы видим пример существова-
ния процесса, который мог бы функционировать, но не используется
из-за отсутствия цепи переноса электронов.
Липман. Замечание д-ра Опарина касается того, что я бы
назвал стадией примитивного анаэробного обмена, из которого,
как он указал, развивается более сложный дыхательный обмен.
Следовательно, дыхание не является необходимым, хотя оно и спо-
собствует более эффективному использованию пищи; но анаэробные
организмы могут расти так же хорошо, как и аэробные.
Г россенбахер. Есть ли непосредственная связь между
образованием простых белков и образованием мембран при воз-
никновении жизнедеятельных структур? Если это так, то тогда
можно предположить, что мембраны участвуют в развитии более
эффективных энергетических механизмов.
Липман. Ваше предположение совпадает с моим.
Гроссенбахер. Можно ли считать, что образование при-
митивных белков играет роль в возникновении первичных клеточ-
ных стенок?
Современный этап эволюции биосинтеза
28Г
Л и пма н. Я просто не знаю. Для меня это был пример белков
или специфических полипептидов, синтезирующихся без участия
матрицы. Вероятно, таким же образом могут синтезироваться
антибиотики полипептидной структуры, так как они связаны с кле-
точной стенкой. Насколько я могу судить, этот синтез представляет
собой наилучший пример образования полипептидной цепи без.
матрицы, т. е. без участия системы передачи информации.
Б у х а н а н. Не думаете ли вы, что образование таких поли-
пептидов происходит просто потому, что это химически вероятно?
Одна молекула реагирует с другой, присоединяя ее, и при этом
никакой информации в виде матрицы не требуется.
Мирский. На этот вопрос трудно ответить.
Липман. При примитивном переносе информации через-
последовательность специфических ферментов полипептиды, по-ви-
димому, образуются за счет энергии концевого фосфата АТФ. Такой
процесс вообще представляет собой примитивную стадию переноса,
энергии.
Шутка. Возникает вопрос, не может ли какая-нибудь иная
богатая энергией связь обеспечивать свободной энергией некоторые
процессы. Д-р Липман уже рассматривал такую возможность.
Но я хотел бы предложить (не знаю, есть ли исследования на эту
тему) в качестве другого источника богатой энергией связи поли-
ванадат, по некоторым свойствам сходный с полифосфатом. Я хотел
бы спросить, использовал ли кто-нибудь поливанадат вместо поли-
фосфата?
Липман. Я сомневаюсь в возможности замены фосфата
ванадатом. Неясно почему, но во всех известных нам случаях
замена элемента более тяжелым элементом той же группы ведет
к образованию соединения, чрезвычайно нестойкого в воде. Это
хорошо видно на примере арсената; он способен заменять фосфат
во многих ферментативных реакциях, но образующиеся при этом
соединения легко гидролизуются, что прерывает процесс и при-
водит к утечке энергии. Аналогичная закономерность была обна-
ружена Бандурским и сотр. [Wilson L. G., Bandurski R. S.,
J. Biol. Chem., 233, 975 (1958)1 для хромата, молибдата и воль-
фрамата, участвующих в ферментативных реакциях, в которых
происходит взаимодействие с сульфатом. Как и в предыдущем слу-
чае, хромат, молибдат и вольфрамат могут участвовать в реакциях
активации, но это приводит к лабилизации богатой энергией суль-
фатной связи и к потере энергии. Я не знаю, исследовался ли вана-
дат, но думаю, что и он образует с органическим остатком лабиль-
ное соединение.
Пир и. Основное препятствие к использованию ванадия состоит-
в том, что это редкий элемент, и любой организм, нуждающийся.
282
Ф. Липман
в нем в такой же мере, как в меди или цинке, оказался бы в очень
тяжелом положении.
Саган. Распространение мышьяка, молибдена и ванадия
в космосе гораздо ниже, чем фосфора. В то же время содержание
серы довольно высоко, и потому ее нельзя исключить из рассмот-
рения.
У меня вопрос к д-ру Липману по поводу его замечания о том,
что РНК могла эволюционно предшествовать ДНК и что ДНК
представляет собой дальнейшее усложнение. Насколько я понимаю
(может быть, я ошибаюсь), молекулярный кислород является ядом
для клеточных ядер; для защиты ядра от окисления молекуляр-
ным кислородом выработался сложный биохимический механизм.
Но в клетках аэробных организмов кислород имеет доступ не только
к митохондриям, но и к рибосомной и растворимой РНК- Если
это действительно так и если окажется, что ДНК чувствительнее
к кислороду, чем РНК, то скорее можно предположить, что именно
ДНК возникла в первичной восстановительной атмосфере, а РНК —
это результат дальнейшего усложнения. Какая нуклеиновая кис-
лота более устойчива в атмосфере кислорода?
Мирский. Я не знаю, откуда у вас такие представления
о ядре. Для активности ядер требуется АТФ. Ядро само вырабаты-
вает АТФ, а не получает его от митохондрий. Процесс образования
АТФ в ядре идет в присутствии кислорода. [О s a w a S., А 1 1 f-
геу V. G., Mirsky А. Е., J. Gen. Physiol., 40, 491 (1957);
А 1 1 f г е у V. G., М i г s к у А. Е., Proc. Natl. Acad. Sci. U. S.,
43, 589 (1957); там же, 44, 981 (1958); McEwen В., A 1 1 f-
r e у V. G., Mirsky A. E., J. Biol. Chem., 238, 758, 2571, 2579
(1963).]
Л и п м а н. Я также нахожусь в недоумении в связи с вопросом
д-ра Сагана. ДНК более стабильна, чем РНК- В рибозе РНК нали-
чие двух гидроксилов в положениях 2' и 3' создает вокруг фосфат-
ных мостиков неустойчивую структуру типа гликоля, и фосфат-
ная связь оказывается более уязвимой.
В дезоксирибозе гидроксил в положении 2' отсутствует и рядом
с фосфатным мостиком стоит СН2-группа вместо СНОН, что повы-
шает устойчивость молекулы. В этом состоит преимущество ДНК-
Она более стабильна. Я не знаю, где вы прочли про действие кисло-
рода.
Саган. В статье Стерна, опубликованной в журнале Science,
121, 144 (1955).
Мирский. Я знаю эту статью, но в том списке, который
я вам сейчас дал, содержатся самые последние и тщательно про-
веренные работы.
Б е р н а л. Я думаю, что доклад д-ра Липмана помог преодолеть
ряд трудностей, о которых говорил д-р Мора. У современных живых
Современный этап эволюции биосинтеза 283
организмов имеется очень сложная и эффективная система пере-
дачи информации, способная изменяться путем мутаций. Можно,
однако, предположить, что существовали иные системы, осущест-
влявшие перенос информации, и одним из звеньев таких систем
является предложенная д-ром Липманом гипотетическая РНК,
состоящая из двух нуклеотидов. Возникновение или использова-
ние ДНК могло быть поворотным пунктом лишь в том смысле,
что предотвращало дальнейшую эволюцию на данном уровне.
Соединение четырех и пяти нуклеотидов оказалось даже избыточ-
ным для осуществления функции, и поэтому отпала необходимость
во включении большего количества нуклеотидов. Следующий этап
эволюции должен был заключаться в формировании более слож-
ных структур из возникших структурных единиц, и, таким обра-
зом, он должен был привести к образованию из простой нуклеино-
вой кислоты сложных линейно расположенных генов. Точно так же
появление АТФ в качестве переносчика протонов, очевидно, бло-
кировало развитие путей, по которым могли возникнуть другие
возможные коферменты.
БЕСПОРЯДОЧНАЯ ПОЛИКОНДЕНСАЦИЯ САХАРОВ
П. МОРА
National Institutes of Health, Bethesda, Maryland
Цель моего доклада состоит в том, чтобы показать, насколько
полезно применение теории вероятностей для предсказания струк-
туры полисахаридов, получаемых путем поликонденсации некоторых
углеводов (альдоз) при повышенных температурах. Возникающие
полимеры имеют беспорядочную структуру, которая, однако,,
зависит от природы мономеров и от условий реакции. Механизм
реакции и структура образующегося полимера определяются сле-
дующими параметрами: функциональными группами мономеров,
их относительной реакционной способностью и энергией активации
(теплота) и катализаторами.
Начнем с одной из альдогексоз — с глюкозы. Ее самый реак-
ционноспособный гидроксил находится при первом атоме углерода.
Как было показано, мутаротация глюкозы осуществляется путем
согласованного механизма замещения [11] у СЦу при этом должны
присутствовать и кислота, и основание [5]. Реакция мутаротации
протекает с обязательным (временным) размыканием глюкопира-
нозного кольца (фиг. 1).
Возьмем какую-нибудь кислоту (например, фосфористую), спо-
собную выполнять двойственную роль в согласованном пуш-пуль-
ном механизме. Эта кислота имеет низкую константу диссоциации
для третьего атома водорода (4,8-10“13). Другие аналогичные
катализаторы (фосфорная и борная кислоты и др.) также способны
снижать энергию активации. Двухвалентный ион фосфористой
кислоты имеет более нуклеофильный характер по сравнению
с недиссоциированной молекулой, представляющей собой электро-
фильный реагент. В процессе мутаротации промежуточный ион
карбония у С(1) в разбавленном водном растворе реагирует пре-
имущественно с гидроксильной группой, находящейся у С(5).
Исходя из стерических соображений, мы можем считать, что эта
гидроксильная группа скорее всего находится рядом с гидроксиль-
ной группой, стоящей у СЦ).
При высокой концентрации мономеров, например в расплаве,
ион карбония может легко реагировать с любой гидроксильной
Беспорядочная поликонденсация сахаров
285
группой другой молекулы глюкозы. Первичный гидроксил при С(6>
более активен, чем вторичные гидроксилы при С(2>, С(3), С(4) и С(5>.
Последний (т. е. гидроксил при С(5)) может присутствовать в том
случае, когда ион карбония с открытой цепью при С(1) реагирует
всн.он
гн^о + н®
Фиг. 1. Мутаротация, гидролиз и поликонденсация глюкозы [7].
сначала с гидроксилом при С(4) той же самой молекулы с обра-
зованием глюкофуранозного кольца. Ион карбония при Qtj может,
конечно, взаимодействовать с С^-гидроксилом другой молекулы;
при этом образуется димер (трегалоза), не имеющий заместителя
при С(1), так что ион карбония не будет образовываться. Реакция
полимеризации, начавшись с этих структурных единиц, могла бы
на образовании такой связи и закончиться, если бы вследствие
286
П. Мора
обратимости реакций поликонденсации и гидролиза не происходил
разрыв некоторых Q — Q-связей, что вновь приводит к возник-
новению реакционноспособных молекул.
Если воду, выделяющуюся при конденсации, удалять под
вакуумом [7] или связывать при помощи таких реагентов, как,
например, пятиокись фосфора в эфире, то процесс конденсации
будет продолжаться. К концу равновесной реакции частота связей,
образующих полимерную структуру, зависит от относительных
активностей гидроксилов в заданных условиях поликонденсации.
АВ
х в
,aJL ав*-ав
и т.д.
*дВ
АВ. в
Фиг. 2. Объяснение отсутствия образования геля при конденсации поли-
функциональных углеводов.
Если мы имеем мономер типа АВу_|, то при условии, что образуются только А — В-связи,.
Pq = а (вероятность ветвления)
<f-l)₽B=₽A- РВ = тАГ= ЕЛ =
Pjj всегда < I; критическое значение (идет гелеобразование) сс — -—
Таким образом, система может приближаться к состоянию геля, но никогда не достигнет
его. В полимере имеется только одна свободная A-группа (отмечена звездочкой), а именно-
концевая восстанавливающая группа [3].
Поскольку относительная активность глюкозидного гидроксила
(А) при C(d гораздо выше, чем у всех остальных, то если энергия
активации достаточна для того, чтобы конденсация происходила
только по этому гидроксилу, он всегда будет участвовать в реак-
ции. Это означает, что кинетика поликонденсации мономера будет’
соответствовать кинетике для мономеров типа АВ/-1 [3], когда
неглюкозидные гидроксилы (В) не могут взаимодействовать между
собой. В этом случае образование нерастворимого геля невоз-
можно, так как вероятность ветвления приближается к критиче-
скому значению, соответствующему начальному образованию нео-
пределенных структур (фиг. 2), но никогда не достигает этого-
значения. Поскольку температура нашей реакции поликонденсации
лишь слегка превышает точку плавления сахаров, нерастворимый
гель здесь также не образуется. Но даже при небольшом повышении
температуры происходит образование нерастворимого геля, кото-
рый, однако, может быть количественно гидролизован до глю-
Беспорядочная поликонденсация сахаров
287
козы; последнее обстоятельство служит доказательством отсутствия
побочных реакций; ясно также, что в боковом ветвлении участвуют
при этом только В — В-связи. Другим доказательством того, что
разбираемая реакция следует кинетике для мономеров типа AB/_i,
служит присутствие только одной A-группы (глюкозидного гидро-
ксила) на всю молекулу полимера. Это подтверждается и совпа-
дением величин среднечислового молекулярного веса, определен-
ных по числу восстанавливающих концевых групп и с помощью
физических методов измерения осмотического давления [6]. Необхо-
димо иметь в виду, что при разрыве А — А-связи^в результате
----о-----сн,
но/с —
I I I
он ’ н
Фиг. 3. Перйодатное окисление мономера глюкозы.
В изображенной глюкопнранозной единице с 1 <- 6-связыо при расщеплении кольца-
(пунктирная линия) восстанавливаются 2 моль перйодата; при восстановлении третьего
моля перйодата образуется 1 моль муравьиной кислоты (углерод отмечен звездочкой).
обратной реакции количество доступных В-групп в двух получив-
шихся частях полимера должно увеличиваться с увеличением
молекулярного веса (вследствие того что мономеры связываются
с В-группой полимера через свои A-группы). Следовательно, вероят-
ность повторного образования А — A-связей ниже, чем вначале.
Это приводит к статистически незначительному количеству А — А-
связей. Так, в полимерах достаточно большого молекулярного
веса должна быть только одна A-группа на полимер. Это пред-
положение было подтверждено результатами определения моле-
кулярного веса с помощью двух различных методов (см. выше).
Относительные активности неглюкозидных гидроксилов при С(2п
С(3), С(4) (С(5)) и С(6) в реакции конденсации с С(1)-гидроксилом,
протекающей в кислой среде, были изучены Фрамом [4]. Он обна-
ружил, что при умеренных температурах первичный гидроксил
при С(6) почти в 3 раза активнее, чем остальные гидроксилы, харак-
теризующиеся примерно одинаковой реакционной способностью.
Частота отдельных связей в различных синтетических поли-
сахаридах, определенная с помощью метилирования, в целом отра-
жала указанное соотношение активностей [1, 2]. В нашей работе
мы могли предсказать большую часть структуры, которую затем
характеризовали методом перйодатного окисления полисахари-
дов [8]. При этом 1 моль перйодата используется на окисление
двух соседних гидроксилов; при наличии трех соседних гидрокси-
лов образуется 1 моль муравьиной кислоты (фиг. 3).
"288
П. Мора
При повышении температуры реакции поликонденсации необхо-
димая энергия активации понижается; уменьшается также разница
в реакционной способности гидроксила при Q6) и гидроксилов
при С(2), С(3) и С(4). При этом возникает большая вероятность
того, что все гидроксилы мономера смогут участвовать в реакции
и в образовании связей с полимером будет участвовать, помимо
С(6)-гидроксила, еще один или несколько других гидроксилов дан-
ного мономера. При этом количество использованного перйодата
или количество образовавшейся муравьиной кислоты окажется
ниже в полимерной фракции, полученной при более высокой тем-
пературе, а также в полимерах, синтезированных при данной тем-
пературе, но имеющих больший молекулярный вес (определение
путем фракционирования спиртом). Этот вывод также был под-
твержден экспериментально [8] (фиг. 4 и 5, табл. 1).
Таблица 1
Свойства фракций полиглюкозы *
Темпера- тура, °C Фракция мп [И] Количество НСООН **
155 11 16 200 0,03 0,674
V 8 250 0,01 0,721
175 II 32 800 0,03 0,622
V 20 000 0,01 0,647
* Окисление идет по схеме, изображенной на фнг. 4 .
Обозначения: мп — среднечисловой молекулярный вес; [T|J
дано в децилитрах на I г.
** Количество муравьиной кислоты, образовавшейся
за 120 час.
Как я уже упоминал, мономер глюкофураноза может образо-
вываться при внутримолекулярной реакции с участием С(4)-гидро-
ксила. Такие мономеры, имеющие свободные С(5)- и (^-гидро-
ксильные группы, способны образовывать формальдегид при перйо-
датном окислении (фиг. 6). Мы предполагали, что в полимере содер-
жится около 50% таких мономеров. И действительно, в результате
окисления образовалось ожидаемое количество формальдегида [9].
Данные, полученные при перйодатном окислении полимеров,
синтезированных из других альдоз 110], оказались в согласии
с основным принципом, установленным при изучении поликонден-
сации глюкозы; согласно этому принципу, частота различных
связей целиком зависит от числа, типа и относительной активности
Фиг. 4. Перйодатное окисление полимеров глюкозы.
Окисление проводили при 4° в темноте в течение различных отрезков времени. Черные
кружки — фракция V, температура 155°; белые кружки — фракция II, температура
155°; черные треугольники — фракция V, температура 175°; белые треугольники — фрак-
ция II, температура 175°. Потребление перйодата выражено числом молей IO4 на 1 еди-
ницу ангидроглюкозы; фракция II соответствует полимеру с большим молекулярным
весом.
Фиг. 5. Образование муравьиной кислоты из полиглюкоз при перйодатном
окислении.
Обозначения те же, что на фиг. 4. По оси ординат отложено количество образовавшейся
муравьиной кислоты в молях на 1 единицу ангндроглюкозы.
290
П. Мора
функциональных групп, а также от энергии активации (табл. 2).
Мы не обнаружили ни одного отступления от распределения раз-
личных связей по закону случая.
Таблица 2
Перйодатное окисление (при 4° в течение 72 час)
различных синтетических полисахаридов *
Потребление IO4 , моль Образование НСООН, моль
D-Глюкоза 1,22 0,45
D-Галактоза 1,34 0,37
D-Манноза 1,79 0,81
2-Дезоксиглюкоза 0,49 0,04
L-Арабииоза 0,69 0,13
D-Ксилоза 0,89 0,34
D-Рибоза 0,79 0,22
L-Рамноза 1,11 0,38
Мальтоза 1,12 0,40
* Обсуждение приведенных результатов см, в статье
Мора и др. [10]. Потребление IO4 и образование НСООН
выражено числом молей на 1 единицу ангидросахара.
Изложенный материал показывает, что процесс поликонден-
сации подчиняется вероятностным законам, согласно которым обра-
зованный продукт должен иметь произвольную структуру; это
Фиг. 6. Образование
формальдегида из глюкофуранозного остатка при
перйодатном окислении.
было подтверждено экспериментально. Конечно, мы сталкиваемся
здесь с усложненным типом случайного процесса, который зависит
от параметров, изменяющихся в различных условиях. Поликон-
денсация альдогексоз, идущая при нагревании и в присутствии
кислотного катализатора, не обнаруживает никаких отклонений
Беспорядочная поликонденсация сахаров
291
от случайного процесса, при условии что мы учитываем, какой
тип случайного процесса можно ожидать. Это служит иллюстра-
цией предложенного мною тезиса, а именно, что «упорядоченность»
процесса полимеризации определяется «содержащейся в нем инфор-
мацией».
ЛИТЕРАТУРА
1. D u t t о п G. G. S„ Unrau А. М., Сап. J. Chem., 40, 1196 (1962).
2. D u t t о n G. G. S., Unrau A. M., Can. J. Chem., 40, 1479 (1962).
3. F 1 о г у P. J., Principles of Polymer Chemistry, pp. 347—398, Cornell
University Press, Ithaca, New York, 1953.
4. Frahm H., Ann. Chem., 555, 187 (1944).
5. Lowry T. M., Smith G. F., J. Chem. Soc., p. 2539 (1927).
6. M о r a P. T., J. Polymer Sci., 23, 345 (1957).
7. M о г a P. T„ Wood J. W., J. Am. Chem. Soc., 80, 685 (1958).
8. M о r a P. T., Wood J. W., Maury P., Young B. G., J. Am. Chem.
Soc., 80, 693 (1958).
9. M о r a P. T., M e r 1 e r E., M a u г у P., J. Am. Chem. Soc., 81, 5440
(1959).
10. M о r a P. T., W о о d J. W., McFarland V. W., J. Am. Chem.
Soc., 82, 3418 (1960).
11. S w a i п C. G., Brown J. F., J. Am. Chem. Soc., 74, 2534 (1952).
ТЕРМИЧЕСКАЯ ПОЛИКОНДЕНСАЦИЯ СВОБОДНЫХ
АМИНОКИСЛОТ С ПОЛИФОСФОРНОЙ кислотой
к. ХАРАДА и С. ФОКС
Institute for Space Biosciences, The Florida State University,
Tallahassee, Florida
Вопрос о термической поликонденсации аминокислот, в резуль-
тате которой происходит образование протеиноидов (полимеров,
содержащих большую часть из 18 видов аминокислот, характер-
ных для белков), рассматривался в многочисленных работах,
в частности в работах Фокса и Харады [5], Фокса [2, 3], Хара-
ды [10], а также Фокса и сотр. [6, 7]. Для протекания этой реак-
ции необходимы присутствие достаточных количеств аспараги-
новой и глутаминовой кислот или лизина, температура выше точки
кипения воды и сравнительно сухая реакционная смесь. Реакцию
проводили в присутствии таких фосфорных соединений, как орто-
фосфорная кислота [5], аденозинтрифосфат (АТФ) [17], фосфат
кальция [16] и полифосфорная кислота [12]. В результате добав-
ления фосфатов температура конденсации понижалась до значе-
ний, которые в некоторых случаях оказывались ниже точки кипе-
ния воды.
Присутствие аминокислот на примитивной Земле нашло объяс-
нение в целом ряде синтезов, о которых сообщалось в печати.
Несомненно, в земной коре присутствовали фосфорные соединения;
в этой связи весьма интересно вспомнить, что обычный фосфат может
превратиться в полифосфат в вулканических зонах при темпера-
турах порядка 300° или ниже. Это столь же достоверно, как и пред-
положение о том, что примитивная атмосфера должна была состоять
из метана, аммиака и воды.
В настоящем сообщении приводятся результаты изучения син-
теза протеиноида при температуре 100°.
Мы обнаружили, что полифосфорная кислота обладает дей-
ствием, до некоторой степени сходным с действием ортофосфорной
кислоты; более того, полифосфорная кислота является более силь-
ным дегидрирующим агентом. В недавнем сообщении Кенарда [13]
приводятся данные об использовании полифосфорной кислоты
во многих органических реакциях. Галинский и сотр. [8] сообщают
о синтезе некоторых дикетопиперазинов из свободных аминокислот
при участии полифосфорной кислоты. Настоящее исследование
Термическая поликонденсация аминокислот с ПФК
293
показывает возможность получения полимеров при нагревании
смеси свободных аминокислот, содержащей достаточное количество
аспарагиновой кислоты, в присутствии полифосфорной кислоты
при температуре ниже 100°. В то же время для быстрой поликон-
денсации в отсутствие полифосфорной кислоты требуется темпе-
ратура около 170°.
Термическая поликонденсация идет при температуре 70—130°
(продолжительность опыта 50—250 час). В настоящей работе про-
водилось определение аминокислотного состава, N-концевых амино-
кислот и молекулярного веса продуктов реакции. Мы использо-
вали стандартную полифосфорную кислоту фирмы Victor Che-
mical Company или же полифосфорную кислоту, приготовленную
путем нагревания ортофосфорной кислоты при различных темпе-
ратурах [8].
I. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
В настоящей работе использовались в основном методы, опи-
санные ранее Веготским и сотр. [18], Харадой и Фоксом [11],
а также Фоксом и Харадой [4, 5]; разница заключалась в боль-
шей продолжительности опытов и в использовании более низких
температур.
А. ПОЛИФОСФОРНАЯ КИСЛОТА (ПФК)
ПФК получали путем нагревания 85%-ной ортофосфорной
кислоты в течение 2 час при температурах 200° (200 ПФК), 250°
(250 ПФК), 300° (300 ПФК) и 350° (350 ПФК) Основными компонента-
ми полученной термическим путем ПФК являлись ортофосфорная
и пирофосфорная кислоты, а также небольшое количество три-
фосфорной кислоты [14]. В то же время ПФК содержала какой-то
материал более высокого молекулярного веса. Примерный состав
этой кислоты при содержании 83% Р2О5 следующий х:
Ортофосфорная кислота 5,7%
Пирофосфорная кислота 21,4%
Трифосфорная кислота 18,0%
Тетрафосфорная кислота 13,4%
Пентафосфорная кислота И,4%
Гексафосфорная кислота 9,6%
Гептафосфорная кислота 7,1%
Октафосфорная кислота 6,9%
Нонафосфорная кислота —
Более высокополимерная фосфорная
кислота 6,5%
Итого 100%
х Взято из бюллетеня Victor Chemical Company.
294
К. Харада и С. Фокс
Б. ПОЛИКОНДЕНСАЦИЯ С 200 ПФК
2 мл 85 %-ной ортофосфор ной кислоты нагревали в открытой
пробирке на масляной бане при 200° в течение 2 час в атмосфере
азота. Летучие вещества удалялись вместе с образующимся
водяным паром. К полученной термическим способом ПФК
добавляли смеси аминокислот (0,02 моль) *. Смесь нагревали в
атмосфере азота (1 атм) при 70, 100 и 120° в течение 100 час на
воздушной бане при постоянной температуре. При растворении
реакционной смеси получался прозрачный раствор желтого или
янтарного цвета. После охлаждения добавляли 15 мл воды, что
приводило к выпадению зернистого осадка. Затем смесь подвергали
диализу в течение 100 час. Полученные результаты представлены
в табл. 1.
В. ПОЛИКОНДЕНСАЦИЯ В ПРИСУТСТВИИ ФИРМЕННОЙ ПФК
К смеси аминокислот (0,02 моль) добавляли 3 мл ПФК фирмы
Victor Chemical Company и нагревали при 100° в течение 100 час
при давлении азота 1 атм на воздушной бане при постоянной темпе-
ратуре. С самого начала нагревания производили перемешивание
стеклянной палочкой. Через 100 час реакционная смесь приобретала
желто-коричневый оттенок. После охлаждения раствора к нему
добавляли 20 мл воды; диализ вели в течение 100 час.
Для приготовления полимеров использовали несколько видов
полифосфорных кислот (см. выше). Аминокислотный состав опре-
деляли колориметрически с использованием хроматографии на ко-
лонках [11]. N-Концевые аминокислоты и молекулярный вес
определяли динитрофторбензольным методом [11]. Содержание
фосфатов определяли по методу Фиске — Суббароу [1].
II. ИЗЛОЖЕНИЕ И ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Результаты, представленные в табл. 1, показывают влияние
добавления 200 ПФК на процесс поликонденсации аминокислот,
взятых в шести различных сочетаниях (при температурах 70, 100
и 120°). Во всех случаях при более высокой температуре наблю-
дался больший выход продукта реакции. Наибольший выход
давала аспарагиновая кислота, а при сочетаниях аспарагиновой
1 Для реакции поликонденсации брали аспарагиновую кислоту, смесь
аспарагиновой кислоты с глицином (1 : 1), аспарагиновой кислоты с алани-
ном (1 : 1), аспарагиновой кислоты с валином (1 : 1), аспарагиновой кислоты
с глутаминовой (1 : 1) и аспарагиновой кислоты с лизином- НС1. В этих опытах
использовали DL.-аспарагиновую кислоту, DL-аланин, DL-валин, L-глута-
мииовую кислоту и моногидрохлорид L-лизина.
Таблица 1
Выходы и аминокислотный состав полимеров, образующихся при различных температурах
в присутствии 200 ПФК *
Состав полимера При 70° При 100° При 120°
количество после диа- лиза, г аминокислотный состав, % количество после диа- лиза, г аминокислотный состав, % количество после диа- лиза, г аминокислотный состав, %
аспара- гиновая кислота вторая амино- кислота аспарагино- вая кислота вторая аминокисло- та аспара- гиновая кислота вторая амино- кислота
Асп 0,55 — — 0,99(0,37) — —• 1,84 — —
Асп-Гли 0,04 86 14 0,13(0,12) 83 (83) 17(17) 0,67 77 23
Асп-Ала 0,25 82 18 0,30 (0,12) 81 (82) 19(18) 0,82 80 20
Асп-Вал 0,24 86 14 0,34(0,12) 88 (87) 12(13) 0,69 87 13
Асп-Глу 0,08 90 10 0,18 90 (86) 10(14) 0,35 — —
Асп-Лиз 0,09 85 15 0,14 89 0,16 — —
♦ 0,02 моль смеси аминокислот (при соотношении 1:1) нагревали с 200 ПФК в течение 100 час. В скобках приведены данные
для полимеров, образующихся при нагревании 2 мл 85%-ноЙ ортофосфорной кислоты и эквимолярной смеси аминокислот согласно
вышеописанной методике.
296
К- Харада и С. Фокс
и глутаминовой кислот, а также аспарагиновой кислоты и лизи-
на выход был наименьшим.
В скобках приведены данные о выходе и аминокислотном
составе полимеров, полученных в присутствии ортофосфорной
кислоты. При 100° в присутствии ортофосфорной кислоты выход
Фиг. 1. Выход полимера в присутствии различных полифосфорных кислот
в течение 100 час при температуре 100°.
1 — полиаспарагиновая кислота (0,02 моль аспарагиновой кислоты); 2 — сополимер
(аспарагиновая кислота, валин); 3 — сополимер (аспарагиновая и глутаминовая кисло
ты); 4 — сополимер (аспарагиновая кислота, аланин); 5 — сополимер (аспарагиновая
кислота, глицин); 6 — сополимер (аспарагиновая кислота, лизин). Молярные отноше
ния составляют 1:1. а — N-фосфориламинопроизводное; б — смешанный ангидрид;
в — производное азлактонового типа.
полимера меньше, чем при 70° в присутствии 200 ПФК- Для ами-
нокислотного состава полимера характерно то, что основным его
компонентом является аспарагиновая кислота. Содержание вто-
рой по количеству аминокислоты колеблется в пределах от 10
до 23%.
На фиг. 1 приведены выходы продуктов полимеризации, полу-
чаемые при добавлении различных типов ПФК- Как показали
Термическая поликонденсация аминокислот с ПФК.
297
Охаси и Сугатани [14], ПФК, образующаяся при высоких темпе-
ратурах, содержит вещество большего молекулярного веса, чем
ПФК, получаемая при более низких температурах. Наибольший
выход реакции наблюдается в случае поликонденсации с исполь-
зованием фирменной ПФК- Далее в порядке уменьшения выхода
идут 350 ПФК, 300 ПФК, 250 ПФК и 200 ПФК. По-видимому,
Продолжительность нагревания, час
Фиг. 2. Влияние продолжительности опыта на количество образующегося
полимера.
/ — полиаспарагиновая кислота (0,02 моль аспарагиновой кислоты); 2 — полнмер’(аспа-
рагиновая кислота н аланин); 3 — полимер (аспарагиновая и глутаминовая кислоты).
Молярные отношения составляют 1 : 1.
более активным агентом в процессе термической поликонденсации
аминокислот является ПФК более высокого молекулярного веса
(т. е. приготовленная при более высокой температуре).
На фиг. 2 показано, как изменяется количество полимера,
образующегося в процессе поликонденсации аминокислот в при-
сутствии ПФК фирмы Victor Chemical Company при температуре
90°, в зависимости от продолжительности опыта. Можно видеть,
что больший выход наблюдается при более длительном нагрева-
нии (до 3—4 дней). При продолжительности опыта свыше 3—
4 дней количество образующегося полимера остается относительно
постоянным. Мы обнаружили также, что наибольший выход наблю-
дается в случае аспарагиновой кислоты; через 3 дня выход ока-
зывался почти количественным.
В табл. 2 приведены результаты анализа полимеров, образую-
щихся при добавлении 300 ПФК- Аминокислотный анализ показал,
298
К- Харада и С. Фокс
Таблица 2
Характеристика полимеров, образующихся в присутствии 300 ПФК
при температуре 100° в течение 100 час*
Состав полимера Аминокислотный состав, % Молеку- лярный вес N-Концевые груп- пы, % Н3РО4. %
аспараги- новая кислота вторая амино- кислота аспара- гиновая кислота вторая амино- кислота
Асп — 15 000 — — 0,30
Асп-Гли 85 15 6 200 71 29 0,34
Асп-Ала 83 17 9 200 74 26 0,35
Асп-Вал 81 19 5 800 66 34 0,28
Асп-Глу 91 9 15 000 46 54 0,50
Асп-Лиз-НС! 86 14 — 74 26 0,47
* Общее количество аминокислот составляет 0,02
моль при соотношении их
: 1.
что основным компонентом полимера является аспарагино-
вая кислота; содержание второй по количеству аминокислоты
составляет 10—20%. Молекулярный вес указанных полимеров
относительно высок, особенно в случае гомополимера аспарагино-
вой кислоты и сополимера Асп-Глу (порядка 15 000). Проводи-
лось также определение N-концевых аминокислот. Количество
аспарагиновой кислоты, занимающей в этих полимерах N-концевое
положение, снижается. Так, например, количество глутаминовой
кислоты на N-конце сополимера Асп-Глу достигает 54%, тогда
как общее ее содержание в полимере составляет всего 9%. Содер-
жание фосфата (Н3РО4) составляет 0,3—0,5%. Эта величина такого
же порядка, как и в случае фосфопротеида казеина.
В табл. 3 представлены результаты анализа полимеров, обра-
зующихся при 100° в течение 100 час при добавлении ПФК фирмы
Victor Chemical Company. Оказалось, что по аминокислотному
составу образующиеся полимеры почти аналогичны приведенным
в табл. 2. Основным их компонентом является аспарагиновая
кислота, а содержание второй по количеству аминокислоты состав-
ляет 10—20%. Для образуемых соединений также отмечен высо-
кий молекулярный вес, особенно в случае гомополимера аспара-
гиновой кислоты (13 000) и сополимера Асп-Глу (14 000). Содер-
жание N-концевых аминокислот также сходно с тем, которое при-
ведено в табл. 2. Количество аспарагиновой кислоты в N-концевом
положении гораздо ниже содержания этой аминокислоты в цепи
Таблица 3
Характеристика полимеров, образующихся в присутствии ПФК фирмы
Victor Chemical Company
(при температуре 100° в течение 100 час*)
Состав полимера Аминокислотный состав, % Молеку- лярный вес N-Концевые груп- пы, % Н3РО4. %
аспара- гиновая кислота вторая амино- кислота аспара- гиновая кислота вторая амино- кислота
Асп — 12 700 — — 0,30
Асп-Гли 84 16 6 100 55 45 0,47
Асп-Ала 82 18 9 000 63 37 0,32
Асп-Вал 86 14 6 100 59 41 0,33
Асп-Г лу 89 И 13 800 34 66 0,41
Асп-Лиз-НС1 86 14 — 85 15 0,33
* Общее количество аминокислот составляет 0,02 моль при соотношении их 1:1.
Таблица 4
Аминокислотный состав протеиноида,
образующегося в присутствии 200 ПФК *
Аминокис- Содержание, Аминокис- Содержание,
лота % лота %
Тре 0,55 ч Лиз 2,79
Сер 0,63 Гис 2,53 7,15
Про 1,04 Apr 1,83
Гли 2,93
Ала 1,31
Вал Мет 1,33 0,86 27,6 Асп Глу 51,9 ) 13,3 J 65,2
Илей 0,71
Лей 3,44
Тир 3,87
Фен 5,87
NH3 5,02
♦ Аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота и ос-
новные и нейтральные аминокислоты взяты в соотношении
2:1:3; температура 100°; нагревание в течение 150 час.
300
К. Харада и С. Фокс
полимера. Это особенно хорошо выражено в случае сополимера
Глу-Асп. Содержание фосфата (Н3РО4) равно 0,3—0,4%.
Глутаминовая и аспарагиновая кислоты вступают в реакцию
совместной поликонденсации с 14 нейтральными и основными ами-
нокислотами в присутствии ПФК при температуре 100° в тече-
ние 100—150 час. Анализ аминокислот протеиноида, проведенный
по методу Штейна и Мура, показал (табл. 4), что содержание в нем
аспарагиновой кислоты составляет 51%, содержание глутамино-
вой кислоты—13%, содержание основных аминокислот—7%
и нейтральных аминокислот—24%. Эти соотношения аминокис-
лот в протеиноиде близки к соответствующим величинам в белке
с той разницей, что в случае синтетических полимеров содержа-
ние аспарагиновой кислоты оказывается более высоким. Проте-
иноид, полученный при низких температурах, по своим свойствам
напоминает полимер, синтезированный при более высоких темпера-
турах в отсутствие ПФК-
ПФК играет роль растворителя и дегидрирующего агента,
а также, возможно, и кислотного катализатора в реакции поли-
конденсации. Хотя механизм этого процесса неизвестен, вполне
возможно, что в ходе реакции происходит образование N-фос-
фориламинопроизводных (см. фиг. 1, а) или смешанных ангидри-
дов кислот (см. фиг. 1, б).
Свободная энергия, образующаяся при фосфоролизе ПФК,
может использоваться в процессе эндотермической конденсации
свободных аминокислот. ПФК, образующаяся при нагревании
ортофосфорной кислоты, состоит только из линейной полифосфор-
ной кислоты, как в случае АТФ. Синтетическая ПФК не содер-
жит циклических продуктов [14].
В процессе поликонденсации происходила рацемизация L-
аспарагиновой кислоты. Аспарагиновую кислоту выделяли из гид-
ролизата гомополимера, полученного из L-аспарагиновой кис-
лоты. Оказалось, что выделенная аминокислота не обладает опти-
ческой активностью. Такая утрата оптической активности в резуль-
тате поликонденсации, возможно, обусловлена образованием проме-
жуточных продуктов азлактонового типа (см. фиг. 1, в), которые
затем могут переходить в енольную форму [15].
Серная кислота также является хорошим растворителем ами-
нокислот и пептидов и может действовать как кислотный ката-
лизатор и сильный дегидрирующий агент. Однако при использова-
нии серной кислоты образования полимеров аминокислот в усло-
виях, описанных для ПФК, не происходит. Подобное различие
интересно с точки зрения представления о важном значении поли-
фосфата в процессе биологического синтеза белков.
Галинский и сотр. [8] получали дикетопиперазин при исполь-
зовании ПФК- Однако в наших опытах диализованные продукты
Термическая поликонденсация аминокислот с ПФК
301
не содержали дикетопиперазина. После полного растворения поли-
меров при комнатной температуре в 5%-ном растворе бикарбо-
ната натрия не оставалось нерастворимого осадка дикетопипера-
зина. Возможно, что образовавшийся в ходе реакции дикетопи-
перазии удалялся во время первого диализа.
При изучении инфракрасных спектров полученных полимеров
было показано присутствие интенсивных полос поглощения при
1720 и 1780 см'1, что свидетельствует о наличии остатков ангидро-
аспартила. Кроме того, обнаружены полосы поглощения при
1630 см"1 (амид I) и 1530 слг1 (амид II), что указывает на наличие
пептидных связей.
ЛИТЕРАТУРА
1. Fiske С. Н., Sub ba Row Y., J. Biol. Chem., 66, 375 (1925).
2. F о x S. W., Science, 132, 200 (1960).
3. F о x S. W., Symp. Protein Nutrition Metabolism p 141. In «Symposium
on Protein Nutrition and Metabolism» (J. Kastelic, H. H. Draper, and
H.P. Broquist, eds.), Special Publication Я» 4 p. 141, University of Illi-
nois College of Agriculture, Urbana, 1963.
4. F о x S. W., Harada K., Science, 128, 3333 (1958).
5. F о x S. W., Harada K., J. Am. Chem. Soc., 82, 3745 (1960).
6. F о x S. W., Harada K., Rohlfing D. L., in «Polyamino Acids, Poly-
peptides, and Proteins» (M. A. Stahmann, ed.), p. 47, Univ, of Wisconsin
Press, Madison, Wisconsin.
7. F о x S. W., Harada K., Woods K. R., W i n d s о r C. R., Arch.
Biochem. Biophys., 102, 439 (1963).
8. G a 1 i n s k у A. M., Gearien J. E., S m i s s m a п E. E., J. Am.
Pharm. Assoc., 46, 391 (1957).
9. Harada K-, Bull. Chem. Soc. Japan, 82, 1008 (1959).
10. Harada K., Protein, Nucleic Acid, Enzyme (Tokyo), 6, 65 (1961).
11. Harada K., Fox S. W., J. Am. Chem. Soc., 80, 2694 (1958).
12. Harada K-, F о x S. W., Abstr. 137th Meeting Am. Chem. Soc., Cle-
veland, Ohio p. 28c.
13. К e n a r d К. C., Org. Chem. Bull., 29, No. 1 (1957).
14. О h a s h i S., S u g a t a n i H., Bull. Chem. Soc. Japan, 30, 864 (1957).
15. Schramm G., W i s s m a n H., Chem. Ber., 91, 1073 (1958).
16. Vegotsky A., Ph. D. dissertation, Florida State University, Talla-
hassee, Florida, 1960.
17. Vegotsky A., Fox S. W., Federation Proc., 18, 343 (1959).
18. Vegotsky A., Harada K., F о x S. W., J. Am. Chem. Soc., 80,
3361 (1958).
ОБСУЖДЕНИЕ ДОКЛАДА
Буханан. Проводились ли опыты с целью показать, что ско-
рость какой-либо ферментативной реакции выше в случае про-
теиноида, чем в случае неполимеризованных аминокислот?
Р о л ф и н г. Проводилось детальное изучение реакции уско-
рения гидролиза n-нитрофенилацетата, причем в этой системе
302
К- Харада и С. Фокс
было изучено около 100 протеиноидов. Все они оказались гораздо
более активными (иногда в 15 раз активнее) по сравнению с экви-
валентным количеством гистидина или гидролизатом полимера.
Нагревание забуференного раствора (pH 6,8) вызывало почти пол-
ную инактивацию указанных веществ.
Фокс. Инактивация сопровождалась разрывом имидной свя-
зи. Для достижения максимальной активности полимеров необхо-
димо наличие в них двух характерных структур — имидной и ги-
стидиновой, имеющих вполне определенное расположение.
Р о л ф и н г. Мы также изучали простые по составу сополи-
меры гистидина и аспарагиновой кислоты, которые оказались
активнее гистидина. Они были менее активны, чем большинство
протеиноидов, и инактивировались при нагревании. Эти данные
свидетельствуют о том, что увеличение каталитической активности
как этих полимеров, так и протеиноидов обусловлено присутствием
остатков ангидроаспартила и гистидина.
Фокс. Мне хотелось бы сделать одно замечание относительно
«беспорядочности» структуры протеиноидов.
В ходе многих дискуссий я встречался с предвзятым мнением,
согласно которому в результате такого, по-видимому, жесткого
воздействия, каким является нагревание смеси аминокислот, не мо-
жет возникнуть упорядоченная структура. Однако при этом не учи-
тывают, что аминокислоты весьма сильно различаются по своей
конфигурации, распределению электрического заряда и т. д.
Поэтому нельзя ожидать, что их распределение в цепи будет одно-
родным. В этой связи становится яснее обнаруженное в настоящем
исследовании несоответствие между общим содержанием амино-
кислот и содержанием N-концевых аминокислот. Эти данные вполне
согласуются с понятием о неслучайности, «избирательности» свя-
зей, если заимствовать выражение, которое д-р Мора употребил
в другом контексте.
СИНТЕЗ НУКЛЕОЗИДОВ И ПОЛИНУКЛЕОТИДОВ
С ПОМОЩЬЮ МЕТАФОСФОРНЫХ ЭФИРОВ
Г. ШРАММ
Max-Plank-Institut fur Virusforschung, Tubingen, Germany
Если мы хотим проблему происхождения жизни поставить
на научную основу, то следует полагаться только на эксперимен-
тальные данные и избегать априорных суждений. Но какого рода
должен быть эксперимент? Один из способов решения проблемы —
анализ существующих живых организмов с целью выяснения про-
цессов, лежащих в основе жизни. Это очень трудная задача, и раз-
личные исследователи могут прийти к неодинаковым выводам.
Поэтому необходимо сочетать такой аналитический метод с син-
тетическим. Учитывая, каковы были условия на Земле и, может
быть, также и на других планетах в раннюю геологическую эпоху,
следует попытаться создать модель, функционирующую в соот-
ветствии с принципами, обнаруженными при аналитическом иссле-
довании. Путем тщательных измерений нужно затем изучить,
может ли такая экспериментальная модель называться «предбио-
логической» или даже «биологической».
Никогда не удастся окончательно доказать, что такого рода
модельная система является единственно возможной. Однако пере-
ход от мира физического к миру живых существ настолько неве-
роятно сложен, что осуществление хотя бы одной ступени этого
перехода сыграло бы величайшую роль в развитии человеческого
мышления.
I. БИОЛОГИЧЕСКОЕ РАЗМНОЖЕНИЕ
Современные представления о живых системах уже нашли отра-
жение в предыдущих докладах. Я хотел бы только упомянуть
несколько положений, которые настолько очевидны, что их легко
упустить из виду.
На мой взгляд, основным свойством живого можно считать
способность размножаться. Свойства родителей должны воспро-
изводиться в потомстве; при этом необходимо, чтобы достаточная
гибкость процесса воспроизведения обеспечивала возможность мута-
ций, а следовательно и эволюции. Эволюция представляет собой
304
Г. Шрамм
очень сложный и пока еще не вполне понятный процесс. Изуче-
ние его позволяет выяснить пути возникновения столь бесконечно
мало вероятного явления, как жизнь.
Вот некоторые цифры, показывающие малую степень вероят-
ности биологической структуры. Рибонуклеиновая кислота (РНК)
вируса табачной мозаики (ВТМ) содержит 6000 нуклеотидов.
Вероятность образования специфической молекулы РНК путем
случайной комбинации четырех нуклеотидов составляет 1 /46000 =
= 1О-2000. Поскольку масса Вселенной принимается равной
массе 10®* протонов, то практически за 109 лет (т. е. за время суще-
ствования мира) получить рибонуклеиновую кислоту невозможно,
даже если бы весь мир состоял из реагирующей смеси нуклео-
тидов.
Совсем другая ситуация возникает в популяции размножаю-
щихся молекул или организмов. Если один из членов популяции
претерпевает какое-либо изменение, вероятность которого мала,
но которое ведет к.более высокой скорости воспроизведения, то
такая форма выживает и в конце концов вся популяция заме-
щается быстроразмножающимися формами. В большом количестве
этих более приспособленных систем какое-либо другое изменение
может обусловить еще более высокую скорость размножения. 1 моль
вещества содержит 6-1023 молекул в объеме, не превышающем
нескольких литров. В такой популяции размножающихся моле-
кул вероятность мутаций составляет уже Ю-20, так что за какой-то
период произойдет замена всей медленно размножающейся попу-
ляции. Если этот период не очень велик, то 100 замен такого рода
приведут к возникновению структуры, вероятность которой
по сравнению с исходной составит 1О“2000.
Таким образом, модель предбиологической системы обяза-
тельно должна обладать способностью к самовоспроизведению
и эволюции. Иными словами, мы должны описать систему, кото-
рая не только содержала бы информацию для самовоспроизведе-
ния, но и могла бы перенести ее на другую систему, где информа-
ция хранилась бы, изменялась и где производился бы отбор наибо-
лее благоприятных признаков.
Человеческое воображение слишком бедно, чтобы представить
себе такой сложный процесс, но, к счастью, изучение нуклеиновых
кислот в живых организмах подсказывает нам, как это может
происходить. Молекулы нуклеиновых кислот содержат генетиче-
скую информацию и могут передавать ее от одного поколения
к другому. В клетках перенос информации связан с системой обмена
веществ, обеспечивающей этот процесс энергией и пластическим
материалом. Вирусы можно рассматривать как единицы пере-
носа информации, лишенные обмена веществ. По-видимому, легче
создать модель вирусной частицы, другими словами, модель
Синтез нуклеозидов и полинуклеотидов с помощью МФЭ
305
системы, способной к самовоспроизведению за счет энергии окру-
жающей среды.
Информация для образования вируса хранится в ДНК (или
РНК). Воспроизведение генетического материала осуществляется
посредством матричного механизма, в котором матрица, состоя-
щая из нуклеотидов, контролирует образование комплементарной
цепочки нуклеотидов; новая цепочка в свою очередь служит матри-
цей для цепочки исходного строения. Простейшим условием для
биологического размножения является наличие матрицы, спо-
собной направлять сборку нуклеотидов. Далее, необходим еще
механизм разделения двух матриц, чтобы они могли начать вновь
процесс воспроизведения. Но способна ли такая система функ-
ционировать без ферментов? Для того чтобы ответить на этот воп-
рос, следует прежде обсудить возможность неферментативного
образования нуклеотидов из углеводов, азотистых оснований
и фосфата и конденсации этих нуклеотидов в длинные цепи поли-
нуклеотидов.
II. ОБРАЗОВАНИЕ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ
Биосинтез полинуклеотидов и многих других биологически
важных макромолекул основан на серии реакций конденсации,
осуществляющихся путем отрыва ОН-группы от одной молекулы
и атома Н —-от другой. В общем виде такие процессы изобра-
жены в табл. 1.
Конденсация
©OR -е-:NH
©OR -с— :SH
©OR — :СН
Таблица 7
Продукт
Полигликозид; R = С
Полинуклеотид; R = Р
Аминоацил-РНК —»-
Полипептиды
Нуклеозиды
Ацетил-КоА —^Жирные
кислоты
Полиизопрен
Ъ=Изопентенил
-фосфат, троарат или эфир пиросрата
306
Г. Шрамм
Гидроксильная группа одного компонента, таким образом,
замещается фосфатом, пирофосфатом или пирофосфорным эфиром;
при этом вокруг центрального атома понижается электронная
плотность, что создает возможность нуклеофильной атаки. Затем
активирующая группа отщепляется вместе с протоном атакующей
молекулы. Первое фосфорилирование осуществляется производ-
ными полифосфата, главным образом аденозинтрифосфатом. Акти-
вирующая группа не должна иметь отрицательного заряда вблизи
центрального атома, иначе она будет отталкивать электроны.
В клетках отрицательный заряд фосфорильной или пирофосфориль
ной групп, вероятно, нейтрализуется конденсирующими ферментами.
В нашей лаборатории было обнаружено, что многие биологи-
ческие процессы конденсации могут быть воспроизведены при
использовании обычного метафосфорного эфира (МФЭ). С помо-
щью этого соединения нам удалось синтезировать полипептиды
из пептидов и аминокислот [10], полигликозиды из простых саха-
ров, нуклеозиды из сахаров и оснований и, наконец, получить
полинуклеотиды из нуклеотидов [11].
Процесс образования нуклеиновых кислот из углеводов и гете-
роциклических оснований идет в три этапа: 1) конденсация саха-
ров и оснований с образованием нуклеозидов; 2) присоединение
к нуклеозидам фосфорной кислоты и образование нуклеотидов;
3) полимеризация нуклеотидов и возникновение длинноцепочеч-
ных структур. Все три этапа синтеза можно осуществить с помо-
щью МФЭ.
Таким образом, как уже сказано, в присутствии углеводов
(особенно пентоз), пуринов, пиримидинов и МФЭ могут образовы-
ваться нуклеиновые кислоты. Оро [6] показал, что в раннюю
эпоху истории Земли исходные вещества, необходимые для син-
теза нуклеиновых кислот, видимо, уже имелись. Пентозы избира-
тельно образуются из формальдегида в присутствии гидроокисей
щелочноземельных металлов [4, 7]. Дезоксирибозу легко получить
из триоз и ацетальдегида [6].
При температуре выше 300° ортофосфаты нестабильны. Следо-
вательно, когда Земля остыла, большие запасы конденсированных
фосфатов, видимо, могли существовать в областях, лишенных воды.
Эти полифосфаты могли этерифицироваться, реагируя с органиче-
скими соединениями. В присутствии метафосфорных эфиров вполне
возможно одновременное образование полипептидов, полиглико-
зидов и полинуклеотидов. Гексозы дают относительно стабильные
полимеры, тогда как полимеры рибозы нестабильны из-за наличия
фуранозидной структуры. Однако рибоза очень легко реагирует
с пуринами с образованием нуклеозидов. Нуклеозиды превра-
щаются в нуклеотиды при нагревании их с метафосфорными эфи-
рами (реакция идет в одну стадию). Наконец, полинуклеотиды
Синтез нуклеозидов и полинуклеотидов с помощью МФЭ
307
могут вступать во многие реакции с образовавшимися одновре-
менно полигликозидами и полипептидами. Таким образом, создают-
ся благоприятные условия для возникновения сложных систем.
Свободная от воды область, необходимая для реакций конденса-
ции, может иметь место внутри коацерватов, как было предло-
жено Опариным [5], или в каких-либо иных структурах, имею-
щих водонепроницаемую мембрану.
III. СИНТЕЗ НУКЛЕОЗИДОВ С ПОМОЩЬЮ МЕТАФОСФОРНЫX
ЭФИРОВ
В течение последних лет мы занимались тщательным изучением
реакций конденсации, идущих с участием метафосфорных эфиров.
Метафосфорные эфиры легко получить при взаимодействии Р4О10
с диэтиловым эфиром. В результате разрыва двух связей Р — О —
— Р образуется смесь тетраметафосфата и изотетраметафосфата,
структура которых уже была описана Ретцем и Тило [9] и под-
тверждена недавно Полменом и Шраммом [8] и Вейллом [12].
Полмен и Шрамм показали, что приготовление метафосфорного
эфира следует проводить в мягких условиях; в противном случае
происходит превращение циклической структуры в гораздо менее
активную линейную структуру. Необходимо также удалять
из реакционной смеси полифосфаты и другие соединения, содер-
жащие гидроксильную группу.
Реакцию МФЭ с различными веществами, содержащими NH-
и ОН-группы, легко проследить путем титрования неводного
раствора. Опыты с углеводами показали, что наиболее высокой
реакционной способностью обладает ацетальный гидроксил при
Qi). Следующими по реакционной способности оказались первичные
гидроксилы у С(5> в пентозах и у С<в) в гексозах. Вторичные гидро-
ксильные группы если и реагируют, то очень медленно. Таким
образом, возможна довольно специфическая активация сахаров,
позволяющая осуществить реакции различного типа. В резуль-
тате взаимодействия активированных остатков рибозы образуется
полирибозид при условии удаления остатков фосфорного эфира.
Добавление избытка пуринов предотвращает такую поликонден-
сацию сахаров. NH-группа более реакционноспособна, чем гидро-
ксильная. При изучении реакции конденсации рибозы и дезокси-
рибозы с аденином (фиг. 1) [3] было обнаружено, что аденин реа-
гирует с двумя молями МФЭ (вероятно, по С<0) и по аминогруппе
при С(6)). Активированный азот вступает во взаимодействие с акти-
вированной гидроксильной группой рибозы, видимо, по типу
согласованной реакции. Ход процесса конденсации зависит от
концентрации протонов (фиг. 2). При кажущемся pH около 7
308
Г. Шрамм
Рибоза
Фиг. 1. Синтез аденозина.
Аденозин
в растворе диметилформамида реакция идет очень медленно, но зна-
чительно ускоряется при pH 1,5. Кинетика реакции сложна, посколь-
ку по истечении некоторого периода она идет в обратном направ-
лении. Обратную реакцию можно затормозить добавлением буфера.
Фиг. 2. Влияние концентрации протонов на синтез аденозина из рибозы
и аденина в присутствии метафосфорных эфиров (МФЭ).
Указанные значения pH соответствуют кажущемуся pH в диметилформамиде. Выход
реакции выражен в процентах рибозы, включившейся в аденозин. / — pH J ,5; //—pH 5,5;
///-pH 7,5.
Из рибозы и аденина был получен только природный |3-глико-
зидный аденозин. Это всецело определяется влиянием гидроксиль-
ной группы при С(2). Использование дезоксирибозы, в которой этот
гидроксил отсутствует, приводит к образованию а- и |3-нуклео-
зидов. То же самое наблюдал и Карбон [1]. Вероятно, свободная
Синтез нуклеозидов и полинуклеотидов с помощью МФЭ 309
аминогруппа приС(б> тоже реагирует с углеводами, но образующееся
шиффово основание гидролизуется при выделении продуктов реак-
ции и поэтому нет необходимости защищать эту аминогруппу.
Несмотря на относительно невысокий выход продукта (в нуклео-
зиды включается 20—40% углеводов), данный метод имеет преиму-
щества перед другими, обычно применяемыми методами, исполь-
зующими замещенные сахара и замещенные основания.
IV. СИНТЕЗ ПОЛИНУКЛЕОТИДОВ с помощью
МЕТАФОСФОРНЫХ ЭФИРОВ
В отсутствие растворителя и при наличии избытка МФЭ проис-
ходит фосфорилирование и конденсация нуклеозидов. Результаты
получаются более четкими, если в качестве исходного материала
использовать нуклеотиды. Путем титрования неводных растворов
было показано, что с МФЭ реагируют фосфатная группа нуклеоти-
дов в положении 2' или 3' и свободная гидроксильная группа
в 5'-положении. В процессе конденсации нуклеотидов оба активи-
рующих остатка отщепляются. Реакция конденсации меньше зави-
сит от концентрации протонов в среде, чем процесс образования
нуклеозидов. Она идет также в присутствии третичных оснований.
Последнее очень важно, так как некоторые нуклеотиды (дезокси-
адениловая или дезоксигуаниловая кислоты) неустойчивы в кис-
лой среде.
Для того чтобы получить полинуклеотиды большого молеку-
лярного веса, нужно поддерживать максимально высокую кон-
центрацию нуклеотидов; поэтому следует избегать разбавления
реакционной смеси растворителем. С другой стороны, по крайней
мере до конца реакции должна сохраняться гомогенность среды.
Добавление небольших количеств трыс-диметиламида фосфорной
кислоты — ОР[Ы(СН3)2]з—уменьшает вязкость МФЭ и обеспе-
чивает растворение нуклеотидов; другие растворители в боль-
шинстве случаев подавляют процесс. Иногда бывает трудно раство-
рить нуклеотиды непосредственно в МФЭ. В таких случаях мы
высушивали замораживанием нуклеотиды в высоком вакууме
(лиофилизация). Образующийся рыхлый осадок легко растворяется
в МФЭ. В некоторых опытах для получения гомогенного раствора
производили обработку ультразвуком при интенсивном охлаж-
дении.
Структурный анализ полинуклеотидов, синтезированных с помо-
щью МФЭ, еще не завершен. Полученный продукт представляет
собой смесь компонентов различного молекулярного веса. Низко-
молекулярные олигонуклеотиды разделяли методом хроматогра-
фии на колонках из сефадекса или ДЭАЭ-целлюлозы. В некоторых
310
Г. Шрамм
опытах небольшие молекулы и гидролизованный МФЭ удаляли
путем диализа, а оставшиеся высокомолекулярные полинуклео-
тиды характеризовали по скорости диффузии и седиментации.
Недиализуемая фракция составляла около 10% исходного мате-
риала. Она содержала полимеры с константами седиментации от
1,4 до 2,4 S, что соответствует молекулярному весу около 10 000.
Оказалось возможным выделить фракции с большим молеку-
лярным весом.
В природных полинуклеотидах фосфатные группы образуют
связь между углеродами в 3'- и 5'-положепии. При полимеризации
Фиг. 3. Фракционирование синтетической поли-У иа сефадексе G 25 до
и после обработки диэстеразой змеиного яда.
дезоксирибонуклеотидов вместо такой обычной связи образуется
пирофосфатная связь. В настоящее время неизвестно, можно ли
избежать этой нежелательной реакции.
Продажные препараты рибонуклеотидов содержат в основном
смесь 2'- и З'-нуклеозидфосфатов. Свободные гидроксилы, стоящие
рядом с фосфатной группой, расщепляют пирофосфатную связь,
образуя 2', З'-фосфаты. Поэтому в синтетической полиуридило-
вой кислоте не обнаруживается пирофосфатных связей. Но, с дру-
гой стороны, свободные гидроксильные группы могут способство-
вать образованию нежелательных 2',2'- и 3',3'-фосфатных связей
и оказаться местами ветвления. В полимере, полученном из 2'(3')-
уридиловой кислоты, количество фосфатных связей в 5'-положе-
нии можно определить с помощью фосфодиэстеразы змеиного яда,
специфичной для фосфатной группы в 5'-положении. На фиг. 3
Синтез нуклеозидов и полинуклеотидов с помощью МФЭ
311
показаны результаты фракционирования полиуридиловой кислоты
(поли-У) на сефадексе G25 до и после обработки змеиным ядом.
Ясно видно, что имеется значительное количество связей, устой-
чивых к действию змеиного яда и, следовательно, локализованных
не в 5'-положении.
Относительное количество фосфатных групп в З'-положении
можно оценить при помощи рибонуклеазы, расщепляющей только
те полинуклеотиды, в которых в 2'-положении стоит свободная
•ОН-группа, а фосфатный мостик находится в З'-положении. Из про-
дажного препарата 3'(2')-уридиловой кислоты был получен поли-
мер, расщепляющийся под действием рибонуклеазы лишь в незна-
чительной степени. Лучшие результаты были достигнуты при
использовании полимеров, синтезированных из очищенной З'-ури-
диловой кислоты. Устойчивость нуклеотидов к действию рибонуклеа-
азы может быть обусловлена либо тем, что фосфатная группа мигри-
рует из положения 3' в положение 2', либо тем, что замещается
свободный гидроксил в 2'-положении. Для выяснения этого вопро-
са нужны дополнительные опыты.
Кочетков и сотр. [2] провели недавно изучение полимериза-
ции нуклеотидов, осуществленной с помощью МФЭ. В их опытах
приближенный молекулярный вес полинуклеотидов был порядка
10 000 (точных измерений не проводилось). На основании резуль-
татов ферментативного и щелочного гидролиза авторы пришли
к выводу, что большая часть связей в природных полинуклеотидах
•отличается от связей в синтетических соединениях. Эти данные
противоречат результатам, полученным в нашей лаборатории.
Одной из причин расхождения может быть то обстоятельство, что
исходный материал, использованный советскими авторами, содер-
жал значительные примеси 2'-нуклеотидов, устойчивых к дей-
ствию рибонуклеазы.
Маттеи (личное сообщение) сравнивал кодирующую активность
•синтезированного нами поли-У с препаратом поли-У, полученным
с помощью фосфорилазы. Включение фенилаланина определяли
в бесклеточной системе Escherichia coli. Поскольку низкомолеку-
лярные полинуклеотиды неактивны и даже обладают ингибирую-
щим действием на процесс, было произведено фракционирование
препаратов. Фракции синтетического и ферментативного препара-
тов поли-У одинакового молекулярного веса обладали приблизи-
тельно одинаковой кодирующей активностью. Следовательно, син-
тетический поли-У, по-видимому, довольно близок по структуре
к природному продукту. Дальнейшие исследования должны пока-
зать, можно ли повысить специфичность процесса полимери
зации.
Итак, описанные опыты продемонстрировали возможность син-
теза полинуклеотидов из углеводов и гетероциклических оснований
312
Г. Шрамм
в присутствии МФЭ. В процессе синтеза образуются продукты
различного молекулярного веса и структуры. Нуклеотиды в поли-
нуклеотидной цепи распределяются случайным образом, не обра-
зуя определенной последовательности.
Теперь мы переходим к вопросу о том, каким образом из такой
смеси нуклеотидов могла возникнуть система, способная к само-
воспроизведению. Как уже говорилось, самовоспроизведение начи-
нается тогда, когда один полинуклеотид используется как матрица
для образования комплементарного полинуклеотида, который
в свою очередь катализирует образование полинуклеотида перво-
начального строения. В связи с этим мы исследовали, не может ли
полинуклеотид функционировать в качестве матрицы в нефермен-
тативной системе.
Как показали наши опыты, добавление поли-У не влияет на по-
лимеризацию уридиловой кислоты; при добавлении же комплемен-
тарной полиадениловой кислоты (поли-А) скорость реакции поли-
меризации увеличивается в 10 раз. К тому времени, когда 20—30?4
уридиловой кислоты оказывается полимеризовано, реакция замед-
ляется. Очевидно, такой матричный механизм несовершенен. При-
чина уменьшения скорости реакции состоит, вероятно, в том, что
вновь образованная поли-У недостаточно легко отделяется от мат-
ричной поли-А. Конечно, требуются дополнительные доказатель-
ства для подтверждения гипотезы, согласно которой в популяции
растущих полинуклеотидных цепей определенные нуклеотиды могут
катализировать образование комплементарных цепей, ускоряющих
в свою очередь синтез цепочек исходного строения.
Если такой механизм действительно существует, то это влечет
за собой возможность отбора наиболее подходящих матриц, кото-
рые вытеснят ветвящиеся и другие менее удобные цепи. Однако
я не знаю, может ли таким путем происходить отбор определенной
последовательности нуклеотидов и увеличиваться количество инфор-
мации в нуклеотидной цепи.
Чтобы лучше понять сложный процесс отбора, вспомним, как
происходит воспроизведение ДНК в живой клетке. Генетически
активная ДНК имеет две функции: она содержит, во-первых,
информацию для своего собственного воспроизведения и, во-вто-
рых, информацию для образования полипептидных цепей, катали-
зирующих различные процессы синтеза, включая полимеризацию
нуклеотидов для синтеза самой ДНК.
Очень упрощенная схема на фиг. 4 показывает эту взаимосвязь.
Матрица Ми катализирует образование матрицы Мк, и наоборот.
Одна или обе матрицы контролируют образование полипептидов,
которые в свою очередь определяют возможность синтеза матриц.
Представленная схема может оказаться простейшей формой пред-
биологической саморегулирующейся системы, в которой каждый
Синтез нуклеозидов и полинуклеотидов с помощью МФЭ
313.
катализатор регулирует образование другого и тем самым образо-
вание самого себя.
Если последовательность нуклеотидов определяет чередование
аминокислот в полипептидном катализаторе, то должен проис-
ходить отбор той специфической последовательности нуклеотидов,
которая обеспечивает образование наиболее активного пептида.
Любое изменение в саморегулирующейся системе, повышающее
активность и количество катализаторов, будет способствовать ее
размножению. Но эволюция на молекулярной основе возможна
только в том случае, если матрицы, накапливающие информацию,
Ми ЛД
Белок
Фиг. 4. Схематическое изображение самовоспроизводящейся системы.
Ми — исходная матрица; Л4/с — комплементарная матрица.
будут характеризоваться таким же отношением стабильности к спо-
собности к мутированию, как и генетический материал живых
организмов. Последнее возможно, если допустить, что матрицы Ми
и А4К по своей химической структуре подобны генетическому мате-
риалу и представляют собой вещества, сходные с полинуклеотидами.
Схема, изображенная на фиг. 4, требует дальнейшей разработки.
Остается неясным, каким образом в первоначальных условиях
полинуклеотидная цепочка могла регулировать синтез полипепти-
дов. Может быть, в этом процессе участвовали аминоацилполи-
нуклеотпды, подобные комплексу аминокислоты с транспортной
РНК- Такой смешанный полимер может легко образоваться в опи-
санных выше безводных условиях. Далее, очень мало известно
относительно того, как полипептиды могли катализировать обра-
зование полинуклеотидов.
Безусловно, представленная мною модель самовоспроизведения
на молекулярном уровне весьма несовершенна. Но я надеюсь, что
она послужит стимулом к проведению новых исследований, которые
создадут более надежную основу для дальнейшего изучения вопроса
о происхождении жизни.
ЛИТЕРАТУРА
[.Carbon J. A., Chem. Ind. (London), р. 529 (1963).
2. Кочетков Н. К., Б у д о в с к и й Э. И., Д о м к и н В. Д., Хро-
мов-Борисов Н. Н., Biochim. Biophys. Acta, 80, 145 (1964).
3. Liinzmann G., Schramm G., неопубликованные данные (1963).
4. Mayer R., Jaschke L., Ann. Chem., 635, 145 (1960).
314
Г. Шрамм
5. О п а р и н А. И., Life, Its Nature, Origin and Development, Oliver, and
Boyd, Edinburgh and London (1961).
6. Ord J., Lunar and Planeraty Exploration Collog., Downey, Calif., Vol.
Ill, p. 9 (1963).
7. P h e i 1 E., Rucker t H., Ann. Chem., 641, 121 (1961).
8. P о 1 1 m a n n W., Schramm G., Biochim. Biophys. Acta, 80, 1
(1964).
9. R a t z R., Thilo E., Ann. Chem., 572, 173 (1951).
10. Schramm G., Wissmann H., Chem. Ber., 91, 1073 (1958).
.11. Schramm G., G r 6 t s c h H., P о 1 1 m a n n W., Angew. Chem.,
73, 610 (1961).
12. Weill G., Klein M., Calvin M., Nature, 200, 1005 (1963).
ОБСУЖДЕНИЕ ДОКЛАДА
Фокс. Насколько я припоминаю, в статье Шрамма и Вис-
смана [10] ничего не говорится о синтезе полипептидов из амино-
кислот при участии МФЭ. В этой статье есть описание полимери-
зации DL-аланилглицилглицина и образования пептидных связей
между производными аминокислот. Поскольку аминокислоты и их
производные — это не одно и то же, ссылка на работу 1958 г.
не подкрепляет положений, высказанных д-ром Шраммом, если
только д-р Шрамм не имел в виду что-либо другое. Когда речь
идет о предбиологической эпохе, разница между аминокислотами
.и их производными становится решающей, так как мы имеем пред-
ставление только о геосинтезе свободных аминокислот.
Шрамм. Метод, описанный в цитированной статье, приме-
ним и для аминокислот. Из смеси тирозина, аланина и глутамино-
вой кислоты можно получить полипептид со средним молекуляр-
ным весом около 7300, причем выход составляет примерно 70%
(S20 = 1,2 S, П20 = 12,0-10-7 см2/сек).
Добжанский. Вводная часть доклада д-ра Шрамма застав-
ляет меня сказать несколько слов. Д-р Шрамм справедливо отме-
тил, что естественный отбор описывают иногда как механизм, спо-
собный создать систему, вероятность которой ничтожно мала.
Я хотел бы отметить, однако, что выражение «естественный отбор»
следует использовать с большой осторожностью. Д-р Шрамм именно
так им и пользовался. Но я боюсь, что не все авторы работ о про-
исхождении жизни правильно употребляют этот термин.
Естественный отбор — это избирательное воспроизведение,
сохранение определенного организма. Естественный отбор предпо-
лагает наличие не только процесса самовоспроизведения, или
репликации, но и по крайней мере двух различных самовоспро-
изводящихся единиц или форм.
Когда говорят о естественном отборе в связи с происхождением
жизни, то, насколько я понимаю, хотят обсудить, так сказать,
эмбриональную стадию естественного отбора. В чем она состоит —
Синтез нуклеозидов и полинуклеотидов с помощью МФЭ
315
это уже другой вопрос. Я хотел бы только напомнить, что нельзя
слишком широко и небрежно употреблять термин «естественный
отбор». Предбиологический естественный отбор — это бессмыс-
лица.
Мора. На меня произвела большое впечатление работа
д-ра Шрамма по полимеризации. Он показал мне свой препарат
полиглюкозы, который отличался высоким молекулярным весом
и был белого цвета. Видимо, использование метафосфата в безвод-
ной среде имеет определенные преимущества, так как позволяет
проводить синтез при относительно низких температурах. В этих
условиях происходит меньшее ветвление полимеров, чем в наших
опытах с применением фосфористой кислоты (Mora Р. Т.,
Wood J. W., J. Am. Chem. Soc., 80, 685, 1958). Однако оба эти
метода поликонденсации с участием кислотного катализатора
и в отсутствие воды принципиально сходны.
Шрамм. Мы синтезировали полиглюкозу, используя МФЭ
в диметилформамиде. В мягких условиях процесс полимеризации
протекает с образованием в основном 1—>6 глюкозидных связей,
т. е. является довольно специфичным. Это было показано в моей
лаборатории д-ром Шлюмбергером, который использовал метод
перйодатного окисления. Некоторые глюкозные остатки не реаги-
ровали с перйодатом, поскольку их гидроксилы оказались заме-
щены пирофосфатными или полифосфатными группами.
Мора. Возвращаясь к рибозе и к реакции полимеризации,
дающей поли-А, интересно отметить, что синтезированный вами
полинуклеотид стимулировал включение аминокислот, хотя вы
предполагали, что он имеет разветвленную цепь.
Шрам м. Вообще ветвление в процессе полимеризации рибо-
нуклеотидов не очень вероятно. Известно, что замещение гидро-
ксила в З'-положении создает стерическое препятствие для даль-
нейшего фосфорилирования в 2'-положении. Конечно, нельзя счи-
тать наш синтез абсолютно специфичным. В этом отношении невоз-
можно соревноваться с ферментами. Но, во всяком случае, мы
достигли какой-то степени специфичности процесса нефермента-
тивной полимеризации.
Должен отметить, что при щелочном гидролизе синтезированных
рибонуклеотидов образовывалось лишь незначительное количество
нуклеозиддифосфатов. Отсюда я заключаю, что степень ветвления
полимеров была невелика.
Мора. Вам, конечно, известно, что нуклеотиды легко агреги-
руют. Не думаете ли вы, что в ваших опытах при добавлении комп-
лементарных нуклеотидов образуются агрегаты за счет водородных
связей.
Ш р а м м. Матричная функция поли-А, по-видимому, связана
с локальным увеличением концентрации уридиловой кислоты
316
Г. Шрамм
на поверхности матрицы. Увеличение же концентрации вещества,
безусловно, ускоряет его полимеризацию.
Мора. Я хотел бы коснуться ваших подсчетов вероятности,
поскольку вы затронули предположение, высказанное Горовицем
(Horowitz N. Н., Proc. Natl. Acad. Sci., U. S., 31, 153, 1945)
и Опариным (см., например, Опарин А. И., Life, Its Nature, Ori-
gin, and Development, Oliver and Boyd, Edinbourgh, London, 1961)
и сводящееся к тому, что до появления живых структур происхо-
дил отбор на молекулярном уровне L В процессе отбора накапли-
вались молекулы или агрегаты, которые в результате постепенного
развития достигли уровня живых систем, способных к непрерыв-
ному размножению и обладающих достаточной изменчивостью
для того, чтобы развиваться путем отбора и приспособления.
Слабой стороной этой гипотезы является допущение, что моле-
кулы обладают высокоразвитой способностью к саморепликации
и что на них, так же как на живые объекты, распространяется дей-
ствие естественного отбора и эволюции.
Конечно, существует химическая избирательность (сродство,
специфическая активность, комплементарность и т. д.), играющая
очень важную роль при протекании биохимических реакций (взаи-
модействие типа фермент — субстрат, антиген — антитело и др.).
В процессах синтеза и распада происходит также непрерывный
круговорот атомов и молекул, зависящий от физических и хими-
ческих условий среды и свойств самих молекул (свободной энергии
и др.). Некоторые сложные молекулы (агрегаты) более стабильны
в определенных условиях среды, чем составляющие их относительно
простые молекулы. Некоторые молекулы (полимеры) легко агреги-
руют с подобными себе соединениями (ср. с кристаллизацией).
Однако вопрос состоит в том, могут ли эти явления привести к воз-
никновению постоянно развивающейся в процессе отбора иерар-
хии молекул с возрастающей способностью к самовоспроизведению,
которая, постоянно совершенствуясь, достигает такой точности
и быстроты, что с избытком компенсирует комбинированный эффект
незакономерных (случайных) процессов.
Это возможно лишь в том случае, если более половины молекул
определенного типа (полимеров) успеет репродуцироваться, прежде
чем произойдет их распад. На это, однако, трудно рассчитывать.
Согласно законам современной квантовой механики, вероятность
процесса самовоспроизведения равна нулю (Wigner Е. Р.,
The Logic of Personal Knowledge, Collection of Essays presented to
Michael Polany, Routledge and Kegan Paul, London, 1961). Более
того, подразумевается, что по мере усложнения структуры молекул
1 Мора объединяет мнения Горовица и Опарина по какому-то недора-
зумению. Напротив, Опарин всегда отрицал возможность отбора на моле-
кулярном уровне.— Прим. ред.
Синтез нуклеозидов и полинуклеотидов с помощью МФЭ
317
вероятность самовоспроизведения должна возрастать. Совершенно
очевидно, что это нельзя согласовать с принципами термодинамики.
Третье условие существования устойчивых популяций размножаю-
щихся молекул состоит в том, что процессы их репликации должны
идти непрерывно.
Отбор и эволюция возможны только в том случае, если, во-пер-
вых, постоянное воспроизведение с избытком компенсирует про-
цессы образования беспорядочных структур и, во-вторых, если
репликация нескольких (более чем одного) непрерывно размно-
жающихся видов происходит с различной скоростью. Следова-
тельно, следующее условие состоит в том, что время от времени
должны происходить изменения («мутации») размножающихся моле-
кул, для того чтобы мог идти отбор той скорости самовоспроизве-
дения, которая больше соответствует постоянно меняющейся среде.
Само собой разумеется, что «благоприятная мутация» должна
размножаться быстрее «неблагоприятной мутации».
Горовиц и Опарин предполагают, что все вышеперечисленные
особенности присущи молекулам. Они допускают, что молекулы
способны чрезвычайно точно копировать самих себя (т. е. вос-
производиться) со скоростью, позволяющей пренебречь процессами
беспорядочной полимеризации; что они претерпевают мутации
с умеренной частотой, а следовательно, подвергаются естествен-
ному отбору. Далее эти авторы считают, что такие свойства молекул
(самовоспроизведение, изменчивость, отбор) лежат в основе «эво-
люции» первых непрерывно размножающихся систем, подвергаю-
щихся естественному отбору. Мне непонятна их логика.
Шрамм. Я согласен с вами, д-р Мора, что термин «эволю-
ция» можно применять лишь к тем системам, в которых механизм
переноса информации близок к существующему в современных
живых клетках. Это еще одна причина, заставляющая думать, что
происхождение нуклеиновых кислот — действительно центральная
проблема в вопросе о происхождении жизни.
Опарин. Я хочу сказать несколько слов по поводу вступи-
тельной части очень серьезного и важного доклада д-ра Шрамма.
Боюсь, что сказанное мною окажется в противоречии не только
с тем, что говорил д-р Шрамм, но и с выступлением д-ра Добжан-
ского. Совершенно очевидно, что сохранение кода в процессе
передачи информации нуклеиновыми кислотами играет очень важ-
ную роль в сохранении жизни как таковой. Но не следует возво-
дить это в абсолют и видеть в этом единственную основу жизни.
Постараюсь пояснить свою мысль с помощью следующей анало-
гии. Представьте себе, что на Землю прилетело какое-то разумное
существо, например просвещенный марсианин, который, начав
знакомиться с нашей жизнью, пришел бы к выводу, что основу
жизни составляют библиотеки. В них сохранены и увековечены
318
Г. Шрамм
идеи, столь важные для прогресса человечества. А вся наша жизнь,
с ее радостями и печалями, не более чем случайное и вторичное
наслоение, приложение. Вы едва ли согласитесь с этим марсиа-
нином.
Добжанский. Я думаю, что д-р Опарин прав. Безусловно,
такой марсианин был бы наивным существом. Я сказал бы, что
саморепликация, самовоспроизведение и изменчивость — в опре-
деленном смысле понятия противоположные. Изменчивость — это
в своем роде отрицание саморепликации. А репликация, проис-
ходящая с точностью 100%, исключает мутации.
Шрамм. Я бы согласился, по крайней мере отчасти, с этим
наивным марсианином. Как замечательно, что человек способен
узнать, что происходит в его генах, и может запечатлеть свои
знания в книгах, библиотеках и т. д. На мой взгляд, своеобразие
человеческого мозга основано на сложной системе обратной связи
и рефлекторных механизмов, что приводит к появлению сознания.
Фокс. В сентябре в Нью-Йорке д-р Ниренберг сообщал, что
он обнаружил кодирующие свойства у полинуклеотидов, синте-
зированных по методу Кораны. Это были химически синтезирован-
ные полинуклеотиды в отличие от полимеров Очоа. Я думаю, что
нужно поздравить д-ра Шрамма с получением дополнительных
данных о свойствах химически синтезированных полинуклеотидов.
В связи с этим возникает всех нас интересующий вопрос, можно ли
химически синтезированные полинуклеотиды такого рода назвать
предбиологическими.
К этому непосредственно относится вопрос о возможности обра-
зования тех полифосфорных производных, которые использовал
в своих синтезах д-р Шрамм. Хотелось бы узнать о методе получе-
ния использованного вами препарата и обсудить возможность его
образования в природных условиях.
Шрамм. Очень важно сохранить циклическую структуру
фосфорных эфиров. Если слишком долго обрабатывать Р4О10 эфи-
ром или слишком повысить температуру, то образуется малоактив-
ная открытая цепь. Следовательно, в данном случае это приводит
к таким же результатам, как применение полифосфата с пяти-
окисью фосфора; последний также вызывает быструю дециклиза-
цию. Я полагаю, что сейчас этот вопрос уже не вызывает затрудне-
ний: мы знаем, чего избегать и как избегать.
Фокс. Я рад, что вы коснулись этой проблемы, но это не сов-
сем то, о чем я спрашиваю. Вопрос заключается в следующем:
каким образом, по вашему мнению, использованный вами эфир
фосфорной кислоты мог образовываться в предбиологическую эпоху?
Вы ведь использовали диэтиловый эфир?
Ш р а м м. Да. Но вместо эфира можно употреблять и другие
органические соединения, содержащие алкильную группировку,
Синтез нуклеозидов и полинуклеотидов с помощью МФЭ
319
связанную с кислородом. Сама полифосфорная кислота может обра-
зоваться из фосфата в присутствии какого-нибудь углеродистого
вещества. При температуре выше 300° образуется не орто-, а поли-
фосфат. Когда Земля остыла, на ней оказались залежи конденсиро-
ванного фосфата, или полифосфата, который легко этерифици-
руется.
Оро. Профессор Шрамм, по-видимому, с удовольствием про-
инструктирует каждого, кто хотел бы приготовить этилполифосфат.
В неводных условиях и с использованием растворителя типа хло-
роформа легко получается эфир полифосфата из диэтилового эфира
и P4Oj0. В оригинальной методике, опубликованной в 1910 г. Ланг-
хельдом, хлороформ не употребляется. Но в отсутствие хлороформа
труднее получить однородное вещество, хотя продукты реакции,
полученные как с использованием хлороформа, так и без него,
идентичны по химической природе. Методом бумажной хроматогра-
фии Нунеру в моей лаборатории удалось выявить в полифосфорном
эфире присутствие двух компонентов. Они, по-видимому, идентичны
тем двум циклическим соединениям, структура которых была посту-
лирована несколько лет назад Тило и Уоггоном на основании
изучения реакций гидролиза и алкоголиза. Таким образом, учиты-
вая дополнительные данные, представленные профессором Шраммом,
можно считать, что природа полифосфорного эфира установлена.
Что касается способности полифосфорного эфира вызывать реак-
ции конденсации при температуре около 60°, то по этому поводу
я хотел отметить, что в первый же раз, как Нунер использовал это
соединение для синтеза полипептидов, результат получился поло-
жительный. Теперь мы уже синтезировали ряд полипептидов (лей-
цина, валина, серина и т. д.), причем выход достигал 60%. Не может
быть никаких сомнений в том, что с помощью этого вещества можно
синтезировать гомо- и гетерополипептиды.
Мора. Я хотел бы разъяснить, как идут в бесклеточных экст-
рактах реакции полимеризации в присутствии полинуклеотидных
затравок. Ниренберг использовал олиго-дТ13_14, синтезированный
по методу Кораны (К о г a n а Н. G., V i z s о 1 у i J. R., J. Am.
Chem. Soc., 83, 675, 1961), для получения комплементарного поли-А
в присутствии АТФ и зависящей от ДНК РНК-полимеразы
(Chamberlain М., Berg Р., Proc. Natl. Acad. Sci., U. S.,
48, 81, 1963). В этих условиях длина цепочки поли-А могла дости-
гать 100 А. Конечно, присутствие РНК-полимеразы (фермента
Чемберлена — Берга) было необходимо. Полимеризация прекра-
щалась меньше чем через час (Leder Р., С 1 а г к В. F. С.,
Ely W. S., Pestka S., Nierenberg M. W., Proc. Natl.
Acad. Sci., U. S., 50, 1135, 1963).
Затем Ниренберг использовал поли-А в системе, представляю-
щей собой экстракт Escherichia coli и содержащей рибосомы и раз-
320
Г. Шрамм
.личные ферменты; при этом он наблюдал, что поли-А вызывал
включение лизина в полилизин. Этот процесс также продолжался
менее одного часа.
Опыты д-ра Шрамма аналогичны опытам Маттеи, наблюдав-
шего хорошо известный синтез полифенилаланина в присутствии
поли-У (Nierenberg М. W., Matthaei J. Н., Proc.
Natl. Acad. Sci., U. S., 47, 1588, 1961). Этот синтез также длится
около часа.
Буханан. Проводили ли вы определение длины цепи поли-
фенилаланина, образовавшегося в тех опытах, где, как вы сказали,
происходила ошибка в считывании информации? Вполне вероятно,
что процесс полимеризации продолжался до тех пор, пока не про-
исходила ошибка, прекращающая синтез данного полимера, после
чего процесс полимеризации начинался заново. Возможно, таким
образом, что ошибка в считывании информации служит непреодоли-
мым препятствием для фермента.
Ш р а м м. Я должен подчеркнуть, что все эти биологические
опыты были проведены Маттеи, а не мною.
Бернал. Я полагаю, что в обсуждении вопроса о происхож-
дении жизни сообщение профессора Шрамма о реплицирующихся
молекулах занимает центральное место. Я согласен с тем, что
достаточно большая продолжительность жизни и способность
к эффективному воспроизведению таких молекул абсолютно необхо-
димы не только для развития, но и для существования того, что
может быть названо живым. Стало быть, наша задача — найти
механизм такого воспроизведения, причем, вообще говоря, он
должен быть проще, чем тот механизм, который мы обнаруживаем
в биологических системах.
ТЕРМИЧЕСКАЯ КОНДЕНСАЦИЯ ЦИТИДИЛОВОЙ КИСЛОТЫ
В ПРИСУТСТВИИ ПОЛИФОСФОРНОЙ кислоты
А. ШВАРЦ, Э. БРЭДЛИ, С. ФОКС
Institute for Space Biosciences and Department of Chemistry,
Florida State University, Tallahassee, Florida
Важная роль полифосфорной кислоты в реакциях конденсации
известна давно. Особенный интерес для теории предбиологической
эволюции представляют работы Шрамма [5] по использованию
этой кислоты при полимеризации аргинина, а также данные Харады
и Фокса [2, 3] по ее применению в процессе полимеризации амино-
кислот. Было показано [2, 3], что в присутствии полифосфорной
кислоты (ПФК) температура, необходимая для полимеризации всех
обычных аминокислот, снижается с 160—170 до 65°. Полифосфат
нашел также применение при синтезе нуклеиновых кислот. Так,
Фокс и Харада [3] синтезировали урацил из яблочной кислоты
и мочевины в присутствии ПФК- В последних работах Шрамма
и сотр. [5] сообщалось о полимеризации мононуклеотидов с исполь-
зованием в качестве катализатора этилметафосфата, который можно
рассматривать как производное полифосфата.
Мы в течение нескольких лет изучали влияние свободной поли-
фосфорной кислоты на смесь пуринов, пиримидинов и рибозы, а так-
же на нуклеозиды. Работа д-ра Шрамма привлекла наше внимание
к мононуклеотидам; на основании данных этой работы мы пред-
положили, что интенсивное разложение, наблюдавшееся в наших
первых опытах, может быть предотвращено путем уменьшения
кислотности реакционной смеси, т. е. созданием условий, имев-
шихся в отдаленную геологическую эпоху. Наши ранние работы
по мононуклеотидам были проведены с использованием ряда осно-
ваний, чаще всего мочевины. Впоследствии было показано, что
при быстром протекании реакции присутствие мочевины необяза-
тельно. Применяемая в настоящее время методика состоит, как
показано на фиг. 1, в простом смешивании мононуклеотидов с поли-
фосфорной кислотой при ограниченном доступе влаги из воздуха
и нагревании смеси до 65° в течение 1—2 час. В своих исследова-
ниях мы применяли различные образцы полифосфорной кислоты:
часть из них была приобретена, а другие синтезированы из пяти-
окиси фосфора и (или) фосфорной кислоты.
322
А. Шварц, Э. Брэдли, С. Фокс
Данные, приведенные в настоящей работе, получены при исполь-
зовании полифосфорной кислоты, содержащей 82—84% пятиокиси
фосфора (производство Victor Chemical Works).
Продукты реакции растворяли при охлаждении в водном рас-
творе аммиака, поддерживая нейтральную реакцию среды. После
трехдневного диализа против дистиллированной воды раствор
лиофилизировали. Полученный белый порошок содержал большое
3'(2')-ЦМФ(5 г) + ПФК (10 г)
| 65°, 2 час
| Растворяется в NH4OH
| Диализ в течение 3 дней
| Лиофилизация
| Фракционирование (дауэкс 1x4)
Диализ в течение 3 дней
| Лиофилизация
Продукт
(выход ~ 1%)
Фиг. 1. Получение полимера цитидиловой кислоты.
количество полифосфатов; поэтому для получения чистого соеди-
нения необходимо было проводить фракционирование. С этой
целью использовали дауэкс-1. Полимер элюировали 4 н. муравьи-
ной кислотой в 0,5 н. муравьинокислом аммонии. Для удале-
ния полифосфатов колонку затем промывали 4 н. НО. Фрак-
цию, содержащую выделяемое соединение, повторно диализовали
в течение трех дней и лиофилизировали. Конечный выход состав-
ляет обычно 1 %; поэтому в настоящее время разрабатываются
условия синтеза, дающие лучший выход.
Состав реакционных смесей, в которых образуется полимер
цитидиловой кислоты, приведен в табл. 1. Единственным нуклео-
тидом, способным к поликонденсации, оказалась 2'(3')-цитидиловая
кислота. Смесь цитидиловой и адениловой кислот дает весьма
интересные продукты, требующие дальнейшего изучения. Воз-
можно, кроме того, что уридиловая кислота может сополимеризо-
ваться с цитидиловой кислотой. Содержание аденина при исполь-
зовании смеси цитидиловой и адениловой кислот определяли коло-
риметрически по методу Дэвиса и Морриса [1]. Состав соединения,
образующегося из смеси цитидиловой и уридиловой кислот, уста-
навливали путем сравнения ультрафиолетового спектра поглоще-
ния синтезированного соединения со спектрами стандартных смесей
цитидиловой и уридиловой кислот. Для удобства в табл. 1 приве-
Термическая конденсация цитидиловой кислоты с ПФК
323
Состав реакционных смесей *
Таблица 1
Продукт Компоненты смеси ** Время, час Выход, % Содержа- ние фосфора, % Содер- жание, ЦМФ, ;%
1-53/2 ЦМФ (5 г) 4-ПФК (20 г) + мочевина (4 г) 2 0,6 9,1 —
2-4/2 ЦМФ (5 г) + ПФК (20 г) 4- -1-мочевина (4 г) 2 0,5 9,6 —
2-75/2 ЦМФ (5 г)-|-ПФК (Ю г) 1 1,7 9,8 —
2-91/А ЦМФ (5 г) + ПФК (10 г) 1 0,8 9,3 —
2-73/А ЦМФ (0,5 г) + + АМФ (0,5 г) + ПФ К (2 г) 1 0,6 9,9 75
2-73/В ЦМФ (0,7 г) + -i-АМФ (0,3 г) + ПФК (2 г) 1 0,8 10,5 80
2-76/А ЦМФ(1 г)+АМФ(1 г) + + ПФК (4 г) 1 1,0 10,4 60
2-76/В ЦМФ (1 г)-(-АМФ (1 г) + + ПФК(4 г) 1 1,5 10,4 60
2-89/2 ЦМФ (1 г)-)-УМФ (1 г) + 4-ПФК (4 г) 1 0,2 7,6 70—80
* Температура во всех опытах была 65°.
** Все нуклеотиды имели структуру 3'(2').
дено содержание цитидиловой кислоты, вычисленное как разность
полученных величин. Необходимо отметить, что мы недавно обна-
ружили в исходной цитидиловой кислоте следы примесей трех
различных соединений, одно из которых, очевидно, является аде-
ниловой кислотой. Другой примесью может быть цитидин, а третья
представляет собой неизвестное вещество, поглощающее в ультра-
фиолете. В контрольных опытах, однако, было показано, что все
три примеси в процессе очистки полностью удалялись.
В спектрах поглощения полученных соединений не наблюдается
аномалий. На фиг. 2 приведен спектр одного из производных цити-
диловой кислоты (2-75/2), снятый в кислой и щелочной среде.
Особый интерес представляет тот факт, что величина смещения
максимума поглощения при использовании кислого раствора такая
же, как при использовании свободной цитидиловой кислоты. Это
свидетельствует о том, что аминогруппа цитозина не участвует
в конденсации (но участвует в образовании, например, фосфоамид-
ных эфирных связей).
324
А. Шварц, Э. Брэдли, С. Фокс
Увеличение коэффициента поглощения в области адсорбционного
максимума при инкубации щелочного раствора в течение 48 час
(температура 37°) представляет собой гиперхромный эффект и выра-
жается в процентах. Было показано [4], что такой сдвиг обуслов-
лен расщеплением связей между нуклеотидами и что величина
сдвига возрастает с увеличением длины олигонуклеотидных цепей.
Некоторые оптические свойства четырех производных цитиди-
ловой кислоты суммированы в табл. 2. В ней же для сравнения
Таблица 2
Оптические свойства соединений
Соединения В 0,01 н. НС1 В 0,1 н. NaOH Г иперхромизм в щелочном растворе, %
^макс’ ммк ^мин’ ММК X макс’ ммк ^МИН’ ммк
3'(2')-ЦМФ 279 240 272 250 0
Дицитидиловая * кис- 278 240 270 250 8,7
лота
Трицитидиловая * кис- 278 241 270 251 13,9
лота
Тетрацитидиловая * 278 241 270 251 15,3
кислота
Полицитидиловая * кис- 278 241 270 251 15,9
лота (9,8)
1-53/2 278 240 270 252 (24)**
2-4/2 278 242 269 251 16
2-75/2 278 242 269 252 16
2-91/А 278 242 268 252 16
* Данные Микельсона [4].
♦* Единственное определение.
приведены свойства нескольких олигонуклеотидов цитидиловой
кислоты, синтезированных Майкельсоном [4]. Величины гипер-
хромизма щелочных растворов производных цитидиловой кислоты
позволяют прийти к заключению, что их цепи состоят по крайней
мере из 4—10 остатков. Тем не менее результаты предварительных
определений с применением ферментов осложняют трактовку дан-
ных табл. 2.
Фиг. 3 иллюстрирует схему опытов, поставленных с целью
предварительной характеристики этих соединений. Исходные веще-
ства сначала инкубировали с бактериальной щелочной фосфатазой
Термическая конденсация цитидиловой кислоты с ПФК
325
Фиг. 2. Ультрафиолетовый спектр поглощения полимера цитидиловой кис-
лоты (2-75/2) в 0,01 н. НС1 (У) и в 0,1 н. NaOH до (3) и после (2) инкубации
в течение 48 час при 37°.
(для гидролиза фосфомоноэфирных связей). Количество неоргани-
ческого фосфата, выделившегося при этом, показывало число кон-
цевых групп в расчете на молекулу. Одновременно ставили кон-
трольные опыты для определения содержания фосфата в ферментных
2-75/2
+
Фосфатаза
Р7°
Определение Фн
Фосфатаза
Р7°
Определение Фн
Добавление
37 ° РНК-азы
^37°
Определение Определение
37-
Определение
Добавление
РНК-азы
|37°
Определение
Фн
2-75/2
|37°
Определение Фн
37-
Определение
Фн
Фиг. 3. Ферментативное расщепление полимера цитидиловой кислоты
(2-75/2) бактериальной щелочной фосфатазой и рибонуклеазой поджелудоч-
ной железы.
препаратах и для оценки спонтанного гидролиза полинуклеоти-
да (как оказалось, последним процессом можно пренебречь). После
окончания гидролиза опытную и контрольную пробы делили
1
53 МЛ
иг. 4. Действие рибонуклеазы на величину молекул полимера ци
ловой кислоты (2-75/2).
— полимер 2-75/2; 2 — при действии фосфатазы; 3 — при действии фосфатазы и
нуклеазы; 4 — поли-Ц; 5 — ЦМФ.
Термическая конденсация цитидиловой кислоты с ПФК
327
пополам, и к одной из двух параллельных проб добавляли рибону-
клеазу (из поджелудочной железы) и, если необходимо, фосфатазу.
Такая постановка опытов позволяла иметь контроль не только
на загрязнение ферментных препаратов и спонтанный гидролиз, но
и на фоновую фосфатазную активность во время воздействия
рибонуклеазы.
Если во время этого воздействия происходило освобождение
дополнительных количеств неорганического фосфата, то это могло
быть лишь результатом образования новых концевых групп, кото-
рые подвергались затем действию уже присутствовавшей фосфатазы.
В этих опытах были получены предварительные данные об ограни-
ченном действии рибонуклеазы, т. е. о присутствии З'-фосфо-
диэфирных связей в некоторых из синтезированных соединений.
Предположение о том, что освобождение дополнительного неор-
ганического фосфата при действии рибонуклеазы действительно про-
исходит вследствие расщепления полимера ферментом, получило
дальнейшее подтверждение в опытах, результаты которых приве-
дены на фиг. 4. Пики показывают объемы элюатов, полученных
при фильтрации полимеров через сефадекс G25 (растворитель
1 н. NaCI). После полного элюирования со смолы полимера (в дан-
ном случае использовали ферментативно синтезированную поли-
цитидиловую кислоту) объем элюата оказался равным 25 мл
(фиг. 4, 4). Объем элюата для случая низкомолекулярных веществ,
для которых наблюдается максимальная задержка [в данном опыте
использовали 2'(3')-цитидинмонофосфат], равнялся 51 мл (фиг. 4, 5).
Кривая 7 (фиг. 4) дает картину нормальной элюции соединения
2-75/2; объем элюата 35 мл. Инкубация соединения 2-75/2 с бак-
териальной щелочной фосфатазой (фиг. 4, 2) не влияет на размер
молекул полимера. При добавлении рибонуклеазы из поджелудоч-
ной железы (фиг. 4, >3) объем элюата возрастает до 53 мл; это мак-
симальный объем, полученный для соединений с низким молеку-
лярным весом. Тот факт, что пик достаточно широк и имеет неболь-
шое плечо, соответствующее объему 35 мл, позволяет считать, что
разрушение рибонуклеазой было неполным. Результаты уже опи-
санных опытов суммированы в табл. 3.
Представленные в табл. 3 данные показывают относительное
количество фосфата, освобожденного при действии фосфатазы
(иными словами, процентное содержание фосфата концевых групп)
и количество фосфата, освобожденного при действии рибонуклеазы
(в процентах к общему фосфору). Поскольку для синтеза полимера
использовали цитидиловую кислоту, представлявшую собой смесь
2'- и 3'-цитидиловых кислот, при конденсации должно было образо-
ваться примерно равное количество 2'- и З'-связей. Если рибо-
нуклеаза специфически воздействует на З'-связи, то можно считать,
что в образовании фосфодиэфирных связей участвует вдвое боль-
Таблица 3
Результаты ферментативных опытов
Анализируемый продукт Число опы- тов Количество освобожденного фосфата, %
при действии фосфатазы при действии рибонук- леазы
1-53/2 1 36
2-4/2 3 35-36 21—24
2-75/2 Теоретически 2 36-40 26—29
Дицитидиловая кис- лота 50,0 25,0
Трицитидиловая кис- лота 33,3 33,3
Тетрацитидиловая кислота 25,0 37,5
0,01 н. HCI 0,01 н. НС1 + О,О1л. NaCl 7 м. О.О1Н. HCI+ 0.5«МаС1
0,05н. NaCl ’
Фиг. 5. Ионообменная хроматография полимера цитидиловой кислоты
(2-75/2) на дауэксе 1X4 (200—400 меш).
Элюция 0,01 н. НС1, 0,01 н. HCI + 0,01 и. NaCl, 0,01 н. НС1 + 0,05 н. NaCl и 0,01 и.
НС1 + 0.5 н. NaCl.
Термическая конденсация цитидиловой кислоты с ПФК.
329
шее количество фосфата, чем то, которое освобождается при воздей-
ствии рибонуклеазы, т. е. 40—60% общего количества фосфата.
Теоретические величины, приведенные в табл. 3, были вычислены
для соединений с определенным числом 2'- и З'-связей. Сравнение
величин, полученных в эксперименте, с теоретическими величинами
показало, что мы имеем смесь преимущественно ди- и тринуклеоти-
дов, так как именно такая смесь может дать те результаты, какие
были получены в опытах с применением ферментов. В то же время
полученные продукты конденсации сложнее, чем простая смесь
ди- и тринуклеотидов, что подтверждается данными определения
гиперхромизма.
На фиг. 5 представлена кривая элюции соединения 2-75/2
с ионообменника дауэкс 1 X 4 (солевая форма). Видно, что основная
часть полимера элюируется со смолы намного позже, чем ди- и три-
цитидиловые кислоты. Предположение, что продукт реакции отли-
чается от ди- и тринуклеотидов, находит свое подтверждение
и в результатах электрофореза на бумаге. Действительно, электро-
форетическая подвижность соединения 2-75/2 несколько выше, чем
у полицитидиловой кислоты, синтезированной ферментативным
путем.
Все эти данные позволяют предположить, что, хотя в состав
молекул полученного продукта входят большие участки с фосфо-
диэфирными связями, этот продукт представляет собой более слож-
ное соединение, чем просто олиго- или полинуклеотиды. Необходимо
учитывать возможность ветвления основной цепи.
В настоящее время проводится более подробное изучение этих
соединений.
ЛИТЕРАТУРА
1. Davis J. В., Morris В. N., Anal. Biochem., 5, 64 (1963).
2. F о х S. W., Symp. Protein Nutrition Metabolism., Univ. Illinois College
Agr. Special Publ., 4, 141 (1963).
3. F о x S. W., Harada K., Science, 133, 1923 (1961).
4. M i c h e 1 s о n A. M., J. Chem. Soc., p. 3655 (1959).
5. Schramm G., Groetsch H., P о 1 1 m a n n W., Angew. Chem.,
74, 53 (1962).
ОБСУЖДЕНИЕ ДОКЛАДА
Шрамм. В своей работе мы столкнулись с такими же труд-
ностями. Мы используем диализуемые продукты синтеза, и неболь-
шие молекулы, вроде ди- и тринуклеотидов, в настоящее время
не представляют для нас большого интереса; но, конечно, разделе-
ние их на целлюлозе связано со значительными трудностями. Много
ли темного осадка вы получаете в подкисленном растворе?
330 А. Шварц, Э. Брэдли, С. Фокс
Шварц. Возможно, я недостаточно ясно сказал, что полиме-
ризация идет не в водном растворе, а в полифосфорной кислоте,
которая и является единственным растворителем. При работе
с некоторыми нуклеотидами наблюдалось обугливание. Однако
в опытах с цитидиловой кислотой никакого изменения окраски
не происходило, и выделяемое соединение было белого цвета.
Ш р а м м. Полифосфат, использованный в этих опытах, является
отрицательно заряженным. Я думаю, что если вы уберете этот
заряд посредством этерификации, каталитическая активность поли-
фосфата повысится. Недавно мы проводили ряд опытов по конден-
сации, используя полифосфорную кислоту, приготовленную смеше-
нием Р4О10 с фосфорной кислотой. Выход поли-У после диализа
был очень низким, т. е. полимеризация шла гораздо хуже, чем
с метафосфорным эфиром.
Шварц. Именно этим вопросом мы сейчас занимаемся. Оче-
видно, средний молекулярный вес полимера не может быть выше,
чем четыре или пять тысяч. Мы, однако, используем очень мягкие
условия, так как стремимся получить чистый продукт, пригодный
для проведения структурного анализа. Можно думать, что приме-
нение более благоприятных условий синтеза и высокой температуры
позволит получить полимер с большим молекулярным весом. Эти
условия необходимо подобрать.
Часть IV
МОДЕЛИ ДОКЛЕТОЧНОЙ
ОРГАНИЗАЦИИ
ВСТУПИТЕЛЬНОЕ СЛОВО
X. СТЕЙНБАХ
Department of Zoology, University of Chicago, Chicago, Illinois
На этой конференции состоялась интересная дискуссия, посвя-
щенная образованию органических молекул и процессам их агре-
гации в полимеры, протекающим при условиях, которые могли
иметь место в предбиологических мирах. Во время этой дискуссии
были рассмотрены также свойства, характеризующие поведение
и структуру современных живых форм. Дискуссия по этим вопро-
сам носила полемический характер.
Если рассматривать эти дискуссии в свете исторического обзора,
данного таким скрупулезным исследователем, как Макс Ферворн
в его «Общей физиологии» (V е г w о г n М., Allgemeine Physiolo-
gie, 1894), становится ясно, что лишь сейчас впервые удалось
детально рассмотреть некоторые химические механизмы и физи-
ческие условия, обусловившие образование органических веществ
задолго до того, как на Земле возникли живые образования.
На последующих заседаниях больше внимания будет уделено
ориентации и взаимодействию полимеров, возникших в подобных
предбиологических условиях. На примерах современных живых
клеток показано, что ориентация и взаимодействие полимеров необ-
ходимы для создания структур, причем эти процессы, по-види-
мому, представляют собой более поздний этап развития биологи-
ческого мира, следующий за возникновением органических молекул.
Мы уже слышали в докладах упоминания о коацерватах; теперь
эти системы будут рассмотрены подробно. Стремление смесей орга-
нических и неорганических веществ образовывать структуры с гра-
ницами раздела фаз и с включениями в пределах этих границ
известно давно; описанное явление заслуживает более вниматель-
ного изучения с помощью современных методов исследований и тре-
бует глубокого теоретического анализа. Вскоре вы услышите
доклады на эту тему.
В прошлом был изучен целый ряд дискретных тел, обнаруживае-
мых микроскопически в смесях химических соединений. Подобные
образования принято было называть клеточными моделями — тер-
мин, который, по-видимому, не следует употреблять в дальнейшем.
334
X. Стейнбах
Начиная с масляных капель Румблера и Бючли и вплоть до настоя-
щего времени в литературе можно встретить захватывающие описа-
ния и рисунки, показывающие лишь, что почти любая структура
живой клетки может быть имитирована с помощью комбинаций
некоторых физических и химических условий. По-видимому, наибо-
лее сложными и причудливыми из всех старых «клеточных моделей»
были те, которые описал Эррера (Herrera A. L., Arch.
Plasmol. Gen., 1, 55, 1912). В 30-х годах нашего века Криль изучал
«автосинтетические клетки» и сообщил данные об их структуре,
движении, делении и обмене (С г i 1 е G., Т е 1 k е s М., R о w-
1 a n d A. F., Protoplasma, 15, 337, 1932; те же авторы, Arch.
Surg., 23, 1931). В более позднее время исследователи, вооружив-
шись точными методами, обратили особое внимание на поведение
монослоев и смешанных слоев, представляющих собой или пленки,
выстилающие углубления, или пограничные слои, ограничивающие
глобулы. Авторы большинства этих исследований стремятся воссоз-
дать избирательные свойства активных клеточных мембран.
Нам необходимо выяснить, каким образом полимеры и другие
соединения, возникшие в предбиологических условиях, могут
взаимодействовать друг с другом с образованием структур, способ-
ных выполнять функции, недоступные для отдельных изолирован-
ных единиц. Должны быть созданы градиенты различных типов,
и следует знать пути их создания. Необходимо не только устано-
вить свойства веществ, организованных в структуры, но следует
также выяснить, какую новую информацию они несут в себе по срав-
нению с информацией, содержащейся в линейных полимерах,
входящих в состав более сложных образований.
Ведь именно организация в двумерные и трехмерные структуры
и лежит в основе жизни.
ПУТИ НАЧАЛЬНОГО ФОРМИРОВАНИЯ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ
И ИСКУССТВЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
ЭТОГО ФОРМИРОВАНИЯ В КОАЦЕРВАТНЫХ КАПЛЯХ
А. И. ОПАРИН
Институт биохимии им. А. И. Баха АН СССР, Москва
В настоящее время можно считать в принципе научно обосно-
ванным то положение, что в определенный период существования
Земли на ее поверхности абиогенным путем образовался «первич-
ный питательный бульон» — водный раствор разнообразных орга-
нических веществ и их более или менее высокомолекулярных поли-
меров.
В своем докладе я хотел бы сделать следующий шаг и попы-
таться наметить экспериментальные подходы к решению вопроса
о путях формирования в этом «бульоне» первичных живых существ.
Характерным для жизни является то, что она не просто рас-
сеяна в пространстве, а представлена отграниченными от внеш-
него мира индивидуальными системами — организмами. Их воз-
никновение могло произойти только на основе длительной эволю-
ции, постепенного совершенствования каких-то гораздо более про-
стых исходных систем, выделившихся из первичного однородного
«бульона».
В этом последнем, как и в простом водном растворе органиче-
ских веществ и неорганических солей, химические превращения
не носили какого-либо организованного характера, а совершались
независимо друг от друга во всевозможных направлениях, хаоти-
чески перекрещиваясь между собой. Напротив, в живых существах
отдельные химические реакции строго согласованны, происходят
в определенной последовательности, составляющей в своей сово-
купности единую систему биологического обмена веществ, обеспе-
чивающего самосохранение, рост и самовоспроизведение всего орга-
низма в целом в данных условиях внешней среды.
Задача и состоит именно в том, чтобы экспериментально обосно-
вать возможные пути образования таких исходных систем, которые
могли бы взаимодействовать с внешней средой по типу открытых
систем и в которых происходящие на этой основе химические пре-
вращения делались бы все более и более организованными, при-
ближаясь в процессе своей эволюции к биологическому уровню
обмена веществ.
336
А. И. Опарин
В настоящее время в научной литературе высказывается мне-
ние, что такими исходными системами могли бы явйться просто
отдельные молекулы полинуклеотидов со случайным расположе-
нием мономерных остатков в цепи, первично возникавшие в «пита-
тельном бульоне». Им была присуща свойственная полинуклеотидам
комплементарность. Поэтому, согласно Холдейну, Шрамму и др.,
уже в абиогенных условиях должна была создаваться возможность
к постоянному более быстрому синтезу предсуществующих поли-
нуклеотидов, к все убыстряющемуся «саморазмножению» молекул, на-
деленных определенной вторичной структурой. Подвергаясь мутаци-
ям и естественному отбору, молекулы полинуклеотидов все время эво-
люционировали, совершенствовали свою вторичную структуру, при-
ближаясь в этом отношении к современным нуклеиновым кислотам.
Однако на основе такой эволюции «на молекулярном уровне»
трудно себе представить, а тем более экспериментально воспроиз-
вести возникновение обмена веществ.
Если полимеризацию мононуклеотидов производить в их чис-
тых растворах, то это может привести лишь к образованию свое-
образных скоплений полинуклеотидов, что в природных условиях
создавало бы лишь залежи этих веществ, подобные залежам озо-
керита или другой органической смеси гомологов. Если же ука-
занная полимеризация осуществляется в присутствии других
полимеров, например полипептидов (что, по-видимому, должно
было иметь место в «первичном бульоне»), то возникающие поли-
нуклеотиды неизбежно должны были образовывать с этими полиме-
рами многомолекулярные комплексы. Последние, выделившись
из окружающего раствора, как раз и явились, собственно, теми
исходными системами, которые, взаимодействуя с внешней средой,
дали в процессе эволюции начало наделенным обменом веществ
первичным организмам.
В Институте биохимии им. А. Н. Баха совместно с Серебров-
ской мы проводили полимеризацию нуклеотидов в водной среде
(например, синтез полиаденина) с помощью бактериальной поли-
нуклеотидфосфорилазы. Если вести этот синтез в присутствии или
при параллельном образовании другого полимера (например, поли-
пептида), то можно наблюдать постепенное помутнение растворов.
Это связано с тем, что по достижении определенных размеров час-
тицы полимеров объединяются между собой в многомолекулярные
скопления, выделяющиеся из раствора в форме видимых под микро-
скопом образований — коацерватных капель.
На фиг. 1 приведена микрофотография коацерватных капель,
образующихся при синтезе полиаденина из АДФ в присутствии
гистона. Интересно, что в связи с образованием капель равновесие
реакции полимеризации резко смещается в сторону синтеза, что
видно из сравнения кривых, приведенных на фиг. 2.
Фиг. 1. Коацерватные капли, образующиеся при синтезе полиаденина
в присутствии гистона.
338
А. И. Опарин
Гистон в нашем опыте может быть заменен и другими неспе-
цифическими полипептидами. Так, например, на фиг. 3 приведена
фотография, иллюстрирующая образование капель из полиаденина
и полилизина.
Конечно, в условиях «первичного бульона» наряду с коацерва-
тами могли возникать и другие многомолекулярные образования
(например, пузырьки Гольдейкра или микросферы Фокса). Иссле-
дование этих образований как исходных для возникновения жизни
систем также представляет существенный интерес. Однако мы
15 30 Ц5 во
Время, мин
Фиг. 2. Синтез полиаденина в растворе (/) и в коацерватных каплях (2).
По оси ординат отложено количество синтезированного полиадснина, выраженное числом
микромолей Р.
в своих опытах, проводимых в Институте им. Баха и на кафедре
биохимии растений МГУ совместно с Евреиновой, использовали
коацерватные капли, потому что они представляются нам наиболее
удобными моделями для воспроизведения в лабораторных условиях
тех возможных путей, которыми шло начальное формирование обме-
на веществ. При образовании коацерватных капель происходит
очень высокое концентрирование полимеров. Несмотря на свою
жидкую консистенцию, капли обладают некоторой внутренней
структурой и резкой границей раздела с внешней средой.
На фиг. 4 приведена электронная микрофотография капель,
состоящих из сывороточного альбумина, гуммиарабика и РНК,
снятая в газовой микрокамере (без предварительного высушивания).
На следующей фотографии (фиг. 5) дана капля с включенной в нее
рибонуклеазой; в течение 20 мин инкубации произошел частичный
гидролиз РНК капли. Здесь неоднородность капли особенно
заметна.
Коацерватные капли способны избирательно поглощать и кон-
центрировать в себе разнообразные вещества из окружающего
Фиг. 3. Коацерватные капли, содержащие полипептиды и полинуклеотиды.
А — капли, содержащие РНК и полилизин; Б — капли, содержащие полиаденин и поли-
лизин.
Фиг. 4. Коацерватная капля в газовой микрокамере (электронная микро-
фотография).
340
А. И. Опарин
раствора. Концентрирование в каплях каких-либо других веществ,
например аминокислот, происходит очень избирательно и зависит
от состава капель.
Если поступающие в каплю вещества подвергаются в ней более
быстрым химическим превращениям, чем во внешней среде, то
капли приобретают свойства открытых систем, самое существова-
ние которых определяется их взаимодействием с внешней средой.
Этого легче всего достигнуть, включая в капли соответствующие
легко адсорбируемые каплей катализаторы.
Фиг. 5. Коацерватная капля, содержащая рибонуклеазу, в газовой камере
электронного микроскопа.
В течение 20 мин. произошел частичный гидролиз РНК капли.
Для построения своих коацерватных моделей мы брали белки,
нуклеиновые кислоты и другие полимеры, выделенные нами
из современных организмов; в качестве же катализаторов мы
использовали препараты ферментов. Мы хорошо сознаем условность
такого приема, поскольку совершенно ясно, что указанных высо-
коорганизованных веществ не могло быть в «первичном бульоне»
земной гидросферы. Но как было только что продемонстрировано,
коацерватные капли могут быть образованы и из неспецифических
полимеров, а ферменты в дальнейших опытах могут быть заменены
менее совершенными органическими и неорганическими катализа-
торами. Однако на данной начальной стадии исследования исполь-
зование природных полимеров и ферментов давало нам в руки
неоценимые преимущества.
Если в коацерватную каплю, образованную из гуммиарабика
и гистона при pH 6,0—6,2, включить фосфорилазу из картофеля,
а в окружающей жидкости растворить глюкозо-1-фосфат, то в кап-
Пути начального формирования обмена и моделирование этого процесса 341
лях начинает накапливаться крахмал, что легко обнаружить
по иодной пробе. Но если в каплю дополнительно включить еще
и [3-амилазу, то крахмал начинает разлагаться до мальтозы, кото-
рую при этом можно обнаружить во внешней среде. Таким образом,
весь процесс можно изобразить в виде нижеследующей схемы
(фиг. 6) потока веществ через коацерватную каплю (на схеме изобра-
жена прямоугольником).
Фермент Фермент2 |
Глюкозо-I-фосфат —> Глюкозо-1-фосфат----->• Ф -{-Крахмал-----:—л Мальтоза ——>Малыоза
ф
н
Фиг. 6. Синтез и гидролиз крахмала в коацерватной капле.
В зависимости от соотношения скоростей процессов количество
полимера (крахмала), образующегося в капле за счет веществ
внешней среды, может увеличиваться, причем капля будет расти
или, наоборот, уменьшаться и разрушаться.
Фиг. 7. Увеличение объема коацерватной капли в результате синтеза в ней
крахмала.
На фиг. 7 изображена кривая последовательного роста объема
капли за счет синтезируемого в ней крахмала.
Аналогичным образом можно вызвать как ферментативный рас-
пад, так и ферментативный синтез нуклеотидов, входящих в состав
коацерватной капли. Схема такого синтеза дана на фиг. 8. Здесь
в коацерватную каплю, образованную из РНК и гистона, вклю-
чалась бактериальная полинуклеотидфосфорилаза, а в качестве
субстрата служил растворенный во внешней среде аденозиндифос-
342
А. И. Опарин
фат (АДФ). В этих условиях (pH 9,5) в каплях происходило накоп-
ление полинуклеотида за счет АДФ, поступающего из внешней
среды, а обратно в среду выходил неорганический фосфат.
Таким образом, мы располагаем моделями многомолекулярных
открытых систем, которые в результате ускорения совершающихся
в них процессов могут расти за счет веществ, поступающих из окру-
жающего их раствора, или, наоборот, распадаться.
АДФ
Фермент
-> АДФ--------> Поли-А + Фн
Фн
Фиг. 8. Схема синтеза полиаденина в коацерватной капле при действии
фермента полинуклеотидфосфорилазы.
Однако рост наших моделей мог осуществляться только при
наличии во внешней среде богатых энергией фосфорных соедине-
ний. Такие соединения, по-видимому, присутствовали в «первичном
бульоне» лишь в ограниченных количествах и должны были ока-
заться использованными уже на первых стадиях эволюции исходных
систем. В дальнейшем эти системы могли существовать и расти
над-н2
Фермент
> НАД-Н2+ДФИ--------> НАД + ДФИ-Н2
_>ДФИ-Н2
ДФИ
НАД
Фиг. 9. Схема действия НАД-Н2-дегидрогеназы в коацерватной капле.
только в том случае, если в них самих создавались предпосылки
для образования макроэргических соединений из рядовых веществ
окружающей среды.
Данные сравнительной биохимии показывают, что в основе
обмена любого современного организма, помимо реакций полиме-
ризации, лежат также реакции анаэробного окисления — восста-
новления и сопряженного с ними фосфорилирования.
Включая в коацерватные капли соответствующие катализаторы,
мы получили модели систем, в которых протекают окислительно-
восстановительные реакции согласно схеме, изображенной на фиг. 9.
Здесь НАД-Н2 поступает из внешнего раствора в каплю, где при
содействии бактериальной оксидоредуктазы передает свой водород
красителю. Продукты реакции выделяются во внешнюю среду.
На фиг. 10 дана схема более сложной окислительно-восстано-
вительной модели, работающей с участием света и хлорофилла
Пути начального формирования обмена и моделирование этого процесса 343
(фиг. 11). Аскорбиновая кислота, поступая в каплю, отдает свой
водород хлорофиллу, что происходит только при участии кванта
света; затем хлорофилл передает водород красителю, поступаю-
щему из окружающего раствора, а сам регенерируется до своего
hv
Лск-Н2
•Аск-I12 + Хл 4- hv — Аск 4~ XлН2 + МК —> Хл + МКН2-------------
МКН2
Аск
МК
Фиг. 10. Схема окисления аскорбиновой кислоты в коацерватной капле,
содержащей хлорофилл.
Аск — аскорбиновая кислота; МК — метиловый красный.
первоначального состояния. Соответствующие продукты реакции
(дезоксиаскорбиновая кислота и восстановленный краситель) посту-
пают в окружающий раствор. Опыты по моделированию сопряжен-
ного анаэробного фосфорилирования в коацерватных каплях дали
Фиг. И. Коацерватные капли, в которые включен хлорофилл,
интересные результаты, но они еще не могут считаться закончен-
ными, и поэтому я их здесь не излагаю.
На этом я заканчиваю изложение экспериментальной части
своего доклада, но хотел бы сделать некоторые выводы, касающиеся
путей дальнейшей эволюции открытых многомолекулярных систем,
подобных нашим коацерватным моделям. Конечно, эти выводы
носят пока еще умозрительный характер, но они могут представ-
344
А. И. Опарин
лять интерес для постановки дальнейших опытов в указанном
направлении.
Ясно, что подобные нашим коацерватным моделям системы,
в которых протекают окислительно-восстановительные реакции,
сопряженное фосфорилирование и полимеризация, могли не только
длительно существовать, но и расти в растворе веществ, наличия
или даже изобилия которых мы вправе ожидать в «первичном
бульоне».
Основанная на комплементарности репликация содержащихся
в каплях полинуклеотидов при их синтезе за счет мономеров среды
способствовала сохранению постоянства состава разрастающихся
капель. Но главное заключалось в том, что такие капли все время
избирательно поглощали из внешней среды одни и те же органиче-
ские и неорганические катализаторы, и неизменно сохраняли в себе
их повышенную концентрацию, а следовательно, и постоянство
соотношения скоростей совершавшихся в каплях реакций. Сме-
щение этих соотношений приводило или к убыстрению роста, или
к гибели, распаду данной системы. Это явилось предпосылкой для
возникновения естественного отбора такого рода систем.
Маловероятно, чтобы отдельные капли все время разрастались
как единая масса. В условиях первичной гидросферы Земли они
обязательно должны были дробиться под влиянием внешних меха-
нических сил (например, ударов волн или прибоя) наподобие дроб-
ления капель эмульсии при ее встряхивании.
Такого рода взаимодействующие с внешней средой, растущие
и увеличивающиеся в своем числе системы все более и более совер-
шенствовали организацию своего вначале очень примитивного
обмена в процессе естественного отбора.
Для первоначального сочетания небольшого числа реакций
было достаточно действия относительно простых катализаторов —
неорганических солей и органических соединений, а также их
более или менее каталитически активных комплексов. Естественный
отбор способствовал сохранению наиболее удачных из этих ком-
плексов, и они дошли до нас в виде коферментов. Число этих спе-
цифических катализаторов очень невелико, но они являются уни-
версальными ускорителями реакций у всех современных живых
существ, что указывает на их очень раннее образование в процессе
возникновения и развития жизни.
Необходимое постоянство концентрации коферментов в раз-
растающихся системах могло поддерживаться не только их синте-
зом, но и постоянством поступления их из внешней среды, напо-
добие того как это имело место для простейших неорганических
и органических катализаторов. Использование организмом витами-
нов дает нам пример подобного явления у современных живых
систем.
Пути начального формирования обмена и моделирование этого процесса 34-5
Однако при дальнейшем усложнении обмена коферменты пере-
стали удовлетворять потребностям совершенствующихся живых
систем; прогрессивная эволюция пошла в направлении возникно-
вения целого арсенала новых, гораздо более мощных катализато-
ров — ферментов, т. е. белков, обладающих строго определенным
расположением аминокислотных остатков в их полипептидной цепи.
Первично возникавшие белковоподобные полимеры со случай-
ным, беспорядочным расположением аминокислотных остатков
были, по-видимому, или совсем лишены каталитической активности
или же являлись очень плохими катализаторами. Из множества
возникавших при неспецифической полимеризации вариантов бла-
годаря действию естественного отбора сохранялись только те,
участие которых в метаболизме данной системы способствовало ее
более длительному существованию, росту и размножению. Так
происходило постепенное совершенствование как всей живой системы
в целом, так и ее отдельных механизмов. В частности, все более
и более приспосабливались к выполнению своих биологических
функций как ферментные белки, так и связанные с их синтезом
нуклеиновые кислоты, которые при этом также должны были отби-
раться по признаку строго определенного расположения мономеров-
в полинуклеотидной цепи, что являлось необходимым условием
для постоянства синтеза ферментов в биологических системах.
ОБСУЖДЕНИЕ ДОКЛАДА
Валлентайн. Мне бы хотелось упомянуть об одном инте-
ресном факте, обнаруженном Гордоном Райли (Йельский универ-
ситет). Я имею в виду появление в морской воде частиц, наблюдав-
шееся зимой и ранней весной. Очевидно, появление в растворе
частиц не является биологическим процессом; его можно вызвать-
обычным пропусканием воздуха или азота через морскую воду,
предварительно освобожденную от частиц путем фильтрования.
Опарин. Я был бы вам благодарен, если бы вы дали мне
ссылку на эту работу.
Валлентайн. Riley G. A., Limnology and Oceano-
graphy, 8, 372—381 (1963).
О р о. Я хотел бы узнать, во-первых, откуда были взяты пробы
морской воды и, во-вторых, не содержались ли в органическом,
веществе углеводороды?
Валлентайн. Это была вода, взятая в проливе Лонг-
Айленд.
Оро. Подобные случаи отмечались неоднократно. Так, д-р Викс
сделал на симпозиуме по происхождению нефти (Техасский универ-
ситет, октябрь 1962 г.) сообщение о том, что на южном берегу
Австралии (а также в Новой Зеландии) несколько раз в году можно
346
А. И. Опарин
наблюдать появление нефти, которую приносит океан. Меня заин-
тересовало происхождение этой нефти. Оказалось, что она выходит
из месторождений, находящихся где-то на дне океана, довольно
далеко от берега; под действием геологических сил эта нефть была
выброшена в океан и в конце концов осела в виде капелек и частиц
на берегу. В связи с этим мне хотелось бы узнать, не думаете ли вы,
что происхождение органического вещества в упомянутом вами
случае является небиологическим?
Валлентайн. Именно это я и хотел сказать.
Стейнбах. Мне кажется, что можно найти много образова-
ний, напоминающих коацерваты, которые, по всей вероятности,
все-таки представляют собой продукты разрушения организмов.
Валлентайн. Об этих частицах следует сказать еще кое-
что: во-первых, они обычно возникают после интенсивного размно-
жения планктона и, во-вторых, они способны поглощать азот
из воды.
Стейнбах. Могу ли я задать вопрос одновременно д-ру Опа-
рину и д-ру Добжанскому?
При рассмотрении дарвиновского естественного отбора возни-
кает вопрос, в чем заключается различие между отбором молеку-
лярных видов и отбором целых систем, содержащих эти молекуляр-
ные единицы? Вы исследуете коацерваты, для образования которых
не требуется никакой информации; их образование связано в основ-
ном с присутствием некоторых быстро реагирующих молекул.
Можно ли считать, что такая система подвергалась биологическому
отбору?
Опарин. По-видимому, при возникновении в процессе эво-
люции новых форм организации можно ожидать появления любой
новой закономерности. Не следует думать, что, скажем, сначала
возникла жизнь, а затем уже появились биологические закономер-
ности. Возникновение жизни и формирование этих закономерно-
стей протекали параллельно. Это можно хорошо иллюстрировать
на примере другого этапа существования материи, а именно на при-
мере происхождения человека и возникновения социальных форм
движения материи.
Нельзя утверждать, что до какого-то определенного года этих
форм человеческих взаимоотношений вообще не было, а по проше-
ствии этого года они вдруг появились. Процесс становления совре-
менных форм человеческого общества хорошо известен, и мы знаем,
что он был длительным. То же самое справедливо и для происхож-
дения жизни.
Естественный отбор в его совершенной биологической форме
возник на более поздних этапах развития.
Что же мы наблюдаем в той гипотетической системе, модель
которой я пытался воссоздать при помощи коацерватных капель?
Пути начального формирования обмена и моделирование этого процесса 347
Представим себе, что в нашем распоряжении находится ряд систем,
подобных вышеописанной. Эти системы взаимодействуют с окру-
жающей средой согласно принципам, по которым работают откры-
тые системы. Одни вещества и связанная с ними энергия входят
в эти системы, а другие выходят из нее в виде продуктов распада.
Это как раз то, что я пытался показать на примере возникновения
и разрушения крахмала.
Если ускорить процесс 1, т. е. процесс проникновения и син-
теза веществ в капле, то это приведет к ускоренному увеличению
размера капли. Если же ускорить процесс 2, то это приведет к более
быстрому распаду капли на составляющие части. Безусловно, это
грубая аналогия, но на такого рода примере можно видеть, что
капля в первом случае сохраняется, а во втором — исчезает. Таким
образом, внутренняя организация определяет судьбу капли, т. е.
будет ли эта капля продолжать существование или распадется
в данных условиях внешней среды. Некоторые формы организации
при этом сохранятся, а другие исчезнут.
Это уже и есть начальные элементы отбора. Конечно, они еще
очень далеки от дарвиновского отбора, однако эти элементы являют-
ся той отправной точкой, с которой началось его формирование.
Отбор такого рода мог возникнуть только при наличии не одной
реакции, а сочетания нескольких различных реакций, например
полимеризации, окисления — восстановления и фосфорилиро-
вания.
Таким образом, судьба отдельной капли определяется совер-
шенством взаимодействия этих трех реакций. А это взаимодей-
ствие в свою очередь определяется соотношением скоростей указан-
ных реакций. Следовательно, возможность длительного существо-
вания систем подчинена соотношению скоростей протекающих
в системах (каплях) реакций.
Конечный результат будет в данном случае зависеть от тех же
факторов, от которых зависит метаболизм организмов, поскольку
организация метаболизма в том смысле, в каком понимает ее
Хиншельвуд, как раз и определяется соотношением скоростей
составляющих процессов. По-моему, относительные скорости опре-
деляются всей организацией данной системы коацервата, т.е. его
химическим составом, катализаторами, структурой и т. д. Любое
изменение этих факторов приведет или к увеличению динамической
устойчивости системы или, наоборот, к снижению этой устойчивости,
а значит, к разрушению системы. Таким образом, в данном слу-
чае мы изучаем явление, приближающееся к биологическому обмену
веществ, который, собственно, и подвергается отбору.
Мора. На мой взгляд привлечение понятия «селективность»
для объяснения возникновения первой устойчивой самовоспроизво-
дящейся единицы биологической системы является нежелательным
348
А. И. Опарин
обобщением дарвиновского понятия «отбор»; при этом происходит
путаница понятий.
О п а р и н. На мой взгляд это проблема семантики. Ведь может
же быть так, что вы начнете с простого отбора, затем перейдете
к естественному отбору и, наконец, к дарвиновскому естественному
отбору. Желательно было бы, конечно, выработать для понятий
нашей области исследования специальные термины. Если термины
«отбор» и «естественный отбор» должны означать «дарвиновский
отбор» или «дарвиновский естественный отбор», то тогда необходим
какой-то новый термин.
Фокс. По моему мнению, последнее утверждение можно при-
нять в том случае, если допустить, что в предбиологических усло-
виях коацерватные капли состояли не из желатины, а включали
в себя полимеры, возникающие в простейших образованиях в резуль-
тате процессов, которые мы сейчас обсуждаем.
Я считаю, что как в природе, так и особенно в лаборатории
можно найти много полимеров, обладающих разнообразными мор-
фологическими свойствами.
Под термином «доклеточная организация», мне кажется, следует
понимать ту группу процессов, которая привела к образованию
полимеров из более простых единиц. Подобные полимеры, вероятно,
обладали способностью к морфогенезу еще до появления жизни;
они вступали в отношения «конкуренции» и подвергались «отбору».
Такой отбор мог происходить по крайней мере среди полимеров,
образующихся за счет одного из путей синтеза, который привел
к возникновению самовоспроизводящихся систем, потомками кото-
рых являемся мы сами.
Мне кажется, что в этом смысле существует некий предбиологиче-
ский отбор; все сводится к тому, чтобы указать, какой же момент в эво-
люционной цепи следует считать началом дарвиновской эволюции.
Буханан. Существует ли метод, позволяющий выяснить,
какая доля реакций протекает на поверхности капли, а какая
внутри нее?
Опарин. Этот вопрос сейчас изучается; согласно предвари-
тельным данным, различные реакции протекают в различных
участках. Синтез крахмала происходит внутри капли, но еще
не ясно, где совершается синтез нуклеотидов и полинуклеотидов.
Г а ф ф р о н. Среди реакций, протекавших в коацервате, кажет-
ся, упоминалась реакция Красновского: взаимодействие хлоро-
филла и аскорбата. Если это так, то есть ли преимущества в ско-
рости протекания этой реакции? Происходят ли реакции в случае
коацерватных капель быстрее, нежели в гомогенной среде?
Опарин. Если пересчитать скорости на объем капли, то
получаются скорости, в несколько десятков или даже сотен раз
большие.
Пути начального формирования обмена и моделирование этого процесса 349
Поннамперума. В описанных вами коацерватах в одном
случае использовался полилизин, а в другом гистон. Означает ли
это, что щелочной белок благоприятен для образования коацер-
вата?
Опарин. Гистон использовался для создания в коацервате
щелочной среды (pH 9,5), которая благоприятна для синтеза поли-
нуклеотида. Если же преследовалась другая цель — синтез крах-
мала, то для этого использовались другие компоненты. Однако
гистон играет довольно интересную роль в процессе формирования
коацервата. В его присутствии образуется наилучший нуклеотид-
ный коацерват.
Гроссенбахер. По-видимому, такой тип коацервата мог
бы быть идеальной основой для структуры клеточных органелл.
Но как нам перейти от органелл к клетке? Ведь в клетках содер-
жится много органелл.
Опарин. Для того чтобы это произошло, потребовался мил-
лиард лет.
Фокс. Бунгенберг де Йонг много лет назад высказал мысль
о том, что можно получить коацерватные капли, в которых содер-
жались бы более мелкие капли и другие структуры.
Гроссенбахер. Считаете ли вы, что коацерватные капли
могли расти до таких размеров, что затем превращались в клетки
и содержали в себе другие коацерватные капли?
Опарин. Живые клетки, вероятно, имеют значительно более
сложное строение. В общем, согласно Бунгенберг де Йонгу, про-
топлазма имеет коацерватную структуру. Однако это представле-
ние является упрощенным, поскольку поверхностная структура
клетки, липоидные оболочки и липоидные поверхности не иден-
тичны коацерватным каплям.
Американский исследователь Ганс Рис (штат Висконсин), посе-
тивший недавно Советский Союз, выдвинул идею, сходную с теми
представлениями, которые развивал у нас Мережковский, а именно
что клетка имеет симбиотическую природу. Нужно сказать, что
для того времени эта идея была слишком смелой. Но ведь эти пред-
ставления вполне можно развивать и в настоящее время, предполо-
жив, что образование клеток шло по пути постепенной агрегации
симбиотических компонентов. Рис приводил в подтверждение своей
идеи ряд интересных электронных микрофотографий.
Блуа. Оценивал ли проф. Опарин влияние ультрафиолетового
света на эти частицы?
Опарин. Нет, специальных опытов не проводилось. Однако
по аналогии с действием видимого света можно было бы думать, что
ультрафиолет окажет известное действие.
Фокс. Профессор Опарин рассматривал предбиологический
отбор как путь, при помощи которого в природе в коацерватных
350
А. И. Опарин
каплях могла возникать устойчивость, характерная для клеток.
Однако, насколько мне известно, коацерватные капли в отличие
от клеток, как правило, крайне неустойчивы. Коацерваты
способны, например, разрушаться при центрифугировании
в обычной центрифуге, применяемой для анализов в клинике.
Я хочу подчеркнуть, что, хотя мы не отвергаем предложенный
проф. Опариным подход к созданию более устойчивой модели, чем
коацерватная капля, мы тем не менее считаем, что есть и другая
возможность для исследований — это система, которую мы
с д-ром Янгом хотим представить на ваше обсуждение.
О п а р и н. Я бы хотел добавить, что в своих опытах мы исполь-
зовали также протеиноиды, любезно предоставленные нам
д-ром Фоксом. У нас получились весьма интересные результаты,
однако нам не хватило материала. Я надеюсь, что мы сможем полу-
чить для работы еще некоторое количество протеиноидов.
Фокс. Конечно.
МОРФОЛОГИЯ и ХИМИЯ ПРОТЕИНОИДНЫХ МИКРОСФЕР
р. я н г
Exobiology Division, National Aeronautics and Space Administration,
Ames Research Center, Moffett Field, California
В настоящее время удалось показать в лаборатории, каким
образом возникают химические процессы, приводящие к появле-
нию живых систем. Становится все более очевидным тот факт, что
примитивная восстановительная атмосфера состояла из метана,
аммиака и воды, которые под воздействием разнообразных форм
энергии (ультрафиолетовые лучи, нагревание, электрические раз-
ряды, ионизирующее излучение и т. д.) давали начало ряду орга-
нических соединений. Многие из таких соединений (например,
аминокислоты, пурины, пиримидины) являются биологически важ-
ными, поскольку они представляют собой основные компоненты
органелл живых клеток (клеточных стенок, протоплазмы, ядерного
вещества). Как показали недавние исследования, при наличии
соответствующего источника энергии из этих органических соеди-
нений возникают более сложные молекулы белковоподобных соеди-
нений или компонентов нуклеиновых кислот [2, 4, 7, 8].
Таким образом, ясно, что на каком-то этапе химической эволю-
ции первичной планеты в океане возникли все необходимые ком-
поненты для синтеза живых единиц. Начальные этапы синтеза
многих биологически важных молекул еще до сих пор не воспро-
изведены, однако можно надеяться, что эти этапы удастся экспери-
ментально воссоздать в недалеком будущем.
В наших знаниях имеется существенный пробел. Мы не знаем,
что происходило в период между эпохой первичного океана, в кото-
ром были растворены отдельные химические вещества, и тем вре-
менем, когда возникла первая клетка, обладающая способностью
к репликации и мутированию, а также обменом веществ; поэтому
я хотел бы высказать ряд предположений с целью попытаться хотя
бы частично восполнить этот пробел.
Многие современные ученые полагают, что «началом» жизни
была молекула нуклеиновой кислоты или нуклеопротеида. Нуклеи-
новые кислоты служат матрицами для клеточных синтезов. По дан-
ным Корнберга [5] и других авторов, ДНК при определенных усло-
виях способна удваиваться и за пределами клетки. Однако такое
352
Р. Янг
удвоение возможно только в присутствии в инкубационной среде
различных сложных компонентов клетки; даже если допустить,
что первичная нуклеиновая кислота была значительно проще, то
все равно трудно себе представить, что первичный океан мог содер-
жать все эти компоненты и служить подходящей средой для такой
реплицирующейся системы. Более вероятно, что первичная репли-
цирующаяся система была окружена особой средой, в которой
находились необходимые соединения и из которой удалялись веще-
ства, препятствующие процессу репликации. В современных клет-
ках функцию создания такой среды несут клеточные мембраны,
представляющие собой избирательно проницаемый барьер, состоя-
щий из белка и липида. Благодаря мембране в клетке создаются
условия, необходимые для осуществления обмена веществ и вос-
произведения. Трудно себе представить живую единицу, пусть
даже самую примитивную и простую, без такого рода приспособ-
ления.
Поэтому мы должны признать, что в первичном океане существо-
вали некие специализированные единицы (быть может, белок и ли-
пид или только липид), создававшие для воспроизводящейся мат-
рицы избирательную среду, накапливавшие молекулы, необходимые
для процесса репликации, и удалявшие из среды другие молекулы.
Имеются некоторые эксперименты, позволяющие представить,
каким образом все это могло происходить. Опарин [6] вслед за Бун-
генберг де Йонгом показал, что при простом смешении растворов
различных белков и других высокомолекулярных веществ обра-
зуются коацерватные капли. После образования белковых коацерва-
тов в них начинает происходить миграция молекул, образуется
поверхностный слой с изменяющейся структурой и механическими
свойствами. Коацерваты часто имеют характерную внутреннюю
структуру, заметно отличающуюся от структуры простых жидких
капель. Согласно данным Опарина, эти коацерваты обладают высо-
кой адсорбционной способностью по отношению к различным орга-
ническим веществам окружающей среды, причем эта адсорбция
избирательна. Опарин полагает, что коацерваты являются наибо-
лее вероятной формой организации многомолекулярных систем
и что они создают основу для дальнейшей эволюции. Коацерват,
по убеждению Опарина, является той примитивной единицей,
которую можно рассматривать как избирательный барьер, за кото-
рым могла бы располагаться молекулярная система, способная
к репликации. Однако структура коацерватов довольно нестабильна;
кроме того, с помощью этой модели нельзя объяснить возникнове-
ние молекул большого молекулярного веса (в том числе белков),
необходимых для образования самих коацерватов.
Большой интерес в качестве возможных предшественников клет-
ки представляют микросферы [31. Эти образования, описанные
Морфология и химия протеиноидных микросфер 353
Фоксом и Харадой, возникают при растворении и при последующей
конденсации протеиноидов. Эти системы имеют определенные пре-
имущества перед коацерватами, поскольку структурно они более
устойчивы и образуются из веществ, синтезированных в более
примитивных условиях.
Поэтому нетрудно поверить в то, что процесс образования мик-
росфер, так легко воспроизводимый в лабораторных условиях, имел
место и в природе при наличии исходных составляющих компонен-
тов. Конечно, о роли подобных образований в процессе возникно-
вения клетки в настоящее время можно лишь отвлеченно рассуж-
дать, но существование таких образований было вполне реально.
Фокс [1] считает, что белок мог впервые образовываться на по-
верхности Земли вблизи областей с повышенной температурой, где
смесь накопившихся аминокислот нагревалась, полимеризовалась
и затем вымывалась в океан. Фокс [1] установил, что полимериза-
ция аминокислот может происходить в присутствии полифосфорной
кислоты при температуре ниже 70°. Мы показали недавно, что
такая полимеризация идет при 25° в присутствии этилового эфира
полифосфорной кислоты. Вполне возможно, что метафосфат не при-
сутствовал в больших количествах на Земле в примитивных усло-
виях; однако его вполне могли бы заменить полифосфаты. Фокс
показал, что при охлаждении растворенного в кипящей воде про-
теиноида образуются однородные микросферы. Сейчас мы полу-
чаем микросферы из протеиноида путем снижения температуры его
насыщенного раствора от 25 до 0°; в этом случае нагревания не тре-
буется. На фиг. 1 изображены микросферы, полученные этим
методом. Видны микросферы, находящиеся на различных стадиях
«почкования». Такое «почкование» можно вызвать несколькими
способами, и в том числе изменением pH среды. На фиг. 2 пред-
ставлена «почкующаяся цепь» микросфер, возникающая при охлаж-
дении раствора протеиноида. Подобные структуры образуются
не из-за слипания отдельных микросфер, хотя скопления микро-
сфер можно наблюдать при определенных условиях. На фиг. 3
представлена типичная популяция микросфер, образованная
в результате кипячения протеиноида в воде и последующего его
охлаждения. В этом случае также наблюдается «почкование».
В действительности здесь мы имеем дело скорее с процессом деле-
ния, чем со слипанием, как это можно было установить при помощи
цейтраферной съемки. На фиг. 4 видны цепи микросфер (препарат
получен путем легкого надавливания на предметное стекло). Добав-
ление к кислому протеиноиду небольших количеств (1 вес.%) основ-
ного белка, такого, как гистон, оказывает заметное влияние
на морфологию микросфер. На фиг. 5 можно видеть одну большую
(25 мк) бластулоподобную микросферу, образованную из такого
рода смеси. На фиг. 6 представлены два других типа микросфер,
Фиг.
I. Микросферы, полученные при охлаждении
протеиноидного раствора от 25 до 0“.
Видно «почкование» микросфер (Х900).
Фиг. 2. «Почкующаяся цепь» микросфер (Х900).
Морфология и химия протеиноидных микросфер
355
образованных из протеиноида и гистона. Одна из них имеет «двой-
ную мембрану», другая представляет собой толстостенную полую
структуру. Они образовались в растворе гистона в хлористом каль-
ции, в котором обычно происходят типичные изменения размеров
Фиг. 3. Микросферы, полученные путем кипячения протеиноида в воде
с последующим охлаждением (X 900).
и структуры оболочек микросферы. На фиг. 7 показана плотная,
сетчатая матрица протеиноида, смешанного с гистоном. На фиг. 8
представлен срез залитой в парафин микросферы с толстостенной
структурой; толщина среза 5 мк.
Размеры и морфология микросфер чрезвычайно многообразны,
причем структура их зависит от внешних условий. Изменения кон-
Фиг. 4. Цепочки микросфер, полученные путем легкого, но продолжитель-
ного надавливания на образованные микросферы (X 900).
т. 5. Микросфера, полученная из протеиноида в смеси с одним весовым
процентом гистона (X 900).
Фиг. 7. Сетчатая масса протеиноида (X 600).
Фиг. 6. Микросферы, полученные из протеиноида
и гистона в CaClj; видны «двойные мембраны»
(X 900).
358
Р. Янг
концентрации солей или ионного состава вызывают соответствую-
щие изменения в образующихся микросферах. Температура, pH,
давление, различная обработка уже образованных микросфер — все
это оказывает влияние на их морфологию. Структура микросфер
Фиг. 8. Срез (толщина 5 мк) типичной микросферы, заключенной в парафин
(X 600).
настолько стабильна, что центрифугирование при высоких скоро-
стях, лиофилизация, нагревание и другие воздействия не нару-
шают целостность микросфер. В то же время простое встряхивание
раствора микросфер приводит к образованию фрагментов и
к увеличению числа сфер, что при определенных условиях может
быть ошибочно принято за деление.
Обсудив морфологические свойства микросфер, перейдем к опи-
санию их химических свойств. Нам удалось показать [8], что
в процессе обычного протеиноидного синтеза из аминокислот обра-
зуется гуанин; недавно мы показали, что в процессе такого синтеза
образуются также жирные кислоты. Все эти факты, а также ряд
других данных заставляют считать микросферы крайне интересным
объектом для изучения возможных путей образования клеток.
Морфология и химия протеиноидных микросфер 359
Камень преткновения в наших попытках понять происхождение
жизни — невозможность представить себе те процессы, которые
являются промежуточными между химической эволюцией и воз-
никновением первой самовоспроизводящейся и метаболизирующей
единицы, которая называется клеткой. Мы теперь представляем
себе, каким образом отдельные молекулы, необходимые для живой
системы, могли синтезироваться в примитивных условиях Земли.
Мы можем также представить, как одновременно синтезировалась
защитная структура, обеспечивающая высокоспециализированную
окружающую среду, наиболее благоприятную для обмена веществ
и для самовоспроизведения. Хотя нам, по-видимому, никогда
не удастся полностью воспроизвести ту цепь условий, которая
привела к возникновению жизни, мы все-таки сможем понять
и продемонстрировать возможные пути химической и биологиче-
ской эволюции. Микросфера (или коацерват) могут отражать какой-
либо из этих путей, а могут и не отражать его. Во всяком случае,
исследования, проводимые с синтетическими моделями клеток,
несомненно, являются по крайней мере столь же надежным под-
ходом к выяснению проблемы происхождения жизни, как, к при-
меру, препарирование современных клеток, которые в эволюцион-
ном смысле отстоят так же далеко от «первых» клеток, как и от
продуктов химической эволюции на примитивной Земле. Действи-
тельно, поскольку эволюция является своего рода логарифмиче-
ским процессом, современная клетка, вероятнее всего, представ-
ляет собой весьма сильно измененный вариант своего простейшего
предшественника, если, конечно, простейшая клетка со времени
своего возникновения не осталась полностью неизменной. Так или
иначе, применение микросфер в качестве клеточной или доклеточ-
ной модели является рациональным и плодотворным подходом
к познанию путей возникновения клеточной жизни.
ЛИТЕРАТУРА
1. F о х S. W., Science, 132, 200 (1960).
2. F о х S. W., Harada К., J. Am. Chem. Soc., 12, 3745 (1960).
3. Fox S. W., Harada K., Kendrick I., Science, 129, 1221
(1959)
4. Harada K., Fox S. W., Arch. Biochem. Biophys., 86, 274 (1960).
5. Kornberg A., Science, 131, 1503 (1960).
6. О и a p и н A. И., The origin of life on the Earth, Academic Press, New
York (1957).
7. О r 6 J., Nature, 197, 862 (1963).
8. Ponnamperuma C., Lemmon R. M., Mariner R., С a 1-
v i n M., Proc. Nath. Acad. Sci., U.S., 49, 747 (1963).
9. Ponnamperuma C., Young R.S.,MunozE., McCawB.,
Science, 143, 1449 (1964).
360
Р. Янг
ОБСУЖДЕНИЕ ДОКЛАДА
Стейнбах. Я хотел бы отметить, что интерес к модели
этого типа или к коацерватам возрастает регулярно через каждые
25 лет, причем каждый раз этот интерес приобретает все более
веское обоснование. Было бы интересно выслушать мнение д-ра Опа-
рина на этот счет.
Опарин. Мне бы хотелось узнать, сделаны ли эти прекрас-
ные электронные микрофотографии с фиксированных или с нефик-
сированных объектов.
Фокс. Да, они фиксированы осмиевой кислотой.
Опарин. Ваши результаты производят очень большое впечат-
ление, однако при фиксировании возникает много нарушений,
поэтому лучше рассматривать нефиксированный материал.
Фокс. Аналогичные результаты были получены также при
использовании оптического микроскопа без предварительной фик-
сации микросфер.
Опарин. До войны один мексиканский исследователь, по имени
Эррера, прислал мне ряд микроскопических препаратов, полу-
ченных искусственным путем, а в некоторых случаях даже из неор-
ганических веществ. Эти препараты были переданы мною очень опыт-
ному микроскописту. Он не только решил, что они приготовлены из
живых объектов, но даже классифицировал их. Однако это были
чистейшие артефакты.
Я далек от мысли, что эти фотографии в какой-то мере сравнимы
с препаратами Эрреры, но я все-таки советую быть в этом отноше-
нии особенно осторожным.
Поскольку приведенные микрофотографии сами по себе пре-
красны, следует особенно критически подходить к их оценке.
РЕЧЬ ПРЕДСЕДАТЕЛЯ
С. ФОКС
Institute for Space Biosciences, Florida State University,
Tallahassee, Florida
Я хочу воспользоваться предоставленной мне возможностью,
чтобы высказать благодарность всем тем, кто помог нам в организа-
ции и проведении настоящей конференции.
Во время работы над докладом я был вынужден отвлекаться
для того, чтобы следить за подготовкой конференции. Боюсь, что
это отразилось на докладе, который получился не совсем стройным.
С моей точки зрения, участники этой или аналогичной конферен-
ции вправе говорить не о вероятности, а обсуждать возможность
протекания определенных реакций в предбиологический период.
Уже затем, основываясь на экспериментах, мы можем говорить
о тех возможностях, которые укладываются в определенную после-
довательность.
В связи с этим мне вспоминается замечание д-ра Акабори об
истинном значении конференции в Вакулла-Спрингс. Я также
уверен, что, если мы уступим витализму в какой-либо из его мно-
гочисленных разновидностей, мы уже не сможем идти по пути
познания и окажемся в плену реакционных догм, которые пара-
лизуют наши действия в самом начале.
МОДЕЛЬНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО СПОНТАННОМУ
ФОРМИРОВАНИЮ МОРФОЛОГИЧЕСКИХ ЕДИНИЦ
ИЗ ПРОТЕИНОИДА
С. ФОКС
Institute for Space Biosciences, Florida State University,
Tallahassee, Florida
В этом докладе будут рассмотрены свойства микросфер, обра-
зованных из протеиноида, полученного с помощью термического
синтеза. Значение и свойства этих структурных единиц находятся
в тесной связи с функцией того материала, из которого они воз-
никли. Свойства «термических» протеиноидов много раз рассматри-
вались [3, 4, 10], и поэтому здесь мы на них останавливаться
не будем.
По крайней мере по двум десяткам своих свойств протеиноид
сходен с белком; в его составе можно обнаружить 18 распростра-
ненных аминокислот, соединенных в пептидные связи; он чувстви-
телен к протеолизу, обладает пищевой ценностью [11] и способ-
ностью образовывать подобные клеткам полимакромолекулярные
структуры. Антигенные свойства и спирализация у «термических»
протеиноидов не обнаружены. Однако эти свойства найдены для
синтетических полиаминокислот [17].
Синтетическая полиаминокислота, обладающая рядом свойств,
характерных для белка, и возникающая в самых обычных усло-
виях [5], вполне может служить моделью первичного белка. Одним
из важнейших свойств полиаминокислот является их склонность
к морфогенезу, вот почему эта модель может послужить для разре-
шения парадокса, который отпугивал многих исследователей от про-
ведения опытов в области абиогенеза. Этот парадокс был четко
сформулирован Блумом [11:
«Загадка состоит в том, каким образом в тот период, когда
жизнь еще не существовала, возникали те вещества, которые
в настоящее время не только абсолютно необходимы для живых
систем, но и только этими системами могут синтезироваться. Даже
если мы примем, что белковые молекулы возникли из некоей весьма
простой небелковой живой системы, то нам в свою очередь потре-
буется определить и объяснить способ возникновения такой
системы».
Опыты по термическому синтезу полиаминокислот показали,
каким образом неживые системы могут дать начало белковопо-
Спонтанное образование морфологических единиц из протеиноида 363
добным полимерам. Ведь эти полимеры настолько сходны с белком,
что способны образовывать протоклеточные и доклеточные системы
[4], пригодные для дальнейшего использования при изучении
процессов, протекающих в природе.
В своих попытках создать модели доклеточной организации мы
ограничили исследование лишь теми процессами, которые, с нашей
точки зрения, могли возникнуть естественным путем в абиотиче-
ских условиях. Вначале наши интересы сосредоточивались на тер-
мической полимеризации аминокислот, ведущей к синтезу белков;
однако затем центр тяжести наших исследований был перенесен
на модель примитивного, или первичного, белка. Действительно,
протеиноиды представляют собой сополимеры, образованные 18 или
даже меньшим числом видов аминокислот, характерных для белка,
причем метод получения этих сополимеров предельно прост. Неко-
торым этот метод получения белковоподобных веществ, к тому
же обладающих в какой-то мере регулярной последовательностью,
может показаться кощунственным, поскольку он включает в себя
такой варварский прием, как нагревание. Однако следует при-
знать, что условия получения протеиноида соответствуют тем,
в которых могли возникнуть подобные образования.
Существует много различных путей возникновения ами-
нокислот.
Из таких «термических» полимеров можно очень просто создать
модель доклеточной организации. Здесь еще раз уместно под-
черкнуть, что современные клетки очень сложны и поэтому не под-
даются грубому моделированию. Однако с точки зрения эволю-
ционной теории простое предшествует сложному; поэтому и про-
стейшие модели заслуживают внимания. Создание сложных моделей
в лабораторных экспериментах достигается лишь постепенно, подоб-
но тому как постепенно сложное возникает из простого в природе.
Моррисон [13] в своих рассуждениях придерживается именно
такого взгляда.
Отрешившись от изменчивой и многоликой сложности, которая
нас окружает, мы обратились к изучению простых систем в при-
митивных условиях. Это эволюционный подход, предусматриваю-
щий постепенное эмпирическое продвижение от простого к слож-
ному.
Наши опыты отличаются от других известных мне опытов с кле-
точными моделями тем, что мы используем вещество, не содержа-
щееся в современных клетках; однако оно образуется из материала,
наличие которого в предбиологических условиях весьма вероятно.
Это обстоятельство является решающим при попытках воспро-
извести предбиологические системы.
Опыты проводились следующим образом. Смесь сухих амино-
кислот, содержащая достаточные количества аспарагиновой и глу-
364
С. Фокс
таминовой кислот, помещали в углубление, сделанное в куске
лавы, отобранной из пласта, залегающего в районе Капохо (остров
Гавайи). Этот реакционный сосуд (т. е. кусок лавы) помещали
в печь и в течение нескольких часов нагревали при температуре
170°. Порошок после этого превращался в светлую жидкость
янтарного цвета, такую вязкую, что она не растекалась. Затем
лаву и полимер заливали горячим 1%-ным раствором NaCl. Жид-
кость становилась слегка мутной от образовавшихся в ней в боль-
шом количестве микросфер. В других экспериментах в качестве
искусственного дождя использовали воду. Результаты представ-
лены в работе д-ра Янга (см. фиг. 1, 2, 3 и 6, стр. 354, 355, 357).
Исследуемые нами частицы сходны с некоторыми типами струк-
тур, встречающихся в метеоритах. Условия, создающиеся в метео-
ритах, содержащих углеродистые вещества и некоторое количество
воды при наличии температурного градиента [12], оказываются,
по-видимому, еще более благоприятными для возникновения этих
частиц, чем использованная нами лава.
Протекание полимеризации на кусочке лавы подкрепляет пред-
ставление о том, что эта реакция может происходить в самых раз-
нообразных условиях. Аминокислоты не могут существовать в сво-
бодном состоянии; наши опыты показали, что, как только они
образуются при повышенной температуре, они немедленно всту-
пают в реакцию конденсации [4]. «Термические» полиаминокислоты
очень быстро вымываются с места синтеза, так что не успевают
разрушиться.
Сейчас уже ясно, что аминокислоты, их добелковые полимеры
и производные этих полимеров способны образовываться в течение
продолжительного времени в одном и том же месте, причем осуще-
ствлению этого предбиологического процесса способствует ряд
простых факторов. Книга Булларда [2] о вулканах подкрепляет
идею о широком распространении таких центров образования
на поверхности Земли.
Протеиноиды были получены в сотнях разнообразных опытов
при строго контролируемых лабораторных условиях. Точно так же
в контролируемых условиях нам удавалось получить микросферы.
Мы получали эти микрочастицы путем растворения приблизительно
15 мг протеиноида в 2,5 мл горячей воды или в горячем солевом
растворе; полученной прозрачной жидкости давали остывать в тече-
ние нескольких минут. В ряде экспериментов использовался неочи-
щенный протеиноид.
На фиг. 1 представлена микрофотография микросфер, при-
готовленных из очищенного препарата, отцентрифугированных
и отмытых. Частицы имеют около 2 .як в диаметре и по форме напоми-
нают кокки. На этой фигуре видны микросферы двух обычно встре-
чающихся размеров. Видны также нитчатые структуры, представ-
Спонтанное образование морфологических единиц из протеиноида 365
ляющие собой цепочки микросфер, и образования, напоминающие
почкующиеся дрожжи. Стандартность этих частиц позволяет про-
водить их исследование в гипотонических и гипертонических рас-
творах. При этом наблюдается соответственно набухание и сокра-
щение частиц, хотя и менее выраженное, чем в случае клеток.
Фиг. 1. Протеиноидные микросферы.
Подсчеты показывают, что обычно образуется 108—109 микро-
сфер на 15 мг полимера, причем среди них наблюдается некоторое
разнообразие. По-видимому, у природы было много возможностей
для проведения бесчисленного множества экспериментов.
Можно получить микрочастицы, которые будут либо более,
либо менее стабильными по сравнению с истинными клетками.
366
С. Фокс
Микросферы способны сохранять свою форму в течение многих
недель и не разрушаются при центрифугировании со скоростью
3000 об/мин. Благодаря такой стабильности микросфер удается
получать их срезы и исследовать их методом электронной микро-
скопии (см. далее). Необходимость такой стабильности для докле-
точных форм была отмечена Опариным [15].
В микросферах отсутствует рибонуклеиновая кислота (если
только ее не вводить искусственно). Несмотря на это, сам по себе
белковоподобный материал микросфер имеет свойства, сходные
со свойствами вещества бактериальных клеток, поскольку он также
окрашивается по Граму. Более того, регулируя соотношение кис-
лотного и щелочного протеиноидов при приготовлении микросфер,
можно получить грамположительные и грамотрицательные препа-
раты [6]. Грамположительные микросферы содержат значительное
количество щелочного протеиноида [9]. Грамотрицательные и грам-
положительные микросферы обладают такой же растворимостью
в разбавленных щелочах, как и грамотрицательные и грамположи-
тельные бактерии [6].
При слабом надавливании на препарат микросферы объеди-
няются в цепочки, напоминающие водоросли [7] (фиг. 2). Этот
факт заставляет пересмотреть некоторые данные микропалеонто-
логии.
С помощью электронного микроскопа и цейтраферной съемки
у микросфер были обнаружены мембраны [8]. Наличие мембран
можно было предположить и при исследовании их в световом микро-
скопе (фиг. 3).
О внешнем виде микросфер можно судить по электронным микро-
фотографиям (фиг. 4). Этот срез напоминает срезы Bacillus cereus
[14].
Обычно при суспендировании микросфер в воде устанавливают
pH 3. При добавлении буфера pH 5,5—6,5 в микросферах начинают
образовываться полости и можно увидеть двойные мембраны.
Фукусима и Докери окрашивали микросферы, заключали их в мета-
крилат, делали срезы и исследовали их методом электронной микро-
скопии.
На фиг. 5 изображены два типа двойных слоев, возникшие
неожиданно в процессе стереотипной подготовки препарата. Может
быть, такие случайности и закономерны. Образование такого рода
двойных слоев не требует наличия фосфолипидов, но в составляю-
щих слои полимерах должны содержаться гидрофобные боковые
цепи. Недавно Грин и сотр. [16] обнаружили, что митохондриаль-
ные мембраны состоят из структурного белка, не содержащего
липида.
На фиг. 6 представлена микрофотография микросфер в суспен-
зии после медленного проникновения в нее буфера с pH 6,0. Внут-
Фиг. 2. Объединение протеиноидных микросфер в
цепочки.
Фиг. 3. Микросферы с двойными слоями.
368
С. Фокс
реннее содержимое диффундировало через оболочку, но сама обо-
лочка, как это видно на электронной микрофотографии, сохрани-
лась. В этом случае наблюдаются также структуры, симулирую-
щие деление путем образования поперечных перегородок [71.
Фиг. 4. Электронная микрофотография среза микросферы.
На фиг. 7 представлены кадры, полученные методом цейтрафер-
ной съемки. Пока не был использован этот метод, нельзя было
точно утверждать, что представляют собой частицы — продукты
слипания или результат деления. На кадрах 60 и 111 (фиг. 7) четко
видно, что имеет место процесс деления (делится верхняя микро-
сфера, находящаяся в левом верхнем квадранте).
Другим доказательством существования мембраны служит боль-
шая микросфера, расположенная на этих кадрах в центре. Полимер
Фиг. 5. Электронная микрофотография двойных слоев микросфер.
370
С. Фокс
диффундировал из внутренней части микросферы, тогда как поли-
мер на границе сохранился. Здесь мы, вне всякого сомнения,
имеем дело с избирательностью.
Д. Виггерт и Е. Виггерт исследовали, каким образом можно
ввести катализаторы в исследуемые системы. Исходным пунктом
Фиг. 6. Сдваивание микросфер
при повышении pH.
этих исследований было изучение каталитической активности
солей цинка, марганца и других металлов при гидролизе аденозин-
трифосфата (АТФ). Попытки ввести Zn в протеиноиды и в другие
полиаминокислоты, полученные путем термического синтеза, были
Фиг. 7. Кадры, полученные при помощи цейтраферной съемки.
Фиг. 8. Активность цинксодержащих микросфер в отношении расщепле-
ния АТФ.
Квадраты — активность микросфер после пятикратного промывания водой; белые круж-
ки — активность третьей смывной воды; треугольники — активность четвертой смывной
воды; крестики — активность пятой смывной воды; черные кружки — АТФ, контроль.
372
С. Фокс
довольно неудачными до тех пор, пока не была применена свеже-
приготовленная гидроокись цинка. Результаты опытов приведены
на фиг. 8. Протеиноид и Zn(OH)2 нагревали в водном растворе
и раствор охлаждали; при этом выпадали микросферы, содержащие
цинк. Микросферы промывали; оказалось, что промывные воды
обладали очень слабой расщепляющей активностью. Основная
активность сохранялась в отмытых микросферах. Поскольку сами
цинксодержащие микросферы изменялись в опытах с АТФ, их
активность нельзя в полном смысле считать каталитической.
Результаты, достигнутые при использовании описанной модели,
приведены в схематическом виде на фиг. 9.
950-1050°
СН4, NH3, Н2О -------—> 14 аминокислот
18 аминокислот (значительные количества Асп и Глу)
1 70° или 65° в присутствии ПФК
Протеиноид + пурины, пиримидины
Zn(OH)2 | Н2о | 100-20°
Микросферы, способные Микросферы
расщеплять АТФ рНЗ
рН5—6
Регулярные изменения
Фиг. 9.
Из всех разнообразных аспектов данной проблемы мы остано-
вились на изучении полимеризации и образования различных
типов «протеиноидных» «мембранных» сфер. Мы провели тысячи
экспериментов подобного типа. Теоретическое и эксперименталь-
ное изучение возможностей образования таких сфер в колбе и иссле-
дование соответствующих условий на Земле показало, что такого
рода процессы могли совершаться бесчисленное число раз.
Принципиально важным было доказательство возникновения
как комплексных веществ, так и комплексных микроструктур,
по своим простейшим процессам напоминающих клетки. Та дилем-
ма, перед которой стоял Блум, оказалась частично разрешенной.
Нам удалось обнаружить спонтанный синтез белковоподобного
материала, способного образовывать протоклетки, а также спон-
танное возникновение у этой структуры АТФ-расщепляющей актив-
ности. Таким образом, удается проследить естественную эволюцию
до клетки, а затем и до клеточного синтеза макромолекул.
Спонтанное образование морфологических единиц из протеиноида 373
ЛИТЕРАТУРА
1 Blum Н., Time’s Arrow and Evolution, Princeton Univ. Press, Prince-
ton, New Jersey, p. 170 (1951).
2. Bullard F. M., Volcanoes, Univ, of Texas Press., Austin, Texas,
p. 55,et seq. (1962).
3. F о x S. W., Science, 132, 200 (1960).
4. F о x S. W., in «Protein Nutrition and Metabolism», Special publ, № 4,
Univ, of Illinois College of Agriculture, p. 141 (1963),
5. F о x S. W., Nature, 201, 336 (1964).
6. F о x S. W., Y u у a m a S. J. Bacteriol., 85, 279 (1963).
7. Fox S., w., Yuyama S., Ann. N. Y. Acad. Sci., 108, 487 (1963).
8. F о x S. W., Yuyama S., Comp. Biochem. Physiol., 11, 317 (1964).
9. Fox S. W., Harada K., Rohefing D. L., in «Poly amino Acids,
Polypeptides and Proteins» (M. Stahmann, ed.), Univ, of Wisconsin Press,
Madison, Wisconsin p. 47 (1962).
10. Harada K., Protein, Enzyme and Nucleic Acid (Tokyo, in Japanese),
6, 65 (1961).
11. Krampitz G., К n a p p e n F., Nature, 195, 385 (1962).
12. Mason B., Meteorites, Wiley, New York (1962),
13. M о r r i s о n P., Science, 135, 663 (1962).
14. M u г г a у R. G. E., in «The Bacteria» (1. C. Gunsalus and R. Y. Stanier,
eds), Academic Press, New York v. I, p. 55 (1960).
15. О п a p и н А. И., The Origin of life on the Earth, Academic Press, New
York, p. 321, 354 (1957).
16. Richardson S. H., H u 1 t i n H. O., G r e e n D. E., Proc. Natl.
Acad. Sci., U.S.A., 50, 821 (1963).
17. Stahmann M., Polyamono Acids, Polypeptides and Proteins, Univ,
of Wisconsin Press, Madison, Wisconsin (1962).
ОБСУЖДЕНИЕ ДОКЛАДА
Блуа. Проводили ли вы химическую очистку лавы, исполь-
зованной в ваших опытах?
Фокс. Нет. Кроме того, следует добавить, что опыты прово-
дились на воздухе в лаборатории.
Куимби. Я бы назвал слои, наблюдаемые на электронных
микрофотографиях, границами. Я полагаю, что они по крайней
мере в 10 раз толще, чем обычные полупроницаемые мембраны
живых систем. Может ли кто-нибудь высказаться по этому вопросу?
Гроссенбахер. Полагаю, что вы правы; однако силы,
ответственные за образование двойного слоя, также представляют
определенный интерес.
Ю я м а. Расстояние между мембранами очень мало. Оно состав-
ляет около 100 А.
Фокс. На фиг. 5 изображены два типа микросфер, встречаю-
щихся в опытах. Они отличаются друг от друга: у одних границы
сближены, а у других более раздвинуты.
Гроссенбахер. Я бы хотел, основываясь на электронно-
микроскопических исследованиях, предложить термин «слой». Ведь
374
С. Фокс
оболочки микросфер имеют определенную толщину. Приняв термин
«слой», можно обойти вопрос о том, что следует называть мембра-
нами.
Поннамперума. Вы упоминали о способности цинксо-
держащих микросфер высвобождать неорганический фосфат из
АТФ. Нельзя ли объяснить этот эффект кислотным характером
протеиноидов?
Фокс. Нет. Мы ставили много контрольных опытов, однако
при pH 5 никакой активности в отношении расщепления АТФ мы
у протеиноида не обнаружили. Расщепление АТФ в этих условиях
было таким же, как и при спонтанном гидролизе АТФ.
Саган. Эти результаты очень впечатляют. Мне хотелось бы,
чтобы вы мне помогли понять в общих чертах, какова предпола-
гаемая последовательность синтетических термических реакций.
Фокс. Последовательность реакций такова.
, кттт т_ — около 1000°
1. СН4, NH3, Н2О------------> летучие предшественники амино-
кислот (по-видимому, нитрилы аминокислот); быстрая реакция,
протекающая в газовой фазе.
2. Гидролиз с образованием аминокислот (в воде при 20—100°).
Малые количества воды могут присутствовать в быстро обра-
зующихся продуктах конденсации; после окончания реакции
эти малые количества участвуют в гидролизе, что приводит
к образованию сухих аминокислот. За счет дождя или каким-
либо другим путем могли накапливаться и большие количества
воды, которая затем испарялась.
3. Сополимеризация могла происходить при температуре 100—
200° (или даже при значительно меньшей температуре в случае
присутствия полифосфорной кислоты или других фосфатов)
в присутствии достаточных количеств аспарагиновой кислоты
или лизина.
4. В результате проникновения воды (дождь, потоки и т. д.) к ме-
сту реакции образовывались микросферы.
Аминокислоты могли, однако, возникать и помимо вышеназван-
ных путей (1 и 2) по схемам синтеза, предложенным Миллером,
Абельсоном, Оро, Хассельштромом.
В выяснении последовательности реакций центральное место
занимает вопрос о поступлении воды к месту реакции и о ее уда-
лении. Если схема теперь ясна, вы можете признать, что все эти
превращения легко осуществимы в природных условиях.
Саган. Эта схема с геофизической точки зрения неприем-
лема. Для образования предшественников, согласно вашей гипо-
тезе, нужна температура 1000°, а для образования аминокислот —
температура ниже 100°. Если даже предшественники были абсо-
лютно стабильны при 1000° — что, впрочем, весьма сомнительно,—
возникает требование совмещения высокотемпературных вулкани-
Спонтанное образование морфологических единиц из протеиноида 375
ческих и низкотемпературных водных условий. Предполагаемый
синтез должен был происходить только на границе между этими
областями. Однако, насколько известно, участки Земли, находив-
шиеся в таких промежуточных условиях, всегда были чрезвычайно
невелики.
Синтезировать аминокислоты весьма нетрудно. Однако образо-
ванные в водной фазе аминокислоты должны затем каким-то обра-
зом дегидратироваться, с тем чтобы произошла сополимеризация.
Для возникновения же микросфер они должны перейти обратно
в водную фазу. Такая последовательность событий легко воспро-
изводима в лаборатории, однако не совсем ясно, осуществляется ли
так же легко этот процесс в природе. При температуре, необходи-
мой для синтеза предшественников аминокислот, аминокислоты
быстро разлагаются, полипептиды деполимеризуются и микро-
сферы разрушаются. По-моему, концентрация полипептидов будет
значительно меньшей, чем теоретическое количество, необходимое
для возникновения жизни. Синтез аминокислот по Штрекеру,
по-видимому, можно считать более вероятным; однако проблема
образования достаточных количеств пептидов в те отдаленные
времена остается до сих пор неразрешенной.
Фокс. В вашем выступлении содержится ряд утверждений,
которые мне хотелось бы обсудить более подробно вместе с вами.
Вероятность же схемы с геофизической точки зрения рассмотрена
и документирована [5].
О р о. Я хочу сделать одно замечание, которое прошу зафикси-
ровать. Дело в том, что синтез аминокислот при нагревании про-
стых газовых смесей до высоких температур упоминается на кон-
ференции как метод Харады. Я просил бы отметить, что этот синтез
был предложен в моей статье, опубликованной в журнале Nature,
190, 389 (1961), и осуществлен в нашей лаборатории Скьювсом
и мной год назад. Полученные результаты представлены в ряде
статей \
Фокс. Мы были рады выслушать сообщение д-ра Оро. Однако
я хотел бы сказать, что в нашей лаборатории много лет назад был
проведен термический синтез аминокислот, и он является частью
развиваемой нами общей теории термического синтеза полиамино-
кислот. О синтезе аминокислот из твердых веществ было сообщено
еще в 1955 г. (F о х et al., J. Am. Chem. Soc., 77, 1048). В 1961 г.
д-р Хар ада обсуждал возможность образования аминокислот на. пла-
вающих лавах в реакциях, протекающих между газами в условиях
примитивной атмосферы [10].
1 Second Nat. Meeting of Biochemistry, Univ, of Santiago, Spain, August
1, 1963. A Symposium on Organic Geochemistry: The Origin of Petroleum,
Univ, of Texas, Austin, 1963.
376
С. Фокс
Г а ф ф р о н. Микросферы так же легко растворяются, как
и образуются?
Фокс. Одни из них растворяются, другие нет. Это во многом
зависит от их состава. Многие из цинксодержащих сфер раство-
римы слабее, чем компоненты, из которых они состоят.
Г а ф ф р о н. Если они растворяются с трудом, то они должны
были измениться, и вопрос об их составе возникает с момента цен-
трифугирования. Как изменился их состав по сравнению с той
жидкостью, из которой они возникли? Они ведь не способны снова
легко растворяться.
Фокс. Мы не ставили самостоятельных опытов с этой целью.
Я могу высказать лишь некоторые предположения; если угодно,
мы можем провести специальные расчеты. Состав будет меняться
в зависимости от характера опыта.
Изменения растворимости весьма значительны. Если смешать
протеиноиды кислотного и основного типа, каждый из которых
растворим, то образовавшиеся микросферы будут содержать про-
теиноиды обоих типов и будут грамположительными; раствори-
мость микросфер будет ниже, чем растворимость составных компо-
нентов, а состав исходной жидкости будет обогащен протеиноидами
основного типа.
Г а ф ф р о н. Еще один вопрос: какие из использованных вами
аминокислот ответственны за создание структуры, если вы называете
это структурой?
Фокс. Регулировать термическую полимеризацию очень про-
сто. В этой связи следует сказать, что термический сополимер
глицина и ангидроаспарагиновой кислоты является единственной
полиаминокислотой, которая оказалась способной образовывать
частицы, сходные с эритроцитами; эти частицы образуют скопле-
ния, напоминающие монетные столбики эритроцитов.
Р о л ф и н г. Д-р Янг отмечал, что микросферы могут об-
разоваться из протеиноида и при низких температурах. Сфери-
ческие тела образуются при комнатной температуре из протеино-
ида или полиаспарагиновой кислоты, не содержащих имидных
групп.
Гаффрон спрашивал о структурной основе формирования
микросферы. Микросферы, образующиеся из гомополимера (поли-
аспарагиновой кислоты), ограничивают присоединение других ами-
нокислотных остатков, которые в свою очередь были бы необходимы
для процесса формообразования микросферы. Еще одним свиде-
тельством важной роли кислых аминокислотных остатков в обра-
зовании микросфер является тот факт, что микросферы не обра-
зуются из протеиноида, содержащего лизин, если только в растворе
не присутствует кислый протеиноид.
П и р и. Делали ли вы попытки обнаружить ферменты?
Спонтанное образование морфологических единиц из протеиноида 377
Фокс. Нет. Мы пытались обнаружить четыре или пять типов
каталитической активности. Мы провели весьма тщательные иссле-
дования с n-нитрофенилацетатом. Крампитц сейчас проводит изу-
чение ряда природных субстратов. В настоящее время попытки
обнаружить ферментную активность не увенчались успехом.
Все, что я могу сейчас конкретно назвать, относится к данным
по n-нитрофенилацетату и к достоверно установленной АТФ-рас-
щепляющей активности цинксодержащих микросфер.
Г а ф ф р о н. Вы говорили о повышенной активности по отно-
шению к АТФ. Эта активность проявляется только микросферами
или она свойственна также исходному веществу, из которого сла-
гается протеиноид?
Фокс. Мы обнаруживали эту активность у цинксодержащих
протеиноидов, полученных различными способами, а также в слу-
чае цинксодержащей полиаспарагиновой кислоты; но я снова
подчеркиваю, что активность комплекса цинк — полимер не пре-
вышает активности одного цинка. Таким образом, значимость
наших результатов состоит лишь в том, что нам удалось «наделить»
организованную частицу АТФ-расщепляющей активностью, соеди-
нив ее с цинком. Это не означает, конечно, что мы не пытались
обнаружить возрастание каталитической активности. И если я не
могу утверждать с достоверностью наличие повышенной активности
в цинксодержащих микросферах, я все же убежден, что полу-
ченные нами организованные единицы, способные расщеплять
АТФ, имеют значение как возможные модели предбиологических
систем.
Саган. Мы с д-ром Поннамперумой обсудили проблему тер-
мического синтеза. Я бы хотел остановиться на следующем вопросе.
В примитивных условиях синтез органических молекул проис-
ходил при участии разнообразных источников энергии, таких,
как электрические разряды, электроны с высокой энергией или
тепло; и эти формы энергии, по-видимому, были способны легко
превращаться друг в друга. При этом образовывалось большое
количество полипептидов. Большого количества полинуклеотидов
могло и не возникать, поскольку они обладают способностью к ре-
пликации; полипептиды же будут на них синтезироваться.
Если в действительности между полинуклеотидами и поли-
пептидами существовало сопряжение, т. е. имелись специфические
полинуклеотидные коды для специфических полипептидов, то
в первичном океане должен был существовать какой-то общий
механизм синтеза полипептидов. Самым важным путем биосинтеза
полипептидов является тот, который ведет к производству наиболь-
шего количества полипептидов. Такая постановка вопроса сводит
проблему к простым вопросам скоростей реакций и стабильности
полипептидов.
378
С. Фокс
Фокс. Представление о том, что синтез полипептидов проис-
ходил в первичном океане, несовместимо с основными нача-
лами химической термодинамики. Реакция H2NCHRCOOH +
+ H2NCHR'COOH = H2NCHRCONHCHR'COOH + Н2О легче про-
текает в отсутствие воды (более подробное обоснование см. в статье:
Fox, Vegotsky, Harada, Hoagland, Ann. N. Y.
Acad. Sci., 69, 328, 1957). Следовательно, эта реакция лучше всего
протекает при температурах выше точки кипения воды или в усло-
виях, способствующих удалению воды. Обширные вулканические
области, распространенные в то время, были горячими и сухими,
так что возникавшие аминокислоты могли спонтанно образовывать
полиаминокислоты в больших количествах. Термический синтез
в лаборатории также дает выход порядка 10—40%; фактором,
ограничивающим синтез, являются главным образом аминокисло-
ты. Будучи залитыми водой, «термические» полиаминокислоты
немедленно превращаются в сферы, вокруг которых формируются
водные оболочки, защищающие полиаминокислоты от разрушаю-
щих воздействий.
Поннамперума. Мы исходим из общепринятой идеи
о том, что только полинуклеотид обладает способностью к репли-
кации. Нельзя ли, однако, предположить, что какие-то первичные
белки также обладали этой способностью?
Фокс. Кстати, такое же предположение выдвинул Ледерберг
(Joshua Lederberg, Science in Space, p. 415, McGraw-
Hill, New York, 1961). Я не имею на этот счет никаких возражений.
Саган. Если бы первичные полипептиды обладали слабой
способностью к репликации или же первичные полинуклеотиды
обладали слабой каталитической активностью, отпало бы боль-
шинство затруднений, с которыми мы сталкиваемся сейчас. Эти
затруднения отпали бы и в том случае, если бы ваши протеиноидные
микросферы могли возникать непосредственно в жидком водном рас-
творе при умеренных температурах.
Фокс. Термодинамические исследования (статья В о г-
sook Н., Huffman N. М., in «Chemistry of the Amino
Acids and Proteins», ed. C. L. S c h m i d t, pp. 865—866, 1944) пока-
зывают, что синтез небольших количеств пептидных связей в водном
растворе без подвода энергии извне возможен с термодинамической
точки зрения; вероятность же образования высокомолекулярных
полипептидов чрезвычайно мала и составляет всего 30• Как
теоретически, так и в эксперименте наши системы должны содер-
жать и содержат некоторое количество либо воды, либо фосфорной
кислоты или других фосфатов. Водные системы являются гипо-
гидратными. Не может образовываться много молей воды на один
моль аминокислоты, если только не произошло сопряжения реак-
Спонтанное образование морфологических единиц из протеиноида 379
ций, в процессе которых выделяется энергия, с синтезом пептидных
связей. Именно это и происходит в клетках; однако вначале нужно
объяснить, как возникли сами клетки. В связи с этим я еще раз
подчеркиваю, что вещество, из которого состоят микросферы,
образовалось в отсутствие клеток.
Валлентайн. Я полагаю, что образование микросферы
невероятно с геологической точки зрения. Работа д-ра Фокса сама
по себе очень хороша и интересна. Мне кажется, что она ведется
в интересном плане, и я приветствую ее продолжение, но хотелось
бы, чтобы вместе с тем были сделаны попытки создать модель,
вероятную с точки зрения геологии. Геологи все время слышат о та-
кой модели, мысль о ней прочно укрепилась у них, и поэтому те, кто
мыслит в историческом плане, так сильно реагируют на вашу работу.
У меня есть один вопрос. Вы показали, что протеиноиды могут
существовать в виде раствора и в форме микросфер; сказывается
ли на ферментативной активности это различие в их организации?
Кажется, именно об этом спрашивал и д-р Гаффрон?
Фокс. Что касается вашего второго замечания, то опыты
с цинком еще не завершены, так что дать определенный ответ на этот
вопрос я не могу. Однако предварительные данные указывают
на то, что такие различия существуют.
Что же касается термической полимеризации аминокислот
в геологических условиях, то я встречал геологов, а также специа-
листов в других областях, которые не согласны с выдвинутой
гипотезой. Однако многие геологи относятся к ней положительно.
Некоторые из них были на конференции в Вудринге в 1961 г. Было
высказано предположение, что местом синтеза могли быть вулка-
нические области. В этом направлении был сделан ряд конструк-
тивных предложений. Я провел полевые исследования по опреде-
лению диапазона температур и распределения органических соеди-
нений; кроме того, в лабораторных условиях изучались реакции,
протекающие на раскаленной лаве. Результаты говорят о том,
что созданные в лаборатории условия с геофизической точки зрения
были вполне подходящими. Результаты этих опытов были опуб-
ликованы (Fox S. W., Nature, 201, 336, 1964).
Оро. Вместо того чтобы выступить с разрушительной крити-
кой, я лучше сделаю конструктивные замечания. Проф. Опарин
в своем докладе упоминал о том, что на Кольском полуострове,
сложенном скальными породами вулканического происхождения,
не имеющими ничего общего с осадочными отложениями, постоянно
выделяются в атмосферу метан и более тяжелые углеводороды. Вот
один из примеров абиогенного возникновения органического веще-
ства. Я полагаю, что можно найти и другие примеры.
По-видимому, на границе лавовых потоков и магмы могут
существовать органические соединения, которые удается обнару-
380
С. Фокс
жить в период охлаждения лавы или магмы до достаточно низких
температур.
Ф о к с. Я попытался обнаружить органические вещества в горя-
чих зонах пепловых конусов; должен сказать, что поиски увенча-
лись успехом. Однако я не уверен, что в случае аминокислот можно
полностью исключить возможность загрязнения почвенными орга-
низмами. Некоторые результаты анализов в значительной мере
сходны с теми, которые получил Харада в своих опытах с газами.
О р о. Я полагаю, что существуют методы, позволяющие диффе-
ренцировать полученные результаты. Мне кажется, что в лавовом
потоке единственным местом, где могут быть обнаружены сохра-
нившиеся органические молекулы, являются пограничные зоны.
Внутри лавового потока молекулы органических веществ должны
были бы обуглиться. Если же органические вещества обнаружи-
ваются в силикате внешних слоев лавовых потоков или каких-либо
других изверженных пород, то в этом случае можно исключить
загрязнение.
Фокс. Я не могу с этим согласиться. Исключить загрязнение
крайне трудно. Мне кажется, что это очень ясно было показано
на симпозиуме по метеоритам (Nagy В., Ann. N. Y. Acad. Sci.,
108, 339, 1936), где по крайней мере часть присутствовавших при-
шла к убеждению, что нельзя предложить сколько-нибудь надеж-
ного способа дифференцировать почвенное заражение.
Что касается пограничных слоев, упоминавшихся д-ром Оро,
то ведь и они подвержены воздействию дождей; полагаю, никто не
станет защищать идею, будто над вулканами дождь не выпадает.
Янг. Мне бы хотелось сказать следующее. По моему мнению,
для протекания обсуждаемых реакций вовсе необязательно нали-
чие каких-то особых условий, например вулканов. Эти реакции
вполне могли происходить на примитивной Земле при наличии,
помимо аминокислот, еще и соответствующих катализаторов.
Саган. Вы полагаете, что эти реакции протекали и в первич-
ном океане?
Янг. Это не исключено. Там также могло происходить накоп-
ление аминокислот. Кроме того, подобные реакции могут идти
и при более низких температурах.
Саган. Если последнее утверждение верно, то вероятность
осуществления этих процессов резко возрастает.
Янг. Это моя точка зрения. Не следует также исключать
возможности параллельно протекающего синтеза нуклеиновых
кислот.
Куимби. Д-р Фокс говорил о температуре 170° как о «жест-
ком» воздействии. Мне представляется, что такая температура —
не более жесткий агент, чем любой другой источник энергии, исполь-
зующийся обычно для синтеза различных молекул (я имею в виду
Спонтанное образование морфологических единиц из протеиноида 381
искровой разряд, у-излучение, линейный ускоритель или бакте-
рицидные лампы).
Фокс. Я хотел бы сказать несколько слов в связи с выступле-
нием д-ра Янга. Высказанная д-ром Янгом идея относительно
распространенности на Земле условий, благоприятных для спон-
танных химических реакций, далеко не всегда принимается, хотя
можно найти данные, свидетельствующие в ее пользу.
Задача состоит не столько в том, чтобы найти на Земле условия,
соответствующие лабораторным, сколько в том, чтобы из целого
ряда геофизических факторов выбрать наиболее подходящие усло-
вия. Плодотворным подходом в этом плане является попытка выяс-
нить, какая последовательность реакций вероятна с геологиче-
ской точки зрения. Другой важный момент — установление нали-
чия или отсутствия воды на различных этапах синтеза.
Несопряженная химическая полимеризация аминокислот в вод-
ном растворе с образованием достаточных количеств продукта
невозможна с точки зрения термодинамики, о чем несколько раз
указывалось в литературе (см., например, Fox, Vegotsky,
Harada, Hoagland, Ann. N. Y. Acad. Sci., 69, 328, 1957).
Следует помнить, что энергетический барьер может быть преодо-
лен химически только при температуре выше точки кипения воды
или за счет использования таких обезвоживающих агентов, как
полифосфорная кислота. В последнем случае полимеризация идет
и при температурах ниже точки кипения воды, т. е. при 70°, о чем
сообщалось в 1960 г.
Однако на основании того, что в лаборатории полимеризация
протекает как при 70°, так и при 170°, еще нельзя заключить, что
и на Земле в примитивных условиях возможность полимеризации
при низких температурах была более вероятна или более правдо-
подобна.
Любое суждение, не учитывающее положения, выдвинутые
Янгом, и термодинамические расчеты, может, если принимать его
всерьез, помешать постановке важных экспериментов.
Конечно, организмы обладают сложной, развившейся в про-
цессе эволюции биохимической системой, дающей энергию для
синтеза пептидных связей. С помощью нашей модели показано,
как аминокислоты образуют полиаминокислоты, которые в свою
очередь превращаются в структурные единицы, способные расщеп-
лять АТФ, а также, по-видимому, развиваться в системы, синтезиру-
ющие клеточный белок. Фактором, ограничивающим этот процесс,
является не отсутствие полипептидов или аминокислот, а отсутствие
соответствующих количеств производных фосфорного ангидрида.
Для того чтобы составить себе правильное представление об
интересующей нас проблеме, следует, по-моему, во-первых, учи-
тывать термодинамический аспект; во-вторых, всесторонне озна-
382 С. Фокс
комиться с лабораторными опытами; в-третьих, изучить геофизи-
ческие условия Земли в прошлом и настоящем, проводя исследова-
ния как в природе, так и в библиотеке; в-четвертых, определить
распределение на Земле различных форм фосфатов и т. д. Мы изу-
чали все эти и другие факты в течение шести лет и пришли к убеж-
дению, что полимеризация аминокислот на поверхности Земли
могла или вернее должна была происходить при температурах как
выше, так и ниже точки кипения воды. Я считаю также, что синтез
при высоких температурах осуществлялся чаще.
В настоящее время можно считать доказанным — и это очень
важно,— что возникновение таких сложных полимеров, как белки
и, возможно, нуклеиновые кислоты, может осуществляться при
самых разнообразных температурах за счет весьма простых про-
цессов.
Часть V
ПЕРСПЕКТИВЫ II
НАСЛЕДСТВЕННАЯ УПОРЯДОЧЕННОСТЬ В ПРИМИТИВНЫХ
ХИМИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
X. ПАТТИ
Biophysics Laboratory, Stanford University, Stanford, California
Если рассматривать передачу наследственных свойств как
особенность, присущую только живому, то эту работу не следовало
бы докладывать на конференции по предбиологическим системам.
Однако я присоединяюсь к скептическому мнению д-ра Пири,
высказанному на открытии сессии, что мы в действительности не
знаем, являются ли обсуждаемые нами системы предбиологиче-
скими или нет. В то же время я, как и д-р Буханан, полон опти-
мизма и уверен, что в ближайшие пять лет все типы биохимических
веществ будут получены абиогенным путем из простых, возможно
первичных компонентов Земли. Не исключено, что уже на следую-
щем симпозиуме по происхождению жизни мы услышим о деля-
щихся микросферах и неферментативной репликации нуклеиновых
кислот. Может быть, удастся объединить эти процессы и получить
деление. Интерпретация всех этих результатов будет возможной
только при согласовании или по крайней мере четком определении
наших основных понятий.
Однако даже если мы будем владеть всеми необходимыми биоло-
гически важными соединениями, мы все же не поймем до конца
сущность простейших способных к развитию структур, обладаю-
щих наследственностью. Хотя Опарин еще в 1938 г. [1 ] подчеркивал
непрерывность эволюции от простейших молекулярных уровней
агрегации, большая часть недавно выдвинутых гипотез о первич-
ных наследственных системах базируется на новейших знаниях
о высокоразвитых современных организмах. В сущности мы произ-
водим экстраполяцию назад, к простейшему возможному ком-
плексу нуклеиновой кислоты и белка, способному к репликации,
к транскрипции информации и к синтезу, так что возникает воз-
можность биологической эволюции путем естественного отбора
[2, 3, 4]. Безусловно, существовала какая-то более ранняя стадия
жизни, включающая нуклеиновую кислоту, специфически связан-
ную с белковым синтезом; ясно также, что такие единицы могли
развиваться путем естественного отбора, причем, очень вероятно,
тем же самым путем, как это происходит сейчас. Однако совершенно
386
X. Патти
неясно, почему эта стадия должна так сильно привлекать к себе
наше внимание.
Мне кажется, что при рассмотрении возникновения жизни
не следует выделять две стадии, обозначаемые как химическая эво-
люция [5, 6], простирающаяся только на стохастические реакции
без наследственного порядка или репликации, и биологическая
эволюция, которая начинается с самовоспроизведения и обеспечи-
вается естественным отбором. Возможно, что эти категории вполне
подходят для описания стадий, разделенных несколькими миллиар-
дами лет. Однако они совсем не пригодны для переходного периода,
который мы как раз и будем рассматривать. В сущности, такое
разделение с самого начала запутывает нас, так как, если принять,
что способная к мутациям самовоспроизводящаяся система является
предпосылкой для естественного отбора, то мы не можем восполь-
зоваться понятием естественного отбора, для того чтобы обосновать
увеличение вероятности появления первой самовоспроизводящейся
системы. С этой точки зрения очень серьезную проблему представ-
ляет собой возникновение первой «запоминающей» нуклеиновой
кислоты, связанной с белковыми ферментами таким образом, чтобы
обеспечить непрерывную репликацию и синтез. Многие авторы
считают, что этот решающий скачок в химической эволюции был
вызван рядом благоприятных, но случайных событий.
Очевидность и простота схемы репликации Уотсона — Крика
[7 ] наряду с длительностью геологического периода, в течение
которого, как считается, эти благоприятные события могли произой-
ти, вселяют уверенность в сторонников такого подхода, создавая
иллюзию, что проблема уже решена. Однако, как указывает Бридж-
мен [8], не может быть ничего хуже, чем объяснять случайностью
какое бы то ни было событие, так как это не ведет к постановке
экспериментов. В действительности это лишь означает, что мы
не желаем углубляться в данный вопрос. В конечном счете мы
узнаем гораздо больше, если присоединимся к позиции Лапласа,
который оставляет гипотезу случайностей только для тех случаев,
когда после многочисленных опытов в конце концов оказывается,
что полученные результаты полностью противоречат один другому
[9]. Лучше быть пессимистом и обнаружить, что ты ошибался,
чем быть оптимистом и не открыть ничего.
Я думаю, что более уже недостаточно опытов, показывающих
возможность синтеза биохимических веществ из малых молекул
без особого вмешательства со стороны экспериментатора; необхо-
димо планировать новые эксперименты, требующие своей интерпре-
тации, а для этого нужно выработать какую-то новую точку зрения.
Нельзя понять природу процесса примитивной эволюции, если
принять, что конечная стадия такого химического синтеза всегда
представляет собой спонтанное или случайное событие, тем более
Наследственная упорядоченность в примитивных химических системах 387
что эта конечная стадия воспроизводима; подобное допущение
в действительности означает лишь, что детали процесса не известны
экспериментатору. Событие только тогда можно с уверенностью
назвать «спонтанным», когда определяющие его параметры есть
случайные по отношению к результатам величины или же когда
речь идет о системе, в которой отсутствует управление. Например,
поведение живой клетки мы предпочитаем объяснять главным
образом ее наследственной информацией, а не случайностью. Все
это просто выражение нашей уверенности в том, что особые состоя-
ния тех молекул, которые мы называем живыми, гораздо более
вероятно возникают путем наследственного процесса, чем путем
случайных испытаний всех возможных состояний этих самых
молекул. Но это убеждение должно повлиять на нашу позицию
по отношению к событиям на всех уровнях организации; нельзя
удовлетворяться идеей спонтанных изменений для объяснения
таких значительных скачков эволюции, как появление саморепли-
кации. Я попытался выразить эту мысль в более общем виде, хотя,
может быть, и не вполне точно, проведя параллель с эволюционным
принципом Симона [10]; суть этого принципа состоит в следующем:
иерархические системы развиваются гораздо быстрее, чем неиерар-
хические системы сравнимого размера (ср. [11]). Учитывая, что
эта концепция относится к устойчивости промежуточных структур
в эволюции, я бы предложил следующий принцип: наследственная
организация с большей степенью вероятности (или с большей часто-
той), чем ненаследственная организация, приводит к той же степени
сложности.
Новый подход к экспериментам по происхождению жизни,
который я предлагаю, относится к простейшему из возможных
уровней наследственного воспроизведения макромолекул, который
может возникнуть вслед за стадией спонтанной химической эволю-
ции, но задолго до биологической эволюции с саморепликацией
и естественным отбором. Этот промежуточный уровень организации
я бы назвал стадией молекулярных автоматов. Эволюция на этой
(дорепликационной) стадии сначала могла бы осуществляться
путем процесса прямого отбора по принципу обратной связи,
который логически соответствует тому, что мы называем «обуче-
нием» вычислительных машин или людей. Я предполагаю, что
передача наследственной информации совершается в растущих
сополимерах в соответствии с некими определенными правилами
наращивания цепи, зависящими от конформации. Хорошо «обу-
ченные» агрегаты таких растущих сополимеров могут постепенно
перейти к более высокой степени саморегуляции и менее прямому
взаимодействию с внешней средой; в конце концов это приведет
к тому, что мы называем самовоспроизведением; это приведет
также к установлению полностью непрямого взаимодействия
388
X. Патти
с внешней средой, которое мы называем естественным отбором.
В дальнейшем я постараюсь разъяснить эти мысли.
В начале своего доклада я употребил некоторые термины, кото-
рые могут иметь различное и даже противоположное толкование.
Д-р Добжанский предложил организовать специальный симпозиум
для обсуждения терминологии, связанной с проблемой происхож-
дения жизни, поскольку в этом вопросе существует путаница.
Впрочем, это не единственная наша трудность. Во всяком случае,
я попытаюсь по крайней мере определить, в каком смысле эти
термины используются в данном сообщении.
Такие термины, как наследственный порядок, репликация, отбор
и эволюция, имеют самые разнообразные более или менее истори-
ческие определения, возникшие на основании изучения высокораз-
витых живых организмов. Не удивительно поэтому, если эти поня-
тия окажутся в том или ином отношении неприложимыми к наибо-
лее примитивным молекулярным системам. Однако я думаю, что
понятие наследственный процесс применимо для всех уровней
и всех типов организации. Его обычно определяют как передачу
свойств или признаков от предка к потомку. Я несколько расширю
это определение и под термином наследственный процесс буду под-
разумевать всякий процесс, посредством которого информация
передается от одной структуры (предок) к другой (потомок) таким
образом, что в результате происходит общее возрастание упорядо-
ченности в системе в целом (включая предка, потомка и внешнюю
среду). Три элемента этой системы должны быть в свою очередь
четко определены в каждой данной ситуации. Это достаточно легко
сделать для высших организмов. Однако в случае более примитив-
ных процессов, происходящих, например, у бактерий и вирусов,
требуются некоторые разъяснения. В случае же еще более элемен-
тарных взаимодействий определение должно быть несколько про-
извольным. Согласно предложенному выше определению, простой
рост кристалла, тактическая полимеризация и клеточное деление
являются наследственными процессами; различие заключается
лишь в определении предка, потомка и количества наследственно
передаваемой информации, причем вариации последней величины
могут достигать 1010 битов [12, 13]. Это огромное количественное
различие, но оно не должно маскировать для нас идентичность
процесса в целом.
Представление о репликации, которое часто считают ключевым
в вопросах происхождения жизни, еще недавно имело много интер-
претаций [3, 14—20]. Я буду называть репликацией только особый
случай наследственного процесса, когда предок и потомок иден-
тичны и разъединяются. Если к тому же предок и потомок изоли-
рованы от внешнего источника информации, я буду говорить о само-
репликации. Эти три условия обычно выполняются у высших орга-
Наследственная упорядоченность в примитивных химических системах 389
низмов, но они отнюдь не обязательны для наследственной пере-
дачи, для получения информации или для эволюции.
Термин эволюция также используется в разных значениях,
но я употребляю его в общем смысле передачи и постепенного
накопления наследственной информации со временем. Из опреде-
ления информации [211 следует, что создание любого типа инфор-
мации требует выбора или отбора определенного состояния из ряда
альтернативных состояний. Мера информации Н — логарифм по
основанию 2 ряда равновероятных состояний, или в более общем
виде Н = —2 р;1о§2рг, где р-, — вероятность i-ro состояния. В таком
случае допускается, что отбор совершается при действии агента,
не зависящего от pt и не являющегося стохастическим процессом
(т. е. отбор происходит с вероятностью 1). Как признает большин-
ство из нас (это показала и дискуссия), понятие отбора не простое.
Довольно часто неточное определение деталей процесса, который
мы обозначаем этим термином, приводит к некоторой путанице.
Это и понятно. Поскольку по определению единственное событие,
способное генерировать информацию, есть селективный процесс,
отсутствие для понятия «отбор» точного определения приводит
к невозможности точного определения меры информации.
Сказанное можно проиллюстрировать простым примером: рас-
смотрим идущий при постоянных условиях рост линейного сополи-
мера, состоящего из чередующихся субъединиц, АВАВАВАВАВ... ,
последовательность которых, за исключением начальной субъеди-
ницы, полностью определена. Такой рост может быть описан с по-
мощью правила, основанного на естественных, но неспецифических
физических законах, согласно которым невозможно образование
какой-либо другой последовательности. Выбор начальной субъеди-
ницы случаен. Эта последовательность возникает без участия
информации, просто как результат ограничений, вытекающих
из законов природы. В то же время этот процесс можно описать
по-другому: субъединицы А и В с равной вероятностью могут
присоединяться к растущему концу полимера, но крайняя субъеди-
ница выбирает одну из двух возможных альтернатив. Процесс
может быть назван цепью Маркова первого порядка со следующей
матрицей переходных вероятностей:
iAlB
Al °1 1
в I 1 I 0
где в левом столбце помещены крайние субъединицы цепи сополи-
мера, а в верхней строке — присоединяющиеся субъединицы. Это
означает, что, согласно такому правилу отбора, вероятность появ-
390
X. Патти
ления одной из двух последовательностей (в зависимости от того,
какой была начальная субъединица) из У субъединиц будет равна
единице, тогда как без такого правила отбора она бы равнялась
2“л'. Следовательно, при логарифмическом выражении информации
для образования сохраняющейся структуры в процессе отбора
необходим 1 бит информации на каждую добавленную субъеди-
ницу.
Может показаться, что использование понятий информация
и отбор необязательно. Однако рассмотрим другой крайний пример
сложности в живых организмах. При определении количества инфор-
мации, накопленной путем естественного отбора в процессе адап-
тивной эволюции, Кимура [22] рассуждал следующим образом:
если бы индивидуумы, элимирующиеся в процессе естественного
отбора, размножались с той же скоростью, что и выживающие
особи, то их число составляло бы N = NaeLt, где No — исходное
число особей, t — число генераций и L — мера уменьшения приспо-
собленности в популяции. Это означает, что событие, происходящее
при наличии естественного отбора с вероятностью 1, в отсутствие
естественного отбора происходило бы с вероятностью e~Lt. Следова-
тельно, при логарифмическом выражении информации для процесса
естественного отбора необходимо L/ln 2 битов информации на поко-
ление для того, чтобы образовалась жизнеспособная упорядочен-
ная система. В обоих приведенных примерах логика рассуждений
одинакова, и она соответствует определению наследственного
процесса. Действительно, в данном случае не было бы ошибкой
использовать описание, приведенное для случая растущего сополи-
мера, и представить процесс адаптивной эволюции как результат
действия естественных, но неспецифичных физических законов,
предотвращающих выживание других видов. Однако описывать
процесс эволюции, возникновение реплицирующейся нуклеиновой
кислоты или даже появление простейшей упорядоченности в сопо-
лимерах как результат ограничений, присущих законам природы,
будет не более плодотворно, чем объяснять эти явления случайно-
стью. Я бы хотел подчеркнуть, что различные наследственные про-
цессы в сущности различаются незначительно, если не считать
различий в емкости памяти и соответствующей длительности
хранения информации. В организме, размножающемся под кон-
тролем дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), емкость памяти
может составлять 1010 битов, тогда как в сополимере, состоящем
только из двух равновероятных исходных субъединиц, она будет
составлять всего 1 бит. Поэтому сополимер в процессе роста спо-
собен лишь передать 1 бит информации (и это происходит при
выборе каждой следующей субъединицы), тогда как молекула
ДНК может накапливать информацию в каждом последующем
поколении. Оба типа молекул могут до некоторой степени развить
Наследственная упорядоченность в примитивных химических системах 391
емкость памяти, хотя перспективы такого развития для автоном-
ного сополимера, растущего в соответствии с определенными пра-
вилами, не слишком велики.
Однако я выбрал эти крайние примеры наследственных и селек-
тивных процессов только для того, чтобы подчеркнуть единство
этих процессов на всех уровнях организации — от простейших
до самых сложных. По-моему, наиболее многообещающим для
будущих экспериментов по происхождению жизни является как
раз промежуточный между этими крайностями уровень макромо-
лекулярной структуры. Это уровень, на котором макромолекулы
обладают достаточной потенциальной емкостью памяти и длитель-
ностью хранения информации, чтобы играть роль вычислительных
молекулярных устройств [14]. Очень немного экспериментальных
работ по происхождению жизни было выполнено с этих позиций,
однако последние открытия в области химии полимеров обнаружили
такую степень сложности даже у простейших полимеров, которой
более чем достаточно, чтобы оправдать интерес к исследованию
закономерностей регуляции на макромолекулярном уровне в связи
с самоорганизующимися системами и эволюцией. Подобная мысль
еще недавно даже не могла возникнуть, поскольку в большинстве
случаев изучение полимеризации проводилось в условиях равной
реакционной способности функциональных групп [23]. Даже
в более сложных реакциях правила наращивания цепи часто выво-
дились исходя из простых цепей Маркова с с порядками, где с —
малое целое число. Физический смысл этого заключается в том,
что добавленные мономеры преимущественно взаимодействуют
только с концевыми, предконцевыми и предпредконцевыми моно-
мерами цепи [24, 25].
Однако трудно ожидать, что в первичных условиях на Земле,
существовавших на стерильном морском побережье, протекали
только такие идеальные реакции. Как правило, кинетика образо-
вания полимеров, их состав и последовательность субъединиц очень
чувствительны ко всяким изменениям внешних условий. Иницииро-
вание и рост цепи зависят не только от типа растворителя, темпе-
ратуры, концентрации и давления, но также от размера частиц,
распределения частиц по размерам, кристаллической структуры
и химической природы катализаторов и ингибиторов. Со времени
открытия Циглером [261 и Натта с сотр. [27[ простых катализа-
торов, стимулирующих полимеризацию, становится все более ясно,
что совершенно неупорядоченный полимер примерно такая же
редкость, как совершенный кристалл. В некоторой степени после-
довательность в полимере регулируется мономерами, ближайшими
к присоединяющемуся мономеру; кроме того, существует специфи-
ческий стерический контроль реакции роста цепи со стороны раз-
личных малых молекул [28].
392
X. Патти
Но наиболее важным для эволюции наследственного порядка
должно быть внутреннее взаимодействие в растущих цепях поли-
мера. Природа физических сил такова, что наиболее сильны взаимо-
действия на близких расстояниях, причем эти силы оказывают свое
действие (в малых, нерелятивистских системах) почти мгновенно.
Эти общие свойства физического взаимодействия позволяют нам
описать большинство событий с помощью дифференциальных урав-
нений или статистически, с помощью простых моделей Бернулли
или Маркова. Однако гибкая растущая молекулярная цепь как
раз представляет собой простейший пример, когда эти условия
в некотором смысле могут не соблюдаться. Конечно, эффективные
короткодействующие силы действуют и здесь, но в изогнутой расту-
щей цепи могут взаимодействовать и не ближайшие соседи, а следо-
вательно, может наблюдаться значительная задержка во времени.
Иными словами, линейная последовательность и трехмерная кон-
формация в каждый данный момент связаны только через опреде-
ленный ряд зависящих от времени промежуточных состояний.
Так, нарастающий полимер часто называют наследственной систе-
мой, поскольку для того, чтобы предсказать ее будущее, надо
в какой-то степени знать ее «историю» [29]. Следовательно, именно
на уровне молекулярной структуры мы можем подойти к организа-
ции и эволюции наследственных систем.
Проиллюстрируем эту мысль на очень простом примере. Рас-
смотрим раствор мономеров двух типов, А и В, способных линейно
сополимеризоваться в соответствии с определенным правилом
наращивания, которое учитывает только два мономера, ближайших
к присоединяющемуся мономеру. Правило может предусматривать
участие катализатора. Одним из ближайших к присоединяющемуся
мономеру может оказаться концевой мономер цепи, с которым он
образует устойчивую связь, но каков будет второй ближайший
мономер, зависит от конформации цепи во время реакции наращи-
вания. Например, если цепь прямая или свернута неплотно, то
вторым ближайшим соседом окажется предпоследний мономер,
а если цепь свернута в спираль, вторым ближайшим соседом будет
мономер, удаленный от концевого на один виток спирали. Для
простоты я рассмотрю только двумерные конформации и выберу
произвольно очень простое правило наращивания, например цепь
Маркова со следующей матрицей переходных вероятностей:
1А!В
А | А | В
в! врГ
которая означает, что если два ближайших к добавленному моно-
мера однотипны, то присоединяется мономер типа А, а если раз-
Наследственная упорядоченность в примитивных химических системах 393
личны — типа В. При описании реального физического процесса
переходные вероятности, записанные в матрице, не равны единице,
могут меняться в зависимости от конформации и последователь-
ности цепи, и матрица, следовательно, будет асимметричной.
Однако приведенное простое правило будет характеризовать тип
поведения, ожидаемый даже для более сложных систем.
Первые стадии очень просты. Мы можем принять, что исходные
димеры АА, АВ, ВА и В В образуются с равной вероятностью.
Согласно приведенному выше правилу, димер АА вызывает образо-
вание гомополимера, состоящего из мономеров типа А, тогда как
димеры АВ, ВА и ВВ образуют регулярные блоковые сополимеры
(АВВ)П, различающиеся только по начальной последовательности.
Если крутого изгибания цепи не происходит, последовательность
в ней зависит только от двух последних присоединившихся моно-
меров, и цепь поэтому может быть названа цепью Маркова второго
порядка. По мере увеличения концентрации полимера можно
ожидать возникновения взаимодействий внутри цепи. Всякий
длинный полимер может изгибаться разнообразными способами,
но опять-таки для простоты я ограничу эту возможность образова-
нием зигзагов или петель, какие наблюдаются в случае многих
полимеров, способных образовывать монокристаллы, например
в случае полиэтиленов [30]. Предположим теперь, что растущая
цепь свернута плотными зигзагами, так что вторым ближайшим
соседом является не предпоследний мономер, а мономер, располо-
женный дальше вдоль цепи. Если один зигзаг состоит из М. моно-
меров, то реакция наращивания будет протекать как процесс Мар-
кова (М + 2)-го порядка. Даже если вероятности реакции остаются
прежними, возникающая последовательность может иметь гораздо
больший период, порядка 2М+2 мономеров. Например, если изгиба-
ние происходит через каждые три мономера, то ближайшим ко
второму после изгиба мономеру будет мономер, отстоящий от него
на три мономера, а ближайшим к крайнему в зигзаге — отстоящий
на пять мономеров в линейной последовательности. Таким образом,
полимер, начинающийся с ВВ, будет иметь следующее строение:
-*~В В А-^
х-В А В>
*^В В А-х
х-В А В>*
*-В . .
• • ♦
что в линейной последовательности даст (ВВАВАВ)Л. Такую же
последовательность (со сдвигом фазы на три мономера) даст началь-
394
X. Патти
ный димер ВА, тогда как димер АВ даст последовательность (АВВ)„.
Конечно, можно представить себе много других правил и конфор-
маций, которые будут лучше соответствовать реальным полимерным
системам. Например, Шварц [31] интерпретировал данные по кине-
тике полимеризации N-карбоксиангидридов аминокислот [32],
предположив, что рост цепи зависит от спиральной конформации
растущего полимера. Он также предположил, что тактическая
полимеризация, как правило, ускоряется в небольшом количестве
растворителя из-за сильного внутрицепочечного взаимодействия.
Я описал в другой работе [33], как спиральная структура может
в принципе обусловливать образование последовательности такой
большой статистической сложности, какая наблюдается в белках,
хотя нет никакого экспериментального подтверждения этой модели.
Я должен еще раз подчеркнуть, что независимо от того, насколько
правильны приведенные примеры, основной принцип сводится
к тому, что, по-видимому, линейная последовательность в простых
сополимерах каким-то образом зависит не только от ближайших
соседей в линейной цепи, но также в случае свертывания цепи
от ее участков, отстоящих на много субъединиц. Иными словами,
линейная последовательность макромолекулы может отражать трех-
мерную конформацию макромолекулы во время ее роста. Обратное
положение можно не доказывать, так как в сущности это конечный
результат эволюции. Мы знаем, что линейная последовательность
аминокислот в белках в значительной степени определяет точную
трехмерную конформацию, необходимую для ферментативной актив-
ности. Кроме того, очень вероятно, что в формировании активного
центра участвуют определенные аминокислотные остатки, хотя
и расположенные далеко друг от друга в линейной полипептидной
цепи, но сближенные в трехмерной конфигурации. Однако рас-
сматриваемое соотношение в живых системах несимметрично. Этот
факт выражается так называемым центральным постулатом [34],
который гласит, что информация передается только в одном направ-
лении от линейной последовательности оснований ДНК к трехмер-
ной конформации белков. Как раз вследствие этой асимметрии
современные живые организмы так сильно зависят от естественного
отбора и само репликации при накоплении наследственной инфор-
мации; эти два термина означают, что ни в процессе отбора, который
генерирует информацию, ни в процессе переноса этой информации
какого-либо непосредственного поступления информации от внеш-
ней среды к линейной последовательности или взаимодействия
между ними по принципу обратной связи не происходит. В сложных
живых организмах, только если за случайной ошибкой при переносе
информации следует стохастическая борьба между всеми потомками
в течение многих поколений, можно сказать, что сохранившаяся ли-
нейная последовательность приобрела какую-то новую информацию.
Наследственная упорядоченность в примитивных химических системах 395
Я никоим образом не хочу уменьшать то большое значение,
которое имеют в процессе создания информации и статистическом
исправлении ошибок случайные испытания и статистический про-
цесс отбора. Кимура [22] показал, что количество информации,
накопленной путем естественного отбора начиная с кембрийского
периода, составляет примерно 108 битов, что, казалось бы, соответ-
ствует увеличению фенотипической сложности от кембрийских
медуз и ракообразных до современных организмов. Но мы строим
теорию эволюции, исходя из данных по биохимии высокоразвитых
организмов, в основе которой лежат единые фундаментальные
и очень сложные процессы молекулярной регуляции, хотя в то же
время между организмами существуют большие структурные
и функциональные различия. Нет никаких указаний на то, что
за счет мутаций и естественного отбора когда-либо произошли
заметные изменения в общем типе транскрипции нуклеиновых
кислот, кодирования аминокислот и белкового синтеза, что вместе
составляет так называемую самореплицирующуюся единицу. Сле-
довательно, при рассмотрении эволюции самореплицирующихся
систем мы не должны ограничиваться крайними случаями: стоха-
стической химической эволюцией, с одной стороны, и гипотезой
мутаций и естественного отбора высших организмов — с другой.
Между ними лежит целый спектр наследственных селективных
и эволюционных процессов.
Рассмотрим теперь случай, когда линейная последовательность
определяет конформацию, как это характерно для белков. Выше,
рассматривая случай, когда конформация определяет линейную
последовательность, мы постулировали, что присоединение моно-
меров типа А стимулируется двумя идентичными соседними моно-
мерами, а присоединение мономеров типа В — двумя различными
мономерами в определенном положении. Предположим теперь, что
те же физические силы, которые благоприятны для такого при-
соединения в процессе роста, будут также благоприятны для при-
соединения в процессе последующего изгибания построенного
полимера. Например, полимер (АВВ)„, если он изгибается вслед
за последним мономером В в периоде, будет продолжать расти
с прежней линейной последовательностью:
—*-А В
СВ В
А В
В А В В А В В-
А В В А В В А
В . . .
Изгиб после любого другого мономера даст другую линейную
последовательность, в чем нетрудно убедиться. Следовательно,
мы можем ожидать, что наиболее вероятная конформация поли-
396
X. Патти
мера типа (АВВ)П, образованного в соответствии с данным прави-
лом, возникнет путем изгибания полимера в месте последнего
В-мономера в периоде. При том же самом правиле роста цепи другая
линейная последовательность даст другой тип свертывания, и наобо-
рот, иной тип свертывания даст иную линейную последователь-
ность. Я еще раз подчеркиваю, что существуют определенные типы
правил, выражающих, с одной стороны, зависимость последова-
тельности от конформации, а с другой — зависимость конформа-
ции от последовательности. Приняв это условие, нетрудно показать,
что можно, не вдаваясь в частности, провести параллель между
такими макромолекулярными системами и машиной Тьюринга
[35]; правила наращивания цепи и инструкция о ее свертывании
в случае макромолекулярных систем соответствуют внутренним
состояниям машины, а линейная последовательность аналогична
ленте [33, 36]. С физической точки зрения мы можем рассматривать
правило роста как совокупность информации о линейной последо-
вательности и информации о порядке свертывания. Если бы такого
правила не существовало, линейная последовательность и порядок
свертывания были бы полностью независимы, следовательно, пра-
вило наращивания цепи уменьшает общую потенциальную емкость
информации сополимера за счет прямой связи с источником инфор-
мации (т. е. внешней средой). Наконец, предвосхищая биологиче-
ский подход, мы можем рассматривать линейную последователь-
ность как наследственную память, тогда как зависящее от последо-
вательности свертывание отражает функциональное выражение
этой памяти, связанное с внешними условиями. Но в отличие от
высших организмов эта связь работает в обоих направлениях.
Ясно, что в полимерах, растущих при таких ограничениях, инфор-
мация, содержащаяся в любое данное время в линейной последова-
тельности, может быть получена как из внешней среды, так и от
родительской последовательности. Оба типа информации в равной
степени наследуемы, и фактически их можно различить только
при условии, что известна полная история каждой данной последо-
вательности. Возможно также, что последовательность изменяется
за счет случайных мутаций во время роста или после его оконча-
ния. В обоих случаях могут возникать мутации, способные дать
начало новым последовательностям, которые будут в равной сте-
пени наследуемы. В случаях, когда какой-то селективный процесс
вызывает исчезновение определенных последовательностей, а не
прямое изменение их конформации или последовательности, он
может быть назван естественным отбором.
Подводя итоги, можно сказать, что известные свойства роста
простого тактического полимера и свойства его конформации пред-
полагают элементарный тип наследственного процесса, в котором
информация может быть либо заключена в линейной последователь-
Наследственная упорядоченность в примитивных химических системах 397
ности, либо превращена в структуру, способную в свою очередь
осуществлять специфическую регуляцию присоединения мономе-
ров. Существенным для такого поведения макромолекул является
выполнение некоего условного правила наращивания, которое фак-
тически ограничивает возможные линейные последовательности
функциональной зависимостью от трехмерной структуры расту-
щего полимера. При таком примитивном типе роста полимера локаль-
ное изменение внешних условий способно вызвать наследственные
изменения в линейной последовательности. Другими словами,
центральный постулат, рассмотренный в связи с высшими орга-
низмами, в данном случае неприменим, и информация может попа-
дать в наследственную память из окружающей среды, а также
другими путями. Примитивная эволюция, иначе говоря, первич-
ное постепенное накопление информации, происходит в этом случае
таким же образом, что и накопление информации или обучение
в случае вычислительных машин или живых организмов, т. е.
путем обратной связи, а не путем естественного отбора. Неодно-
кратно отмечалась аналогия процесса обучения с более сложным
процессом эволюции [37—391; я предполагаю, что примитивная
наследственная молекулярная эволюция действительно может
начаться со своего рода «обучения» путем непосредственного взаимо-
действия с окружающей средой по принципу обратной связи и толь-
ко постепенно, путем целого ряда все менее прямых и все более
замедленных селективных процессов прийти к конечной стадии
полностью непрямого естественного отбора. С этой точки зрения
бессмысленно задаваться вопросом, когда наследственная передача
упорядоченности была заменена репликацией или саморепликацией
или когда взаимодействие с внешней средой по принципу обратной
•связи сменилось естественным отбором. Различие только количест-
венное; и то и другое возникло постепенно.
В подтверждение такой гипотезы возникновения жизни я при-
веду здесь лишь краткую аргументацию, хотя, конечно, необходим
был бы более подробный анализ.
Во-первых, для построения этой гипотезы не нужно привлекать
никаких значительных событий, кроме самого существования сопо-
лимеров, конформация которых влияет на их линейную последова-
тельность. Хотя предложенная гипотеза весьма вероятна, все же
можно возразить, что репликация нуклеиновых кислот уже проде-
монстрирована и что остается только предположить постепенную
эволюцию катализатора типа полимеразы. Однако, как неодно-
кратно указывали Коммонер [20] и другие, это не есть саморепли-
кация с автономной устойчивостью, необходимой для обеспечения
эволюции путем естественного отбора. Наименьшей известной
единицей такой сшиорепликации остается клетка. Несмотря на про-
стоту концепции матричного копирования, никому пока не удалось
398 X. Патти
предложить гипотезу простейшей модели для системы нуклеиновая
кислота — белок, способной к устойчивой репликации и подвер-
женной естественному отбору, не привлекая представления о слу-
чайных процессах. В то же время логическое и физическое рас-
смотрение этого процесса, которое мы находим у фон Неймана
[14] и Вигнера [19], не позволяет прибегать к случайности для
объяснения возникновения саморепликации.
Во-вторых, на основании собственных исследований, а также
на основании данных других авторов по обучающимся машинам
[40] мы знаем, что на начальных стадиях всякого процесса обучения
взаимодействие с внешней средой по принципу стимул — ответ
является довольно быстрым и прямым. Первые этапы нашего обуче-
ния и обучение низших животных, по-видимому, в значительной
степени основаны на заучивании, которое может быть удачным или
неудачным. После того как мы постепенно накопили какой-то запас
эвристических правил или представлений, основанных на более
или менее прямом взаимодействии с внешней средой, огромное число
возможных состояний мозга организуется настолько, что появляет-
ся возможность того, что мы называем собственно «творческим»
мышлением. Процесс мышления становится теперь все более похо-
жим на слепой поиск и выживание в процессе отбора [41, 421,
хотя и об этом типе отбора многое еще предстоит узнать. Этот
общий тип обучения был отобран как наиболее эффективный про-
цесс для обучающихся систем от человека до машин, и он как раз
приемлем на уровне примитивных молекулярных вычислительных
машин. Я уже отмечал [33], что слепой, или беспорядочный, поиск
и процесс отбора неприемлемы с физической точки зрения для
определения даже простейшей последовательности в белке, при
условии что вероятности появления изомерных последовательностей
равны. Мы уже знаем, что беспорядочный поиск без основного
обучения вряд ли будет творческим и продуктивным независимо
от того, идет ли речь о мозге или о программе машины, играющей
в шахматы; и нет никаких оснований предполагать, что беспо-
рядочный поиск может иметь большое значение при опреде-
лении последовательности в полимере. Прежде всего должна
происходить постепенная эволюция упорядоченной структуры
или, как в нашем крайне простом примере с сополимером, эволю-
ция правила наращивания, которое определяет ограничивающие
условия для бесконечно большого числа возможных произвольных
конфигураций. Если представления о самоорганизующихся систе-
мах [43, 44] имеют в какой-то степени общее значение, можно
ожидать, что беспорядочный поиск и естественный отбор среди
самовоспроизводящихся единиц является самым поздним и,
возможно, последним типом наследственных эволюционных
процессов.
Наследственная упорядоченность в примитивных химических системах 399
Наконец, с физической точки зрения можем ли мы ожидать, что
наиболее примитивные агрегаты молекул, на которые влияют гете-
рогенные и изменчивые внешние условия, будут вести себя так же
автономно, как нуклеиновая кислота в обособленной, до некоторой
степени не зависящей от внешней среды клетке? Даже если поли-
нуклеотиды и полипептиды были первыми макромолекулами, обла-
дающими наследственностью, их поведение в условиях примитив-
ной Земли, т. е. их последовательность и способность подвергаться
отбору, должно было сильно отличаться от их поведения в живой
клетке.
Эти аргументы, возможно, никого и не убедят в том, что моле-
кулярные автоматы существуют или что они были предшествен-
никами современных живых систем, но, может быть, они наведут
на мысль о каком-то новом подходе и новых экспериментах. Наслед-
ственный порядок разумно в первую очередь искать в последова-
тельности синтетических полимеров, в их правилах наращивания
и конформации. Фокс и Харада [45] показали, что полимеры, воз-
никающие при термической сополимеризации аминокислот, не бес-
порядочны; об этом говорят данные определения общего состава
и N-концевых аминокислот. Соотношение аминокислот в полимерах
заметно отличается от их соотношения в реакционной смеси. Симха
и Циммерман [46] сообщают также, что на последовательность
естественных и синтетических полинуклеотидов заметное влияние
оказывает предпоследний мономер цепи. Поскольку явление так-
тической полимеризации не понято полностью даже в случае самых
простых полимеров, необходимо провести большую работу, прежде
чем можно будет решить вопрос о реальности молекулярных вычис-
лительных машин. Разработка техники управляемой тактической
полимеризации оказалась очень полезной для улучшения свойств
пластиков, однако достижения в области химии полимеров, в сущ-
ности, до сих пор не применялись для разрешения проблемы проис-
хождения жизни.
Возможно, наследственный порядок следует искать также,
вопреки общепринятому мнению, в белках. Статистическое изуче-
ние последовательности аминокислот в некоторых белках обнару-
живает существование упорядоченности ди- и трипептидных после-
довательностей [47 [ и определенного типа цепей Маркова с-порядка
[48], которые трудно отличить от беспорядочных последователь-
ностей, возникших из смеси разных аминокислот. Единственно
правильный вывод из этих данных заключается не в том, что неупо-
рядоченность играет какую-то роль в процессе выживания, а в том,
что мы еще очень мало знаем о значимости последовательности
в белках. Даже если найти те последовательности оснований,
на базе которых, по-видимому, возникли данные белковые после-
довательности, то все же нельзя было бы сказать, благодаря какому
400
X. Патти
селективному процессу возник этот порядок. Вполне возможно,
что многие изменения в последовательности оснований не имели
никаких последствий, полезных в процессе отбора [49]; вероятно,
также, что какие-то последовательности оснований возникали
в соответствии с очень простыми правилами отбора, как это имеет
место, например, в случае легкой фракции ДНК из мужских поло-
вых желез крабов. Эта ДНК почти целиком представляет собой
АТ-полимер с чередующейся последовательностью А и Т [50]. Воз-
никновение этой последовательности при ферментативном синтезе
ДНК в отсутствие затравочной ДНК [51 ] является веским доводом
в пользу того, что она не определяется естественным отбором.
До тех пор пока не будет более подробно изучено соотношение
последовательностей в молекулах белка и нуклеиновых кислот,
нельзя исключать возможность существования более примитивных
типов наследственного порядка в этих молекулах. В этой связи
стоит отметить, что опытный статистик, изучающий последова-
тельность, состоящую всего из нескольких сот мономеров, обра-
зованную в соответствии с очень простым правилом наращивания
(как в вышеприведенном примере) и образующую петли всего из
десяти мономеров, был бы крайне счастлив доказать, что эта после-
довательность не хаотична.
Из гипотезы о том, что макромолекулярные структуры даже
в простейшем случае обладают наследственными чертами и полу-
чают информацию путем прямого взаимодействия с внешней средой,
вытекает еще один тип экспериментов. По сравнению с любой гипо-
тезой, согласно которой эволюция ставится в зависимость от такого
случайного события, как репликация, эта модель носит механисти-
ческий характер, и условия внешней среды приобретают здесь гораз-
до большее значение. Имеется большое число фактов, показывающих,
что условия окружающей среды могут сильно и специфично влиять
на инициацию, рост и конформацию цепи даже в случае самых
простых полимеров. Если первичный наследственный порядок был
по своей природе именно таким, тогда степень сложности внешних
условий должна была отразиться на сложности поведения возни-
кающих макромолекул. Для того чтобы любая детерминированная
система могла достигнуть какой-то степени сложности, она сама
должна обладать определенным минимальным уровнем сложности.
Сент-Дьёрдьи [52] выразил эту мысль так: трудно построить какой-
либо механизм с помощью детских кубиков. Фон Нейман [14]
считал, что эта «концепция сложности» имеет значение общего
закона, который, однако, еще никто не сумел достаточно четко
сформулировать. Во всяком случае, мы не должны бояться труд-
ностей в своих попытках воссоздать, насколько это возможно, перво-
бытные условия на Земле во всей их сложности. При всех неизбеж-
ных неточностях в деталях воссозданное стерильное морское побе-
Наследственная упорядоченность в примитивных химических системах 401
режье с волнами, приливами и отливами, песком и дождем, сменой
дня и ночи более точно воспроизведет примитивные условия на
Земле, чем строго контролируемые, но слишком упрощенные систе-
мы, изучаемые до сих пор. Конечно, никакой общий химический
анализ в такой системе невозможен, но, с другой стороны, нельзя
ожидать ничего действительно важного от изучения упорядочен-
ности в макромолекуле, если эта упорядоченность не будет отра-
жать сложности условий, в которых она возникла. Обнаружение
в таком эксперименте гомогенности макромолекул любого типа —
в ультраструктуре, заметной лишь при высокой разрешающей
способности электронного микроскопа, или же в химическом пове-
дении — могло бы, очевидно, послужить началом более глубоких
исследований.
Предложенная мною простая гипотеза возникновения наслед-
ственности относит проблему возникновения жизни в мир действия
физических законов и помещает ее между макроскопическими
механическими системами, где возможна полная спецификация
сил и динамических переменных, и статистическими системами
с характерной для них неполной спецификацией состояний. Может
быть, наиболее плодотворным для теории и эксперимента будет
проведение аналогии с автоматами и вычислительными машинами,
которые обладают наивысшей степенью логической и структурной
сложности, искусственно достигнутой человеком. Еще Лаплас
указывал, что неправильно классифицировать сложные системы
на упорядоченные, или детерминированные, и хаотические, или
неупорядоченные, в зависимости от того, понятны нам эти системы
или нет. Хотя мы знаем, что современные живые системы обладают
большой молекулярной сложностью, когда даже самым незначи-
тельным событием нельзя пренебрегать, однако в тех случаях, когда
мы упускаем из виду непрерывную связь между тем, что мы назы-
ваем живой, биологической организацией, и неживыми, химиче-
скими реакциями, и когда мы классифицируем некоторые химиче-
ские явления как случайные события, мы в действительности имеем
дело с развивающимся молекулярным автоматом, который мы пока
еще не понимаем.
ЛИТЕРАТУРА
1. О п а р и н A., The Origin of Life, Macmillan, New York (1938).
2. M i 1 1 e r S. L., U г e у H. C., Science, 130, 245 (1959).
3. C r i c k F. H. C., in «Growth in Living Systems» (M. X. Zarrow, ed.),
Basik Books, New York, p. 3 (1961).
4. Rich A., in «Horizons in Biochemistry» (M. Kasha and B. Pullman, eds),
Academic Press, New York, p. 103 (1962). (Горизонты биохимии, «Мир»,
M., 1964.)
5. Calvin М., Am. Scientist, 44, 248 (1956).
402
X. Патти
6. В 1 u m Н. F., Am. Scientist, 49, 474 (1961).
7. W a t s о n J. D., Crick F. H. C., Nature, 171, 964 (1953).
8. Bridgman P. W., Science, 123, 16 (1956).
9. L a p 1 a с e P. S., Theorie analytique des probabilities 6th ed. Reprinted
(1951) by Dover, New York (1820).
10. Simon H. A., Proc. Am. Phil. Soc., 106, 467 (1962).
11. В e r n a 1 J. D., in «The Origin of Life on Earth» (F. Clark and R. L. M.
Syngeeds), Pergamon Press, New York, p. 38 (1959).
12. L i n s c h i t z H., in «Information Theory in Biology» (H. Quastler,
ed.), Univ, of Illinois Press, Urbana, Illinois, p. 251 (1953).
13. M u 1 1 e r H. J., Bull. Am. Math. Soc., 64, 137 (1958).
14. von Neumann J., in «Cerebral Mechanisms in Behavior» (L. E. Jeff-
ress, ed), Wiley, New York, p. I (1951).
15. Allen G., Am. Naturalist, 91, 65 (1957).
16. Pontecorvo G., Symp. Soc. Exptl. Biol., 12, 38 (1958).
17. A n к e r H. S., Perspect. Biol. Med., 5, 86 (1961).
18. M u 1 1 e r H. J., Perspect. Biol. Med., 5, 1 (1961).
19. Wigner E. P., in «The Logic of Personal Knowledge», p. 231 Routledge
and Kegan Paul, London, p. 231 (1961).
20. С о m m о n e r B., in «Horizons in Biochemistry» (M. Kasha and B. Pull-
man eds), Academic Press, New York, p. 319 (1962) (Горизонты биохимии,
«Мир», M., 1964).
21. Shannon С., The Mathematical Theory of Communication (С. E. Shan-
non and W. Weaver eds.), Univ, of Illinois Press, Urbana, Illinois, p. 19
(1949).
22. Kimura M., Genetical Research, 2, 127 (1961).
23. F 1 о г у P. J., Principles of Polymer Chemistry, Cornell Univ. Press,
Ithaca, New York, p. 102 (1953).
24. В i r s h t e I n T. M., G о 11 1 i b Y. Y., P t i t s у n О. B., J. Polymer
Sci., 52, 77 (1961).
25. Ham G., J. Polymer Sci., 80, 2387 (1962).
26. Ziegler K., Angew. Chem., 64, 323 (1962).
27. N a t t a G., Pino P., Cor r a di n i P., D a n usso F., Nanti-
c a E., M a z z a n t i G., M о r a g 1 i о G., J. Am. Chem. Soc., 77,
1708 (1955).
28. G а у 1 о r d N. G., Mark H. F., Linear and Stereoregular Addition
Polymers: Polymerization with Controlled Propagation, Wiley (Inter-
science), New York (1959).
29. Feller W., An Introduction to Probability Theory and Its Application,
p. 369. Wiley, New York (1957).
30. L i n d e m e у e r H. H., J. Polymer Sci., Pt. С. 1, 5 (1963).
31. S z w а г с M., Chem. and Ind., p. 1589 (1958).
32. I d e 1 s о n M., Blout E. R., J. Am. Chem. Soc., 80, 2387 (1958).
33. P a t t e e H., Biophys. J., 1, 683 (1961).
34. Crick F. H. C., Symp. Soc. Exptl. Biol. (Great Britain), 12, 138 (1958).
35. T u r i n g A. M. Proc. Lond. Math. Soc., 2—42, 230 (1956).
36. S t a h 1 W. R., G о h e e n H. E., J. Theoret. Biol. 5, 266 (1963).
37. Pringle J. W. S., Behavior, 3, 174 (1951).
38. A s h b у W. E., «Design for a brain», Wiley, New York (1952). (Эшби,
Конструкция мозга, «Мир», М., 1964.)
39. Т u г i n g А. М., in «The World of Mathematics» (J. R. Newman, ed),
Simon and Shuster, New York, Vol. IV, p. 2099 (1956).
40. Newell A.,Shaw J. C., Simon H. A., in «Self Organizing Systems»
N.C. Yovits and S. Cameron, eds), Pergamon Press, New York, p. 153 (1960).
41. H a d a w a r d J., The Psychology of Invention in the Mathematical
Field, Princeton Univ. Press, Princeton, New Jersey (1945).
Наследственная упорядоченность в примитивных химических системах 403
42. Campbell D. Т., in «Self-Organizing Systems» (М. С. Yovits and
S. Cameron, eds), Pergamon Press, New York, p. 205 (1960).
43. von Foerster H., in «Self-Organizing Systems» (M. C. Yovits and
S. Cameron, eds), Pergamon Press, New York, p. 31 (1960).
44. Ashby W. R., in «Principles of Self-Organization» (H. von Foerster
and G. W. Zopf, Jr., eds), Pergamon Press, New York, p. 255 (1962).
45. Fox S. W., Harada K., J. Am. Chem. Soc., 82, 3745 (1960).
46. S i m h a R., Zimmerman J. M., J. Theoret. Biol., 2, 87 (1962).
47. W i 1 1 i a m s J., С 1 e g g J. В., M u t c h M. O., J. Mol. Biol., 3, 532
(1961).
48. P a t t e e H., Thiebaux H. J., 8th Ann. Meeting, Biophys. Soc.,
Chicago (1964).
49. Freese E., J. Theoret. Biol., 3, 82 (1962).
50. S u e о к a N., J. Mol. Biol., 3, 31 (1961).
51. Schachman H. K., Adler J., R a d di ng С. M., Lehman
J. S., К о r n b e r g A., J. Biol. Chem., 235, 3242 (1960).
52. Szant-Gyorgyi A., Nature of Life. A Study on Muscle, Academic
Press, New York (1948).
ОБСУЖДЕНИЕ ДОКЛАДА
Мора. Замечания, высказанные по поводу выступления
д-ра Шрамма, я могу повторить и сейчас. Я не могу понять
постепенной эволюции отбора молекул, обладающих устойчивой
способностью к образованию копий (репродуцибельностью), если не
предположить, что начальная степень этой способности была
достаточно высока, чтобы преодолеть эффекты рандомизации; и я не
понимаю, как это свойство молекул можно объяснить с помощью
общепринятых физических и химических представлений.
Д-р Патти в своей модели отмечает определенное влияние,
которое могут оказывать соседние группы на последовательность
в процессах сополимеризации, и предполагает, что именно оно
определяет линейную последовательность. Действительно, это пред-
положение, базирующееся на законах полимеризации; весьма веро-
ятно, однако,— и я думаю, что д-р Патти также согласится со
мной,— это означает лишь, что вы имеете тактический полимерный
кристалл, и вовсе не означает, что порядок наследуем или что система
обладает способностью к самовоспроизведению или к эволюции.
Патти. Д-р Мора затронул проблему возникновения устой-
чивой саморепликации из хаоса. Это, конечно, основной вопрос.
Уровень сложности, характерный для самореплицирующейся еди-
ницы, способной к мутированию и развивающейся путем естествен-
ного отбора, выходит далеко за пределы моей темы. Прежде чем
можно будет сказать, как функционируют такие сложные организ-
мы, мы должны изучить основные процессы, происходящие на уров-
не макромолекул. Я предположил, что даже в случае простых
полимеров наблюдаются достаточно сложные взаимодействия после-
довательности , структуры и функции, позволяющие на основе
404
X. Патти
наследственного процесса объяснить постепенную эволюцию, куль-
минационный пункт которой — появление самореплицирующихся
систем. Так же, как все вычислительные машины независимо от
степени их сложности должны обладать некоторой минимальной
сложностью структуры и функций, для того чтобы служить в качест-
ве счетно-решающих устройств, для существования и воспроиз-
ведения живых систем необходим какой-то минимальный набор
молекулярных процессов. Я предположил, что основные процессы
в обоих случаях логически одинаковы, хотя их физические проявле-
ния различны. Для обоснования этой мысли нужно было бы приве-
сти экспериментальные данные по зависимости последователь-
ности в простых сополимерах от их конформации. С физической
точки зрения это вполне вероятно. Наличия подобной зависимости
достаточно, чтобы говорить о молекулярных автоматах, которые
очень примитивным способом могут обучаться, запоминать и раз-
виваться. Я думаю, что более плодотворным было бы обсуждать
эти вопросы с помощью понятий химии полимеров, а не примитив-
ной биологии.
Оро. Мы пользуемся терминами «хаос», «абсолютная неупоря-
доченность» и «максимум энтропии» так, как если бы такие состоя-
ния существовали, хотя в действительности это не имеет места.
Может быть, во Вселенной такие состояния могут быть достигнуты,
но в настоящее время они нереальны. Кто-то сказал, что хаос —
это непонятый порядок. Это означает, что если мы более детально
изучим систему, которую называли хаотичной или беспорядочной,
мы в'конце концов найдем в ней какую-то степень порядка. Я хочу
проиллюстрировать это положение, которое, полагаю, связано
с темой лекции д-ра Патти и экспериментальными наблюдениями
проф. Шрамма. Шрамм синтезировал разветвленные полинуклео-
тиды, содержащие 3',5'- и 2',5'-фосфодиэфирные связи. Нашей
первой реакцией было назвать эти полинуклеотиды неупорядо-
ченными полимерами. Однако это было бы ошибочным заключе-
нием. Предположим, что мы имеем разветвленную полиуридиловую
кислоту (поли-У), и пусть в рассматриваемой нами части молекулы
будет, скажем, 30 У, связанных 3',5'-фосфодиэфирными связями.
Это отражает существование определенной, хотя и малой степени
порядка в молекуле, и вполне возможно, что этот небольшой упоря-
доченный участок внутри так называемого неупорядоченного поли-У
может выполнять роль матрицы для образования полифенилала-
нина, содержащего десять остатков фенилаланина. Если бы это
действительно происходило, тогда в результате синтеза молекулы
полифенилаланина, состоящей всего из десяти остатков,тимело бы
место значительное (примерно десятикратное) увеличение поряд-
ка в сравнении с порядком, существовавшим в системе из молекул
свободных аминокислот. Следовательно, так называемые неупоря-
Наследственная упорядоченность в примитивных химических системах 405
доченные полимеры обладают некоторой степенью порядка, и, кроме
того, этот порядок может быть передан к менее упорядоченным
молекулам. Но — и я думаю, д-р Патти согласится со мной,—
это означает лишь, что вы имеете тактический полимерный кри-
сталл, но не означает, что порядок наследственный или что система
обладает способностью к самовоспроизведению или способностью
к эволюции.
Еще один вопрос. Если я правильно понял, вы сказали, что
мутации означают потерю информации. В каком смысле — чисто
математическом или биологическом — следует понимать это утвер-
ждение?
Патти. Я говорил о накоплении информации в органическом
мире путем мутаций; я указывал при определении информации,
что мутация в момент ее возникновения означает потерю информа-
ции, а в процессе отбора в популяции реплицирующихся систем
происходит увеличение информации. В связи с этим я хочу еще
раз напомнить о работе Кимуры [22], в которой подробно изложены
эти положения.
Оро. Не могли бы вы принять в качестве дополнительного
определения мутации изменение или модификацию информации?
Чтобы выразить биологический смысл явления, мутацию можно
рассматривать как замену одного триплета другим, так что мутация
в некоторых случаях может означать именно изменение информа-
ции, а не ее потерю.
Патти. Я принимаю ваше определение. Я понял, что вы
имеете в виду. Этот вопрос уже раньше обсуждался, но, поскольку
я хочу использовать здесь стандартное определение информации,
я не могу принять эту поправку.
РОЛЬ КОДИРУЮЩИХ ТРИПЛЕТОВ в эволюции
ГЕНОВ ГЕМОГЛОБИНА И ЦИТОХРОМОВ с
Т. ДЖУ КС
Space Sciences Laboratory, University of California,
Berkeley, California
Тема этого выступления отличается от главной темы симпозиума
тем, что в нем речь идет об эволюции живых организмов, а не пред-
биологических систем. Такое несоответствие можно извинить,
поскольку для определения природы предбиологических систем
необходимы данные о химии ранних форм жизни.
Строение белков зависит от информации, заключенной в генах.
Информация заключена в последовательности оснований в генети-
ческой молекуле дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Эта
последовательность подвержена мутационным изменениям, которые
являются частью эволюционного процесса. Мутационные изме-
нения отражаются на составе белков благодаря механизму пере-
вода последовательности оснований ДНК в последовательность
аминокислот.
Современные представления об аминокислотном коде почти
полностью базируются на химических экспериментах с бактериаль-
ными клетками. Эти эксперименты позволили воспроизвести фер-
ментативный синтез полипептидов в системах, содержащих амино-
кислоты, транспортную рибонуклеиновую кислоту (s-PHK), рибо-
сомы и различные кофакторы, а также неочищенные ферменты,
необходимые для образования пептидов с упорядоченной амино-
кислотной последовательностью. После открытия, сделанного Ни-
ренбергом и Маттеи [1], начали применять в качестве «матрицы»
синтетические полирибонуклеотиды, например полиуридиловую
кислоту, приводящую к образованию полифенилаланина в бескле-
точной системе из Escherichia coli. За этим открытием последовали
эксперименты, в которых синтетические полирибонуклеотиды, содер-
жащие различные соотношения оснований А, Ц, Г, У и Гк (аденин,
цитозин, гуанин, урацил и гипоксантин), использовались как
матрицы, или «искусственные информационные РНК» для биоло-
гического синтеза полипептидов [2—7]. Результаты этих иссле-
дований суммированы в другой работе [8]. Перечень предпола-
гаемых кодирующих триплетов приведен в табл. 1. Принято счи-
тать, что каждая группа из трех последовательных оснований —
Кодоны и эволюция генов гемоглобина и цитохромов с
407
«триплет» — в синтетических полирибонуклеотидах или в естест-
венной информационной РНК (m-РНК) кодирует какую-либо одну
аминокислоту. Установить последовательность оснований в каждом
триплете экспериментальным путем не удалось; исключение, по-ви-
димому, составляют триплеты АУУ (тирозин) и ГУУ (цистеин).
Таблица 1
Триплеты аминокислотного кода*
Аминокис- лота Кодирующие триплеты информационной РНК Не полностью расшифро- ванные триплеты
Ала ЦАГ, ЦЦГ, ЦУГ ц?г
Apr ГАА, ГЦЦ, ГУЦ г?ц
AcnNH2 ЦАА, ЦУА, ГУЦ ?АА, Ц?А
Асп ГЦА, ГУА Г?А
Цис ГУУ
Глу ААГ, АУГ А?Г
Гли ГАГ, ГЦГ, ГУГ г?г
ГлуМН2 ААЦ, УАЦ, ГГА ?АЦ
Гис АЦЦ, АУЦ А?Ц
Илей ААУ, ЦАУ, УУА ?АУ
Лей УАУ, УГУ, УУЦ, ЦЦУ
Лиз ААА, АУА А?А
Мет УГА
Фен УЦУ, УУУ У?У
Про ЦАЦ, ЦЦЦ, ЦУЦ Ц?Ц
Сер Ацг, ЦУУ, УЦЦ
Тре АЦА, ЦЦА, УЦА, ЦГЦ ?ЦА
Три УГГ
Тир АЦУ, АУУ А?У
Вал УУГ
* Из работы Баба н сотр. [6] с последующими добавлениями.
Однако на основании изучения мутаций, приводящих к изменению
отдельных аминокислот в белках, было сделано предположение
о последовательности оснований в других триплетах. Некоторые
из этих мутаций были обнаружены в природе, а другие получены
воздействием химических мутагенов или ультрафиолетовых лучей.
Результаты исследований в этом направлении, выполненных в ряде
различных лабораторий [9—21], обобщены в табл. 2; анализ
Таблица 2
Изменения отдельных аминокислот в белке в связи
с изменениями отдельных оснований в т-PHК
Белок * Аминокислотное замеще ине Соответствующее замещение основания
НЬ, ВТМ** Лиз/АспМН2 А/Ц, А/У
нь Лиз/Асп А/Г
НЬ Лиз/Глу А/Г
ВТМ AcnNH2/Cep А/У
ВТМ ** AcnNH2/Apr Ц/Г
ВТМ**, нь AcnNH2/Acn Ц/г
нь Гис/Тир Ц/У
нь Гис/Арг А/Г
л Гис/ГлуМН2 Ц/А, У/А
нь ГлуМН2/Арг Г/А
тс Глу/Ала А/Ц
нь Глу/ГлуМН2 Ц/Г
НЬ, ВТМ, тс Глу/Гли А/Г
НЬ, ТС, ВТМ Глу/Вал А/У
тс Тир/Цис А/Г
ВТМ Тир/Фен А/У
Цит. с Мет/Лей А/У
ВТМ Лей/Фен Ц/У
ВТМ Тре/Сер А/Г, А/Ц
ВТМ Тре-Мет Ц/Г
ВТМ, тс Тре/Илей Ц/У, Ц/А
ВТМ Про/Лей Ц/У
ВТМ Про/Сер Ц/У
Л, ЩФ Ала/Вал Ц/У
ВТМ, тс Сер/Лей ц/у
ВТМ Сер/Фен Ц/У
ВТМ Асп/Ала (Г?А, Ц?Г)
ВТМ, НЬ, Л, тс Асп/Гли А/Г
тс Гли/Вал Г/У
тс Гли/Цис Г/У
ВТМ, тс Арг/Гли Ц/Г, А/Г
тс Арг/Сер Ц/Г
тс Арг/Лей Г/У
тс Арг/Тре
ВТМ Илей/Вал А/Г
ВТМ Илей/Мет У/Г
* Обозначения: НЬ — гемоглобин; ВТМ — белок вируса табачной
мозаикн; ТС — трнптофансннтетаза; Л — бычнй р-лактоглобулин;
ЩФ — щелочная фосфатаза; Цит. с — цитохром с.
** Спонтанные изменения в ВТМ.
Кодоны и эволюция генов гемоглобина и цитохромов с
409
приведенных работ можно найти в обзоре Джукса [8]. Некоторые
изменения были получены в результате обработки вируса табачной
мозаики (ВТМ) азотистой кислотой. При действии азотистой кисло-
ты РНК вируса табачной мозаики дезаминируется таким образом,
что цитозин превращается в урацил, а аденин — в гипоксантин,
который ведет себя подобно гуанину. Эти изменения в ряде случаев
вызывают доступные идентификации замены одной аминокислоты
на другую в белковой оболочке ВТМ, например, пролин заменяет-
ся лейцином, что соответствует замене Ц на У в кодирующем три-
плете.
Полагают, что биологический синтез полипептидов происходит
в полисомах, агрегатах рибосом, которые удерживаются вместе
одной молекулой информационной РНК или в случае «искусствен-
ной» бесклеточной системы молекулой синтетического полирибо-
нуклеотида. В результате образования поперечных связей синте-
тические полирибонуклеотиды утрачивают одноцепочечную струк-
туру, которая, как предполагается, необходима для образования
полисом и синтеза полипептидов. Поскольку полирибонуклеотиды,
содержащие гуанин, особенно легко образуют поперечные связи,
они лишь с трудом применимы в экспериментах с бесклеточными
системами, синтезирующими белки. Возможно, что именно труд-
ностями, связанными с использованием полирибонуклеотидов,
характеризующихся высоким содержанием гуанина, можно объяс-
нить тот факт, что 16 триплетов, содержащих гуанин, остались-
пока нерасшифрованными. В настоящее время расшифрованы функ-
ции 48 триплетов, причем 2 аминокислоты кодируются каждая
четырьмя триплетами, 8 аминокислот — тремя триплетами, 6 ами-
нокислот — двумя триплетами и только 4 аминокислоты коди-
руются каждая одним триплетом. Этих данных достаточно, чтобы
объяснить 34 из 36 известных мутаций отдельных аминокислот,
включая все мутации в гемоглобинах, на основании точечных мута-
ций в кодирующих триплетах (см. табл. 2). Кроме того, знание
состава 48 триплетов позволяет довольно подробно исследовать-
эволюционные изменения в белковых цепях в связи с мутацион-
ными изменениями в молекуле ДНК. Такое исследование как раз
и является предметом данного сообщения. Последовательность
оснований в триплетах, приведенных в табл. 1, выведена в боль-
шинстве случаев на основе некоторых предположений. Однако
даже если в дальнейшем последовательности многих триплетов-
окажутся измененными, это не изменит хода рассуждений, хотя
может оказаться необходимым введение некоторых количественных
поправок. Например, мы определили, что кодирующими три-
плетами для глутаминовой кислоты являются триплеты АТГ и ААГ,
а для аспарагиновой — ГТА и ГЦА. Следовательно, для замены
глутаминовой кислоты на аспарагиновую в белке необходимо изме-
-410
Т. Джукс
нение по крайней мере двух оснований в коде. Если же обнару-
жится, что эти аминокислоты кодируются другими триплетами,
то замена глутаминовой кислоты на аспарагиновую может быть
связана с заменой только одного основания. Такие исправления
для ошибочных или для нерасшифрованных в настоящее время
кодонов должны изменить некоторые из приведенных ниже подсче-
тов, но в незначительной степени. Кроме того, статистический анализ
показывает, что некоторые изменения аминокислот, происходящие
в процессе эволюции, должны быть результатом замены двух или
трех оснований в одном и том же кодирующем триплете, при усло-
вии что мутации в генетическом материале происходят случайно.
Этот вопрос будет рассмотрен в дальнейшем. В табл. 3 показаны
возможные изменения аминокислот, которые могут происходить
при замене одного основания в кодирующих триплетах, приведен-
ных в табл. 1.
Сделано предположение, что эволюция в значительной степени
-обусловлена мутациями, приводящими к изменению длины молекул
.ДНК или к замене оснований. Любое из четырех оснований может
быть заменено на другое, причем такие замещения могут происхо-
дить в обеих цепях молекулы. Вновь появившееся основание свя-
зывается комплементарным основанием во время следующего мито-
за, и возникшая пара оснований участвует в процессе копирования
в ходе клеточного деления; возможно, что через много поколений
в этом же локусе произойдет следующее замещение или повреж-
дение. Если эти изменения затрагивают структурный ген, то они
влекут за собой соответствующие изменения в аминокислотной
последовательности белков. В настоящее время невозможно рас-
шифровать гены путем непосредственного изучения их нуклеотид-
ной последовательности. Однако имеется возможность определять
порядок аминокислот в белке. Если оказывается, что какой-то
общий предшественник дал начало двум белкам с различной ами-
нокислотной последовательностью, то можно считать, что эти
различия отражают изменения, возникшие в составе оснований
соответствующих генов. С этой точки зрения полезно исследовать
исходную структуру набора гомологичных белков. Такого рода
данные имеются для гемоглобинов и миоглобина [22—24]. Все
описанные для гемоглобина мутации отдельных аминокислот соот-
ветствуют точечным мутациям оснований в кодирующих триплетах.
Эти изменения сведены в табл. 4.
Гемоглобины — это белки красных кровяных клеток животных.
Гемоглобины всех позвоночных, за исключением круглоротых,
представляют собой тетрамерные молекулы, состоящие из четы-
рех пептидных цепей [23]. Гемоглобин нормального взрослого
человека (гемоглобин А) содержит две a-цепи и две P-цепи и может
быть сокращенно обозначен формулой агРг- Гемоглобин плода
Кодоны и эволюция генов гемоглобина и цитохромов с
411
Таблица 3
Замены аминокислот, которые могут происходить в результате изменения
одного основания в кодирующих триплетах
Амино-
кислота
Возможные замещения *
Ала AcnNH2 Г лу Г ли Илей Лей Про Сер Тре Вал
Apr AcnNH2 Асп Цис Г лу\Н2 Г ли Г ис Лей Лиз Про Сер
AcnNH2 Асп Г луЫН2 Илей Лей Лиз Мет Про Сер Тре
Асп ГлуМН2 Гли Илей Лиз Тре
Цис Гли фен Сер Тир
ГлуМН2 Г лу Гис Илей Лей Лиз Мет Про
Глу Гли Гис Илей Лиз Сер Тир Вал
Гли Сер Вал
Гис Лиз Про Сер Тре Тир
Илей Лей Лиз Мет Фен Про Сер Т ре Тир Вал
Лей Мет Фен Про Сер Тре Три Вал
Лиз Тре Тир
Мет Тре Три
Фен Сер Тре Тир Вал
Про Сер Тре
Сер Т ре Тир
* Выделенные курсивом аминокислоты наблюдались в мутациях, перечисленных
в табл. 2.
(гемоглобин F) имеет формулу поскольку он содержит две
у-цепи, которые у взрослых заменяются P-цепями. Второй тип
гемоглобина взрослого человека (А2), встречающийся в меньших
количествах, имеет формулу агбг2- Как видно из обозначений
вместо двух P-цепей, присущих гемоглобину А, он содержит две
б-цепи. Гены, ответственные за различные пептиды, могут быть изо-
бражены следующим образом для случая диплоидной клетки [24].
а.А
рА <?Аз
Предполагается, что каждый из этих парных генов является
частью двухцепочечной молекулы ДНК, причем каждый ген содер-
412
Т. Джукс
Таблица 4
Мутационные изменения аминокислот в а- и р-гемоглобинах человека*
Локализация изменения Аминокислотное замещение Предполагаемое изме- нение в кодирующих триплетах
а-16 Лиз/Асп АУА/ГУА
а-30, р-121 Глу/Глу1УН2 ААГ/ААЦ
а-54 ГлуМН2/Арг ГГА/ГАА
а-22, а-57 Г ли/Ас п Г?Г/Г?А (а) **
а-58, а-87, р-63 Гис/Тир А?Ц/А?У (а)
а-68 Асп1УН2/Лиз Ц?А/А?А (б) **
а-116, Р-6, Р-7, Р-26 Р-121 Глу/Лиз А?Г/А?А (б)
р-6 Глу/Вал АУГ/УУГ
р-7 Глу/Гли А?Г/Г?Г (б)
Р-63 Гис/Арг А?Ц/Г?Ц (а)
Р-67 Вал/Глу УУГ/АУГ
Р-79 Acn/AcnNH2 ГУА/ЦУА
* См. [8, 9, 17, 19, 20, 23, 24].
** (а) — пропущенным основанием может быть А или Ц; (б) — пропущенным основа-
нием может быть А или У.
жит около 440 пар оснований. На одной из цепей гена при участии
РНК-полимеразы образуется комплементарная одноцепочечная
молекула информационной РНК, которая в свою очередь кодирует
биосинтез полипептидной единицы. Последняя становится частью
молекулы гемоглобина.
Гены у функционируют в эмбриональный период, тогда как
P-гены в это время, видимо, «выключены». В течение первых шести
месяцев жизни положение меняется: у-пептиды постепенно исчезают
и заменяются P-цепями. Предполагается, что это вызвано изме-
нением скорости образования молекул соответствующей информа-
ционной РНК-
Был изучен целый ряд аномальных гемоглобинов. Так, напри-
мер, при серповидноклеточной анемии одна из цепей РА в молекуле
гемоглобина замещается цепью ps. В этом случае диплоидный
генотип гемоглобина можно представить себе следующим образом:
у1' ,8Аг
<хА
Кодоны и эволюция генов гемоглобина и цитохромов с
413
Гетерозиготный индивидуум будет давать потомство с двумя типами
молекул гемоглобина — «гРг и агРг- Присутствие цепей [3s вызы-
вает серповидноклеточную анемию.
Миоглобин является родственным гемоглобину белком мышц.
Его молекула представляет собой одинарную пептидную цепь.
Состав миоглобина и результаты его изучения в генетическом
аспекте будут рассмотрены ниже.
В результате длительных и глубоких исследований были изу-
чены состав и аминокислотная последовательность в молекулах
различных гемоглобинов. На основании полученных данных были
созданы теории эволюции генов гемоглобина; этот вопрос подробно
рассмотрен Цукеркандлем и Полингом [25], Ингремом [24] и дру-
гими авторами.
Эволюцию гемоглобина и миоглобина можно представить себе
следующим образом. Биохимическим предшественником совре-
менных миоглобина и гемоглобинов послужила миоглобиноподоб-
ная молекула, состоявшая из одинарной полипептидной цепи,
содержащей одну группу гема. Когда ген этой молекулы (обозна-
чим его Д) претерпел дупликацию и транслокацию с образова-
нием 2 генов, один из этих последних, а именно ген a-цепи, раз-
вивался таким образом, что его продукт (a-цепь) приобрел свойство
образовывать димеры в растворе с образованием молекулы а2 [24].
Согласно следующему постулату, гены a-цепи вновь претерпевали
дупликацию, в результате которой возникал примитивный у-ген
,(Р2), что привело к образованию тетрамеров (а2у2). Позднее у-ген
дуплицировался, давая примитивный P-ген (Р3), который в свою
очередь удвоился — сравнительно недавно — и образовал прими-
тивный 6-ген (Р4), так что в настоящее время имеется четыре гена
гемоглобина, как показано на фиг. 1. Ген миоглобина эволюцио-
нировал, не претерпевая удвоения, но подвергаясь различным
мутационным изменениям.
Кроме того, рассматриваемый период составляет сотни миллио-
нов лет, за это время произошло разделение на различные
типы, порядки, семейства, роды и виды. Каждый вид имеет свой
собственный набор генов гемоглобина, который развивался само-
стоятельно.
Последовательность аминокислот для полипептидных цепей
миоглобина и четырех нормальных гемоглобинов человека приве-
дена в табл. 5. Не все цепи имеют одинаковую длину; поэтому
они были совмещены по аминокислоте в положении 21, одинаковой
для всех молекул, о которых идет речь. Для совмещения цепей
необходимо в некоторых местах оставлять пробелы. Этот процесс
кажется несколько произвольным, но можно полагать, что он
имеет генетическую основу, т. е. может быть связан с выпадением
части молекулы ДНК в результате мутаций и с последующим вое-
414
Т. Джукс
соединением участков цепей ДНК по месту разрыва. Именно это,
по-видимому, произошло, например, в случае участка цепи между
локусами 50 и 51 (a-цепь) (табл. 5).
^-Миоглобин
CLS-Bce гемо-
глобины
-5--------^Гг HbF
—Рг—?----НЬА
-----*~8г НЪД2
Фиг. 1. Эволюция генов гемоглобина.
Предполагают, что аминокислоты в положении 21 весьма сущест-
венны для структуры и функций белков группы глобина, который
соединяется с гемом и используется при переносе кислорода. Дру-
гие аминокислоты могут, очевидно, изменяться в значительной
степени, что, однако, не дает летального эффекта, и можно сравни-
вать эти «изменяющиеся» локусы в различных цепях в связи с изме-
нениями соответствующих кодирующих триплетов. Так, например,
лизин в положении 138 1 в миоглобине соответствует предполагае-
мым кодирующим триплетам ААА и АТА, треонин в положении 134
в а-гемоглобине — триплетам АЦА, ЦЦА, ТЦА и ЦГЦ; аспарагин
в положении 139 в Р-гемоглобине — триплетам ЦАА, ЦТА и ТАА
и серин в положении 139 в у-гемоглобине — триплетам АЦГ, ТЦЦ
и ЦТТ. Триплеты АТА, АЦА, ЦТА и ЦТТ могли возникнуть из
одного триплета путем последовательной замены одного основания;
можно предположить, что эволюция этих триплетов происходила
согласно схеме, приведенной на фиг. 2.
Названные аминокислоты (лизин, аспарагин, серин и треонин)
на первый взгляд кажутся никак между собой не связанными;
однако из приведенных выше рассуждений следует, что их можно
рассматривать как результат трех изменений одного основания
в молекуле ДНК в процессе эволюции.
1 По-видимому, опечатка; из табл. 5 следует, что в положении 139.—
Прим, перев.
Кодоны и эволюция генов гемоглобина и цитохромов с 415'
Применение подобного метода для анализа аминокислотных
последовательностей четырех исследуемых белков позволило сде-
лать предположения относительно состава соответствующих генов.
Это было сделано в работе Джукса [22]. Можно заключить, что
белок, который кодировался геном Pit по своему составу занимал
промежуточное положение между современным миоглобином и гемо-
глобинами. Аналогично примитивный а-гемоглобин по своей пер-
вичной структуре должен был занимать промежуточное положение
между современными |3- и у-гемоглобинами, с одной стороны,
и современным а-гемоглобином — с другой, хотя различие в первом
случае было, по-видимому, более значительным, чем во втором.
Это объясняется тем, что [3- и у-гемоглобины изменялись быстрее,
чем а-гемоглобин [24].
Различия между аминокислотными последовательностями гемо-
глобинов обусловлены соответствующими различиями в последова-
тельности оснований соответствующих генов, возникшими в резуль-
тате мутаций. Если рассмотреть в качестве модели линейный ряд
из 300 оснований (А, Ц, Г и Т), распределение которых совершенно
случайно, то можно рассчитать вероятность замены каждого из
этих оснований на любое другое в результате случайных мутаций.
С увеличением частоты мутаций вероятность того, что один локус
будет изменен дважды, возрастает. Средние вероятности, получен-
ные по формуле Пуассона, приведены в табл. 6.
Локусы, мутировавшие два или более раз, будут мутировать
снова, причем вероятность того, что каждое один раз измененное
В строках 1—4 приводится последовательность аминокислот в миоглобине
б-гемоглобина (б) от 0-гемоглобина, а также а-гемоглобина лошади и других
б—бык, о—овца) от а-гемоглобина человека, Р-гемоглобина других приматов
века [27]. Следующие 5 строк содержат перечень возможных кодирующих три
гипотетических предшественников миоглобинов и гемоглобинов; Р2—кодирую
триплеты для предшественников |3- и у-гемоглобинов; Р4 — кодирующие три
возможна замена кодирующих триплетов; например, для Ала/Сер—ЦТГ/ЦТТ
ТТЦ/ТТТ или ЦЦТ/ТЦТ (М-71) и т. д.
Белок 152
М НООС— ГлуЫН2 Гли
а
3
Y
в и др.
М
а
3
V
6 и др.
?
Р1
(если от-
личается от
Р1)
Рз (если от-
личается от
Р1)
Pl (если от-
личается от
₽1)
Тир Гли Лей
Феик
А?Т
т?т
Ц,Т
146
Глу Лиз
141
НООС — Apr
146
НООС — Гис
146
НООС — Гис
АТА
ГТЦ
АТЦ
АТЦ
АТЦ
Белок М Лей Ала Лиз Асп 130 Мет Ала Гли Глу Ала Асп
а Лей Фен Лиз Асп Лей Сер Ала Гис Вал 12G Ала
3 Вал Вал Лиз ГлуЫНг Три Ала Ала EnyNl I2 Вал Про
У в и др. Вал Мет Лиз ГлуЫНг Три Сер Ала ГлуЬ1Н2 Вал б Мет Глу б ГлуПН2
М ттц цтг А?А Г?А ТГА ЦТГ Г?Г АТГ цтг Г?А
а ттц ттт А?А ПА тгт цтт шг АТЦ ттг ЦАГ
₽ ттг ттг А?А ГГА АТТ ЦТГ ц?г ААЦ ттг ЦАЦ
Y д и др. ТТГ ТГА А?А ГГА тгг цтт ц?г ААЦ ттг ТГА ААГ ААЦ
417
Таблица 5
(М) и а-, (3- и у-гемоглобинах' (НЬ) человека; в строке 5 даны отличия
животных (л—лошадь, г—горилла, ор—орангутанг, ц—цыпленок, кр—кролик,
( + ) от р-гемоглобина человека [26] и миоглобина кита (к) от миоглобина чело-
плетов для аминокислот из верхних столбцов. Р1— кодирующие триплеты для
щие триплеты для предшественников а-, [3-и у-гемоглобинов; Р3—кодирующие
плеты для предшественников а-гемоглобинов человека и лошади. В ряде локусов
или ЦЦГ/АЦГ (М-89), для Лей—любой из его кодонов (М-88) и для Лей/Фен —
Тир Тир Асп Лиз 140 Лей Сер Глу 130 Ала
Сер Сер Ала Тре Мет Лей Асп Вал Лиз Тре Apr Сер Фен Вал
Тир Лиз Гис Ала Лей Ала AcnNH2 Ала Вал Гли Ала
Тир Apr Лизк Сер Алак Сер Лей Илейк Ала Сер Ала Вал Г ли Тре Сер
А?Т ГТА АЦГ ЦЦГ ТГА ГТА АТА ГЦЦ ТТТ ТТЦ АТГ
А?Т ААА АЦГ АЦА ТГТ ТТГ АЦА АЦГ ТТГ ТЦЦ ЦТГ
А?Т ААА АЦЦ ЦЦГ ТГТ ЦТГ ЦТА ЦЦГ ТТГ ГТГ ЦЦГ
А?Т Ц,Т ГАА АТА АЦГ ЦЦГ АЦГ ТГТ ТТА ЦТГ ЦТТ ЦЦГ ТТГ ГТГ ЦЦА иттл
А?Т ААА АЦГ АЦГ ТГТ ГТГ АТА Г ЦТ ТТГ ТТЦ цтг
цтг цта ццг гтг цпг
120
Ала Гли Феи Асп 116 Гли 1 15 Про Гис Лиз Тре AcnNH2 1 11 Лей Вал
Про Тре Фен Глу 121 Ала Про Лей Гис 117 Ала 116 Ала Лей
Про Тре Фен Глу 121 Лиз Гли Фен Гис Гнс Ала Лей
Про Тре Фен Глу Лиз ГлуМН2 Асп Лиз АспЫНг Гли Феи Аргк Гис 6 AcnNH2 Илей 6 Apr Вал Гиск Ала Лей
ц?г гцг т?т ГТА Г?Г Ц?Ц А?Ц АТА АЦА ЦТА ЦЦТ ТТГ
Ц?Ц АЦА т?т АТГ ц?г Ц?Ц ТТЦ АТЦ ЦТГ ЦЦГ ТТЦ
ц?ц АЦА Т?Т ААГ А?А г?г ТТТ АТЦ АТЦ ЦЦГ ТТЦ
ц?ц АЦА т?т АТГ ААА ААЦ А?А Ц?АД г?г ТТТ ГАА АТЦ ЦТА ТТА ГТЦ ттгл ЦЦГ ТТЦ
418
? А,Т ц, т А, Ц, Т А, Т, А.
Pl ттц P2 (если от- личается от Pl) Рз (если от- личается от Р1) Р& (если от- личается от Р1) ТТГ А?А Г?А ГГА ТГТ ЦТТ Ц?Г АТЦ ТТГ ААЦ ЦАГ
Белок 1 10
М Сер Гис Илей Ала Глу Сер ГлуЬШо Феи Глу Лей
107 105
а Тре Вал Лей Лей Цис Гис Сер Лей Лей Лиз
110
Р Вал Цис Вал Лей Вал АспЫНз Гли Лей Лей Apr
у Вал Тре Вал Лей Вал AcnNHs Гли Лей Лей Лиз
6 и др. Гиск Сер Илейк
М АЦГ АТЦ ТТА ЦТГ АТГ ЦТТ ААЦ ТТТ АТГ ТАТ
а АЦА ТТГ ТТЦ ТТЦ ГТТ АТЦ АЦГ ТТЦ ТТЦ ААА
р ТТГ ГТТ ТТГ ТТЦ ТТГ ЦТА ГЦГ ТТЦ ТТЦ ГАА
у ТТГ ТЦА ТТГ ТТЦ ТТГ ЦТА ГЦГ ТТЦ ТТЦ ААА
6 и др. АЦЦ АЦГД ? ААГ
Р1 АЦЦ ТТЦ ТТГ ЦТЦ ТТГ ЦТЦ ААГ ТТТ ТТГ ААА
Р% (если от- ТТТ АЦГ
личается от
Р1)
Pg (если от- ТТГ ТТТ ЦТА ГЦГ
личается от
Р1)
Р4 (если от- ТТТ
личается от
Р1)
Белок 90
М Сер ГлуЫНз 85 Ала Лей Про 82 Лиз Ала Глу Илей 78 Глу
а Лей Асп 90 Сер Лей Ала Сер Лей Ала АспМНг Про
3 Лей Глу 90 Сер Лей Тре Ала Феи Тре Гли Лиз
Y 6 и др. Лей Глу Сер Лей ГлуЫНз АспМНз Ала Фен Тре Гли Гли Лейк Лиз
М тцц ГГА ЦТГ ТТЦ ЦАЦ АТА ЦТГ АТГ ТТА А?Г
а ттц ГТА ЦТТ ТТЦ ЦАГ ЦТТ ТТЦ ЦЦГ ЦТА Ц?Ц
419
Продолжение табл. 5
ц, т Ц?Ц АЦГ АЦА и, т т?т ГТАЛ ГТГ А, Т А?Г А, Ц, Т,Ц,Т Т АТЦ
ц?и А?Ц ААТ АТЦ ТАТ ЦТГ ццг ттц
АЦА АТГ А?А ТТТ ТТЦ
Ц?Г
100
Тир Лиз Илей Про Илей Лиз Гис Лиз Тре — Ала Гис
Фен AcnNHa Вал Про Асп Вал Apr Лей Лиз Гнс Ала Гис
Фен AcnNUs Глу Про Асп Вал Гис Лей Лиз Асп Цис Гис
Фен AcnNH2 Глу Про Асп Вал Гис Лей Лиз Асп Цис Гис
Тир
АТТ А?А ТТА Ц’Ц ТТА АТА А?Ц АТА АЦА ЦТГ А?Ц
ТТТ Ц?А ТТГ Ц?Ц ГТА ТТГ г?ц ТТЦ А?А А?Ц ЦТГ А?Ц
ТТТ Ц?А АТГ Ц?И ГТА ттг А?Ц ТТЦ А?А Г?А ГТТ А?Ц
ТТТ Ц?А АТГ Ц?Ц ГТА ттг А?Ц ТТЦ А?А Г?А ГТТ А?Ц
А?Т
А, Т А.Ц.Т ц, т А, Т ц, т Ц, Т
ТТТ Ц?А ТТГ Ц?Ц ГТА ТТА А?Ц ТТА А?А А?А ЦТГ А?Ц
ТТГ ТТЦ
АТГ ТТГ ТТЦ
гтг
80 70
Г ис Гис Гли Лиз Лиз Лиз Лей Илей Ала Гли Лей Ала
76 Мет Асп Асп 73 Вал Гис 71 Ала Вал Ала 68 AcnNHg Тре Лей 65 Ала
Лей 80 AcnNH2 Асп Лей Гнс 76 Ала Лей Гли Асп Сер Феи Ала
Лей Асп Асп Лей Гис Лиз Илей Ала Асп Гли Лей Сер
Лей АТЦ АТЦ Г?Г Лей АТА АТА Гли Глу Про А?А Вал Тре ТТЦ Глу Асп ТТА Лиз Лей ЦТГ гцг ТТЦ Гли ЦТГ
ТГА ГТА Г?А ТТГ АТЦ ц?г ттг ЦТГ ЦТА АЦА ттц ЦТГ
420
₽ V в и др. ТТЦ ТТЦ АТГ АТГ ЦТТ ЦТТ ТТЦ ТТЦ ЦЦА ААЦ ЦААЛ АТГ ЦТГ ТТТ ТТТ ЦЦА ЦЦА ГТГ ГТГ ГТГЛ А?А А?А
? ТТЦ А, Т
Р1 Р<1 (если от- лнчается от PC) Р3 (если от- личается от Р1) Pl (если от- личается от ₽1) ТТЦ ГТА ЦТТ тцц ЦАЦ ЦАГ АТА ТТЦ ЦЦГ ГТГ А?А
Белок 60
М Тре Лей Вал Тре Вал Гли Гис Лиз Лиз Лей
60 57
а Асп Ала Вал Лиз Лиз Гли Гис Гли Лиз Вал
67 63
₽ Гли Лей Вал Лиз Лиз Гли Гис Ала Лиз Вал
V Тре Лей Вал Лиз Лиз Гли Гис Ала Лиз Вал
6 и др. Г лу Глу Глу Тир Асп
Ала Apr Ала
М АЦА ТТЦ ТТГ АЦА ТТГ Г?Г А?Ц АТА А?А ТТЦ
а ГЦА ЦТГ ТТГ А?А АТА Г?Г А?Ц ГТГ А?А ТТГ
₽ ГЦТ ТТЦ ТТГ А?А АТА г?г А?Ц ЦТГ А?А ТТГ
V АЦА ТТЦ ТТГ А?А АТА г?г А?Ц ЦТГ А?А ТТГ
6 и др. ААГ+ АТГ АТГб А?Т ГТА
? А, Т цтг0 А, Ц, Г?Ц Т Ц, Т ИТГл А, Т
Р1 АЦА ТТЦ ТТГ А?А АТГ г?г А?Ц ЦТГ А?А ТТГ
Р2 (если от-
личается от
Р1)
Р3 (если от-
личается от
Р1)
Pi (если от-
личается от
Р1)
Белок 40
М Гис Лиз Фен Лиз Асп Фен Лиз Глу Лей Тре Глу
а Асп Фен Гис Про Фен Тир Тре Лиз Тре Тре 45
421
Продолжение табл. 5
тгт ЦТА Г?А ТТЦ АТЦ Ц?Г ТТЦ гтг ГТА АЦГ ТТТ ЦТГ
тгт ТТА Г?А ТТЦ АТЦ А?А ТТА ЦТГ ГТА ГЦГ ТТЦ ЦТТ
ТГТл ттцл Г?Гл ТТГ+ АТГ АТА гтгл
ттця
А?Г+ ТЦА+ ГТА+
Ц?Ц+
Ц, Т А, Т
ТТТ АТА Г?А ТТА АТЦ А?А ТТЦ ТТГ ЦТГ ГЦГ ТТЦ цтг
ТТЦ ЦТГ ЦТА
ТТЦ ЦТГ ГТА
ттц г?г
50
Асп Глу Сер Ала Лиз Мет Глу Асп Глу Сер Лиз Лей
48
ГлуЫНз Ала Сер Гли Г ис Сер Лей
50
Лиз Про AcnNHj Глн Мет Вал Ала Асп Про Тре Сер Лей
Лиз Про AcnNH2 Гли Мет Илей Ала Сер Ала Сер Сер Лей
6
Apr Глу Сер Глу
Алак Трек
ГТА А?Г ЦТТ ц?г АТА ТГА А?Г ГТА А?Г АЦГ АТА ттц
ГГА Ц?Г ЦТТ Г?Г АЦЦ ЦТТ ттц
ААА ц?ц ЦТА г?г ТГА ТТГ Ц?Г ГТА Ц?Ц АЦА ЦТТ ттц
ААА ц?ц ЦТА г?г ТГА ТТА Ц?Г ЦТТ Ц?Г АЦГ ЦТТ ттц
ГАА АТГ+ АЦГ АТГ+
ЦТГ АЦА
А, Т A, T А, Т А, Т
ГТА Ц?Г ЦТТ г?г ТАА ТТА Ц?Г ГТА А?Г АЦА ЦТА ттц
Г?Г ЦТТ
ААА Ц?Ц ЦТА ТГА
Ц?Г ЦТТ
Про
37
Про
30
Гис Г ли 35 Лиз Фен Лей Apr Илей 30 Лей Илей Асп Асп Гли Гис
Феи Сер Лей Фен Мет Apr Глу Лей Ала Глу Ала Гли Тир
26
422
0 Асп Гли Фен Сер Глу Фен Фен Apr ГлуМНа Тре Три
V AcnNHa Гли Фен Сер Асп Фен Фен Apr EnyNHz Тре Трн
6 и др. Лей АРгк
м АТЦ А?А Т?Т ААА ГТА Т?Т АТА ААГ TAT АЦА АТГ
а ГТА Т?Т АЦЦ цтц т?т АТТ АЦА ААА АЦА ALIA
₽ ГТА Г?Г т?т АЦГ АТГ т?т ТТТ ГАА ААЦ АЦА тгг
У ЦТА Г?Г т?т АЦГ ГТА т?т ТТТ ГАА ААЦ АЦА тгг
6 и др. ТТЦ+ ГАА
? А, Т, ц, т
Ц, Т
Р1 ГТЦ А?Г т?т ГАА ГТА т?т АТТ ААА ТАА АЦА АТГ
Ръ (если от- ГТА г?г ААА
личается от
Р1)
Рз (если от- ГТА г?г тци ТТТ ГАА ААЦ ТГГ
личается от
/’l)
Р4 (если от-
личается от
Р1)
Белок 20
М Гли Ала Вал Асп Про ГлуМНз Вал Лиз Ала Три Ала
23 19 15
а Глу Гли Ала Гис Ала Гли Вал Лиз Гли Трн Ала
19
₽ Глу Асп Вал AcnNHg Вал Лиз Гли Три Лей
V Асп Глу Вал AcnNHg Вал Лиз Гли Три Лей
6
б и др- Ала Асп Гли Асп Сер
Асп Алак
М ГТГ ЦТГ ТТГ ГТА С?С ААЦ ТТГ АТА ЦЦГ ТГГ ЦТГ
а АТГ ГТГ ЦТГ АТЦ Ц?Г ГАГ ТТГ АТА ГЦГ ТГГ ЦТГ
₽ АТГ ГТА ТТГ ЦТА ТТГ АТА ГЦГ ТГГ ТТЦ
V ГТА АТГ ТТГ ЦТА ТТГ АТА ГЦГ ТГГ ТТЦ
6 и др. ЦТГ АТГ Г?ГЛ ГТА АЦГЛ
ГТА2 Ц’Г
? А,Ц,Т
Р1 ГТГ ГТГ ТТГ ГТА Ц?Г ААГ ТТГ АТА ГЦГ ТГГ ЦТГ
Р2 (если от-
личается от
Р1)
Р3 (если от- ЦТА
личается от
Р4 (если от-
личается от
Р1)
423
Продолжение табл. 5
Про Про Ала Тир Тир Вал Вал Серк Гли Вал Вал Лей Лей Лей Лей Apr Apr Гли Гли ГлуМН2 Лей Лей Ала Тре Глу Глу Лиз Гли Глн Глук Гли Глн Вал Ала
Ц?П А?Ц гцг АТА ТТТ ТГТ Г?Ц ААТ ТТЦ ТТА ГТА ГТА г?г АТЦ
Ц?Ц Т?Т АЦГ ТТЦ ТТТ ТГА г?ц ААГ ТТЦ ЦЦГ АТГ ЦТГ г?г АТТ
ц?ц А?Т ТТГ ТТГ ТТЦ ТГТ г?ц ГАГ ТТЦ ЦЦГ АТГ ГТГ г?г ТТГ
Ц?Ц И?гкг А?Т ТТГ АЦГ ТТГ ТТЦ ТГТ Г?Ц ГАГ ААЦ ТТЦ ЦЦА АТГ АТА ГТГ АТГ г?г цтг
А, ц, т
И, т
Г^ГЛ
ц, Т
Ц?Ц
А?Т
АЦГ
ТТА
ТТТ
ТГТ
г?ц
ААГ
ТТЦ
ЦЦГ
АТГ
ГТГ
А, Ц,
Т
Г?Г
АТГ
ТТГ ТТГ ТТЦ
ГАГ
ТТГ
Лиз 10 Лей Вал Г лу Три Глу Гли 5 4 3 Лей 2 1 Гли-КНг 1
Ала Лиз Вал AcnNHj Тре Лиз Асп Ала Про Сер Лей Вал-ЫН2
12 9 6 4 1
Ала Тре Вал Ала Сер Лиз Глу Глу Про Тре Лей Гис Вал-NHa
6 4 1
Сер Тре Илей Тре Ала Лиз Асп Глу Глу Тре Фен Гис Гли-NHa
6 6
AcnNHa Тре Гли Лиз Ала Тре Вал-Ь/НАц.
Вал ГлуМН2 ВалКН2к ‘
АТА TAT ТТГ ААГ ? ТГГ АТГ ГТГ ТТЦ ГТГ
ЦТГ ААА ТТГ ЦАА АЦА АТА ГТА ЦТГ цтц ТЦЦ ТТЦ ТТГ
ЦТГ ТЦА ТТГ ЦАГ АЦГ АТА АТГ АТГ цтц ТЦА ТТЦ АЦЦ ТТГ
ЦТТ ТЦА ТТА ЦЦА ЦЦГ АТА ГТА АТГ АТГ ТЦА ТТТ АЦЦ ГТГ
ТАА АЦА ГТГ АТА цтгл АЦА ТТГ
ААЦд ТТГ
ЦТГ ТАА ТТА ЦАГ АЦГ АТА ГТГ АТГ ЦТЦ ТЦЦ ТТЦ АЦЦ ТТГ
ТЦА
424
Т. Джукс
основание в результате следующей мутации превратится в перво-
начальное, составляет 1/4.
Таблица 6
Общее число мута- ций иа 300 локусов Число мутировавших локусов
один раз Два раза три раза четыре раза пять раз
90 66 10 1 0,1 0
180 99 30 6 1 0,1
300 ПО 55 18 5 1
Поэтому число наблюдаемых мутаций оснований будет следую-
щим: для 90 мутаций — 75 изменений оснований, для 180 мута-
ций — 127, а для 300 — 169.
Теперь рассмотрим случай, когда имеются 100 последователь-
ных кодирующих триплетов. Изменения оснований, возникшие
в результате мутаций, будут статистически распределены среди
триплетов приблизительно так, как показано в табл. 7.
Таблица 7
Число мутаций Число изменений оснований Изменения на 100 триплетов
изменение одного осно- вания изменение Двух оснований изменение трех оснований
90 75 35 13 3
180 127 36 24 и
300 169 34 29 18
Четыре или более изменений оснований на триплет будут выгля-
деть как изменения одного, двух, или трех оснований. С увеличе-
нием частоты мутаций аминокислотные изменения все больше будут
соответствовать изменениям двух оснований в коде. Это дает воз-
можность сделать приближенную проверку гипотез, касающихся
гемоглобина, что и сделано в табл. 8 и 9.
Предположим, что аминокислотные изменения происходят при
минимуме необходимых изменений в нуклеотидном составе три-
плетов. Например, замена аргинина на серин может быть осущест-
влена более экономично путем замены ГЦЦ на ТЦЦ, чем ГТЦ на
ТЦЦ, ГТЦ на ЦТТ или ГЦЦ на АЦГ.
Кодоны и эволюция генов гемоглобина и цитохромов с
425
Предположим также, что изменение оснований в гене может
и не повлечь за собой изменения аминокислот в белке. Например,
замена ГЦЦ на ГТЦ (оба триплета соответствуют аргинину) не
будет сопровождаться нарушением белковой структуры. Вполне
возможно, что такие «скрытые» мутационные изменения могут
Таблица 8
Сравнительное изучение изменений оснований и аминокислот а -. р -,
у-гемоглобинов н миоглобина (М) человека, а также а-гемоглобииов
человека и лошади (а/ал) и миоглобина человека и кита (М/Мк)
а/М ₽/м У/М а/р а/у Р/У а/ал м/мк
«Изменяющиеся» локусы Наблюдаемые изме- нения оснований в изменяющихся локу- сах: 116 120 120 118 118 125 121 131
нет изменений 12 12 12 42 38 86 104 115
изменение одного основания 62 55 56 54 57 25 13 13-
изменение двух оснований 40 51 50 22 23 12 4 3
изменение трех оснований 2 2 2 0 0 2 0 0
Изменения основа- ний * 1,22 1,36 1,35 0,83 0,87 0,44 0,17 0,14
Изменения амино- кислот * 0,90 0,90 0,90 0,64 0,68 0,31 0,14 0,12
* В среднем на изменяющийся локус.
происходить часто и незаметно. Исходя из этих допущений, мож-
но предположить, что мутация, приводящая к замене аргинина
на серин (ТЦЦ), произойдет скорее всего тогда, когда аргинин в
данном участке кодируется триплетом ГЦЦ (ГЦЦ/ТЦЦ), а мута-
ция, приводящая к замене аргинина на лейцин (ТТЦ),— если ар-
гинин кодируется триплетом ГТЦ (ГТЦ/ТТЦ). Это ведет к предпо-
ложению, что взаимные замены аминокислот в гемоглобинах происхо-
дят при минимальных возможных изменениях в строении кодирующих
426
Т. Джукс
участков. Такое представление уменьшает число изменений двух
и трех оснований в триплетах, которые необходимо предположить.
Если, например, в трех участках трех данных цепей стоят аланин,
аспарагин и лейцин, то замена аланина на аспарагин происходит
тогда, когда аланин кодируется триплетами ЦАГ или ЦТГ, способ-
ными превратиться в ЦАА или ЦТА — кодирующие триплеты
Таблица 9
Сравнение найденных изменений оснований в генах гемоглобина
и миоглобина с теоретическим распределением
Сравниваемые Число амино- кислотных Число изменений оснований на 100 кодирующих триплетов
рассчитано на основании данных, приведенных в табл. 5 рассчитано по фор- муле Пуассона
полипептид- ные цепи изменений на 100 ло- изменение
кусов изменение одного основания изменение двух оснований изменение трех оснований изменение одного основания Двух или более оснований
а/М 90 53 35 2 40 50
Р/м 90 46 42 2 » »
у/М 90 47 42 2
а/р 64 46 19 0 45 19
а/у 68 48 19 0 46 22
P/Y 31 20 10 2 27 4
для аспарагина. Если же аланин замещается лейцином, то’ это
происходит тогда, когда аланин кодируется ЦЦГ, способным путем
замены одного лишь основания превратиться в ЦЦТ — кодирую-
щий триплет для лейцина. Эти допущения позволяют в значительной
степени уменьшить необходимое число изменений двух и трех
оснований в кодирующих триплетах при интерпретации изменений
аминокислот во всех гомологичных участках глобинов. Поэтому
число этих изменений, предполагавшееся в более ранних работах
[22], может быть уменьшено до значений, приведенных в табл. 9.
Данные по нерасшифрованным пока кодирующим триплетам,
возможно, позволят еще уменьшить это число.
Если допустить, что почти все мутации при эволюции одного
гена гемоглобина возникали в результате изменения одного основа-
ния, не считая случаев добавления и выпадения одного или более
-оснований, то можно рассчитать число таких изменений в ряде
гемоглобина путем сравнения числа неизмененных «изменяющихся»
локусов (табл. 5 и 8) с распределением Пуассона. Это сделано
в табл. 9. Для отношений а/p и а/у совпадение оказывается очень
Кодоны и эволюция генов гемоглобина и цитохромов с 427
хорошим; однако в случае отношения p/у число изменений одного
основания занижено, а число изменений двух оснований, напротив,
завышено. Такого рода расчет для отношения миоглобин/гемо-
глобин труден, так как «изменяющиеся» локусы цепи миоглобина
соответствуют подобным локусам цепей гемоглобина всего лишь
на 9%. Эта величина находится в пределах случайного совпадения,
если соотношение между кодирующими триплетами эквивалентно
разности не более чем 12%. Эта цифра получена при изучении всех
возможных изменений одного основания в триплетах, приведенных
в табл. 1. Одно из восьми таких изменений приводит к образованию
нового кода для данной аминокислоты, и нет оснований полагать,
что совпадение будет меньше, если всем 64 триплетам приписать
кодирующие функции, учитывая, что имеется всего 20 различных
аминокислот. Тем не менее расчеты, приведенные в табл. 8 для
отношений а/М, р/М и у/М, представляют определенный интерес,
так как они, по-видимому, указывают на более высокую скорость
изменений Р- и у-гемоглобинов, чем а-гемоглобина, что было отме-
чено и в других работах [24, 26].
ЦИТОХРОМЫ
Последовательность аминокислот в этой группе белков изуча-
лась Таппи и сотр., а также Смитом и сотр. [28—31 ]. Цитохромы с
очень сходны между собой по аминокислотной последовательности.
Все цитохромы с состоят приблизительно из 104 аминокислот,
причем даже в случае цитохрома с из дрожжей аминокислоты в 54 по-
ложениях идентичны соответствующим аминокислотам из других
цитохромов с. Эволюционный смысл этой гомологии рассмотрен
Марголиашем [32] и Смитом [18]. В табл. 10, составленной по тому
же принципу, что и табл. 5, а также другие таблицы для гемогло-
бинов [22], приведены данные по цитохромам с; результаты срав-
нения сведены в табл. И. Кажется разумным предположить, что
все или почти все аминокислоты, являющиеся идентичными у раз-
ных цитохромов, не могут быть изменены, потому что они необ-
ходимы для функционирования цитохромов с. К этому выводу мы
пришли на основании малой вероятности (1 из 206) того, что все
шесть аминокислот в любом положении окажутся идентичными
случайно; кроме того, известно, что «изменяющиеся» и неизменяю-
щиеся аминокислоты гораздо чаще сочетаются по группам, чем
беспорядочно.
Однако возможно также, что длительность эволюции была недо-
статочной для того, чтобы изменилось более 50 из 104 аминокислот.
Если это верно, то из 104 аминокислот 100 являются «изменяющи-
мися» (исключение составляют аминокислоты в положении 14,
428
Аминокислотные последовательности
В первых 7 строках приведены аминокислотные последовательности шести
в цитохромах с собаки (с), макаки-резус (р) и мутантных
В следующих семи строках приведен список предполагаемых кодирующих
изменениях в каждом участке. Пропуски в строках 2—6 соответствуют
104 100 Цито
Человек НООС — Глу Асп NHa Тре Ала Лиз Лиз Лей Тнр Ала
Лошадь НООС — Глу Асп NHa Тре Ала Лиз Ала
Дрожжи НООС — Глу Цис — Ала Лиз Тре
Тунец НООС — Сер Ала Тре Сер — Ала
Цыпленок НООС — Сер Тре Ала Асп Лиз Ала
Бык и свинья НООС — Глу Асп NHa Тре Ала Лиз Ала
Другие Лизс
Человек А?Г ЦТА ЦЦА ЦЦГ А?А ЦЦГ
Лошадь А?Г ЦТА ЦЦА ЦЦГ А’А ЦЦГ
Дрожжи А? Г ГТТ - ЦЦГ А?А ЦЦА
Тунец АЦГ ЦТГ ЦЦА АЦГ — ЦЦГ
Цыпленок АЦГ ЦЦА ЦЦГ ГЦА А?А ЦЦГ
Бык и свинья А?Г ЦТА ЦЦА ПЦГ А?А ЦЦГ
Другие АТА
? А,Т А,Т
Цито
80
Человек Лиз Илей Глн Вал Фен Илей Мет Лиз Тре Гли Про
Лошадь Илей Ала . Илей
Дрожжи Лей Гли Ала
Тунец Илей Ала Илей
Цыпленок Илей Ала Илей
Бык н свинья Илей Ала Илей
Другие
Человек ТТА ТТГ ЦАУ
Лошадь ТТА ЦТГ ЦАУ
Дрожжи ТТЦ ГТГ ЦАГ
Туиец ТТА ЦТГ ЦАУ
Цыпленок ТТА ЦТГ ЦАУ
Бык и свинья ТТА ЦТГ ЦАУ
Другие
Цито
58
Человек Тре Асп Глу Гли Три Илей Илей Гли Лиз
Лошадь Тре Глу Глу Лиз Тре Илей Гли
Дрожжи Асп NHa Асп NHa Глу Асп Лей Вал Асп NH2
Тунец Тре Асп Асп NH2 Асп NH2 Вал Илей Глн
Цыпленок Тре Асп Глу Гли Тре Илей Гли
Бык и свинья Тре Глу Глу Гли Тре Илей Гли
Другие
429
Таблица 10
различных цитохромов с
различных цитохромов с и некоторые аминокислотные замещения
цитохромах с человека (НЬМ) [29, 31, 33, 35J
триплетов, составленный исходя из предположения о минимальных
аминокислотам, идентичным аминокислотам в строке 1
хром с 92 90
Илей Лей Асп Ала Apr Глу Глу Лиз Лиз
Илей Г лу Глу Тре Лиз
Илей Асп NH2 Асп Лиз Глу
Вал Глу NH2 Глу Г ли Лиз
Илей Вал Глу Сер Лиз
Илей Г лу Г лу Глн Лнз
Трес
ТТА ЦАГ АТГ А?Г А?А
ТТА ААГ АТГ AIIA а?а
ТТА ЦАА ГТА А?А А?Г
ТТГ ААЦ АТГ Г?Г А?А
ТТА ТГГ АТГ АГГ А’А
ТТА ААГ АТГ Г?Г А?А
АЦА
А,Т А,Т
хром с 70
Илей Тир Лиз Лиз Про Асп NH2 Глу Лей Тир Глу Мет Лей
Глу Глу Мет Лей
Тре Глу Сер Мет
Глу Глу Мет Лей
Глу Глу Мет Лей
Глу Глу Мет Лей
Глу NH2 Лей
Р Нвм
А?Г ААГ ТГА ТГТ
А?Г ААГ ТГА ТГТ
АЦА ААГ ТЦЦ ТГА
А?Г ААГ ТГА ТГТ
А?Г ААГ ТГА ТГТ
А’Г ААГ ТГА ТГТ
ААЦ ТГТ
А,Т
хром с
50 47 46
Асп NH2 Лнз Асп NH2 Ала Тре Тир Сер Тнр Гли Про Ала ГлуЫН2 Гли
Асп NHa Лиз Асп Тре Феи Про
Лиз Илей Асп Сер Тир ГлуЫН2
Сер Лиз Асп Сер Тир Глу
Асп Лиз Асп Сер Фен Глу
Асп NH2 Лнз Асп Сер Фен Про
430
Т. Джукс
Человек ЦЦА ГТА А? Г гтг ТТА ТТА Г?Г
Лошадь ЦЦА АТГ А?Г АТА ТЦА ТТА Г?Г
Дрожжи Ц?А ЦТА А?Г ГТА ТТЦ ТТГ Ц?А
Тунец ЦЦА ГТА Ц?А ЦТА ТТГ ТТА Т?Г
Цыпленок ЦЦА ГТА А?Г ГТГ ТЦА ТТА Г?Г
Бык и свинья ЦЦА АТГ А?Г ГТГ ТЦА ТТА Г?Г
Другие А.Т А,Т Цито
30
Человек Тре Лиз Apr Гли Фен Лей ] Г ли Гис Лей Асп nh2 Про
Лошадь Тре Лиз Лей Гис
Дрожжи Сер Гнс Илей Г ис
Тунец Тре Лиз Лей Три
Цыпленок Тре Лиз Лей Гис
Бык и свинья Другие Тре Лиз Лей Гис
Человек АЦА АТА ТТЦ А?Ц
Лошадь АЦА АТА ТТЦ А?Ц
Дрожжи АЦГ АТЦ ТТА А?Ц
Тунец АЦА АТА ТТЦ ТГГ
Цыпленок АЦА АТА ТТЦ А?Ц
Бык и свинья АЦА АТА ТТЦ А?Ц
Другие ? 15 12 Ц,Т 10 Цито
Человек Г лу NH2 Сер Цис Лиз Мет Илей Фен Илей Лиз Лиз
Лошадь Глу NHj Ала Лиз Глу NH2 Вал Илей Лнз Лиз
Дрожжи Лей Глу Apr Тре Лиз Лей Тре Ала
Тунец Глу NH2 Ала Лиз Глу NH2 Вал Тре Лнз Лиз
Цыпленок Глу NH2 Сер Лиз Глу NH2 Вал Илей Лиз Лиз
Бык и свинья Г лу NH2 Ала Лиз Глу NH2 Вал Илей Лиз Лиз
Другие Человек ТАЦ АЦГ ААА ТГА ТТА ТТА А? А А?А
Лошадь ТАЦ ЦЦГ ААА ГГА ТТГ ТТА А?А А?А
Дрожжи ТТЦ А?Г ГАА ЦЦА АТА ТТЦ АЦА Ц?Г
Тунец ТАЦ ЦЦГ ААА ГГА ТТГ ТЦА А?А А?А
Цыпленок ТАЦ АЦГ ААА ГГА ТТГ ТТА А?А А?А
Бык и свинья Другие ТАЦ ЦЦГ ААА ГГА ТТГ ТТА А? А А? А
0 А,Т А,Т А.Т
17, 18 и 19, необходимые, как мы полагаем, для соединения с
гемом).
Если лишь аминокислоты в 50 положениях являются изменяю-
щимися, как в первом случае, то те 40 аминокислот, которыми цито-
хром с дрожжей отличается от цитохромов с позвоночных, соста-
вляют в среднем 80% всех изменяющихся аминокислот. Каждый
Кодоны и эволюция генов гемоглобина и цитохромов с
431
Продолжение табл. 10
ЦТА ЦТА АТА ЦТТ ЦТА ЦТА АТА АТА ТТА АТА АТА АТА с?г Г?А Г?А Г?А Г?А Г?А АЦГ АЦГ АЦГ АЦГ АЦГ АЦГ ' А?Т К Т?Т ' А?Т ’ А?Т ' Т?Т ' Т?Т ЦАЦ ЦАЦ ААЦ ААГ ААГ ЦАЦ
с,т
хром Гли С Тре Лиз Тре Вал Вал Тре Тре Гис Лиз Лиз Про Лиз Лиз Лиз Глн Гли Лиз Лиз Лиз AcnNH2 Лиз Лиз 20 Глу Вал Тре Гис Ци^-
ТЦА ТЦА ТТГ ТТГ ТЦА ТЦА А?А А?А Ц?Ц А?А А?А А?А А?А А?А А?А Ц?А А?А А? А
А,Т А,Т
хром С
Гли Лиз Глу Глу Лиз Ала Глу Глу Вал Асп Вал Асп Ала Сер Вал Асп Илей Асп Вал Асп Гли Гли Гли Гли Гли Гли NHAu, NHAu Ала NHAu NHAu NHAu Лиз фен Глу Tpe-NHa
А? Г А?Г А?А Ц?Г А? Г А? Г ТТГ ГТА ТТГ ГТА ЦТГ ЦТТ ТТГ .ГТА ТТА ГТА ТТГ ГТА Г?Г Г?Г Г?Г Г?Г Г?Г Г?Г
А,Т А,С,Т
из этих 40 участков соответствует в гене триплету нуклеотидов,
мутировавшему один или несколько раз. Если мутировали 40 из
50 триплетов, то, согласно формуле Пуассона, распределение долж’
но выглядеть следующим образом: 16 участков мутировало один
раз, а 24 участка — два или более раз. Во втором случае способ’
ностью к мутированию обладало бы 40 из 100 аминокислот, так что
432
Т. Джукс
30 аминокислот должно было мутировать 1 раз и 10 аминокислот —
2 и более раз. Сравнение мутаций в цитохромах с дрожжей и позво-
ночных, приведенное в табл. 11 (кодирующие триплеты взяты из
табл. 1), показывает, что примерно 23 аминокислоты мутировали
Сравнение цитохромов с
Таблица 11
Число аминокис- лотных различий Изменения кодирующих три- плетов Измене- ния всех оснований Число мутаций
изменение одного основания изменение Двух оснований изменение трех оснований
Лошадь/бык 3 2 1 — 4 4
Человек/лошадь 12 8 4 — 16
Человек/бык, сви- 9 7 2 — 11
нья
Человек/цып ленок 14 10 4 — 18
.Лошадь/цыпленок 12 7 5 — 17
Бык/цыпленок 10 5 5 — 15
Среднее 7 4 0 15 16
Человек/тунец 21 14 6 1 29
Лошадь/тунец 19 12 5 2 28
Бык/тунец 17 10 6 1 25
Дыпленок/тунец 18 9 7 2 29
Среднее 19 11 6 i /,5 28 32
Человек/дрожжи 38 26 11 1 51
Лошадь/дрожжи 39 23 14 2 57
Бык/дрожжи 38 21 17 — 54
Цыпленок/дрожжи 40 23 17 1 60
Тунец/дрожжи 44 24 17 2 64
Среднее 40 j 23 15 1,2 57 70
один раз и 16 аминокислот — более одного раза. Однако примерно
9% случаев изменений кода, которые представляются нам однократ-
ными, в действительности являются неоднократными, поскольку
повторные изменения могли приводить к образованию кода для
исходной аминокислоты [22]. Поэтому, если мутировали 40 из 50
Кодоны и эволюция генов гемоглобина и цитохромов с 433
аминокислот, то 18 из них представляли собой изменения одного
основания, а 22 — двух оснований. Очевидно, первое предположе-
ние вернее второго, и можно сделать вывод, что в цитохромах с
имеется всего около 60 «изменяющихся» аминокислот. Тогда отно-
шение числа случаев изменения одного основания к числу случаев
изменения двух оснований составляет примерно 22 : 18. Приблизи-
тельно два изменения из общего числа случаев изменения двух
оснований выглядят как изменение одного основания, так что кажу-
щееся отношение будет 24 : 16, как найдено в расчетах, приведен-
ных в табл. 11. Рассчитанные в табл. 11 изменения оснований могут
быть выражены через число мутаций. Если 60 аминокислот «изменяю-
щиеся», то им соответствует 180 кодирующих оснований, 57 из кото-
рых различаются у,дрожжей и позвоночных. Для того чтобы полу-
чить 57 изменений в 180 участках, требуется примерно 70 мутаций,
при условии что 13 участков изменяются по два или более раз,
а 3 участка претерпят реверсию к исходному виду. Точно так же при
сравнении цитохрома тунца и теплокровных обнаружено 28 изме-
нений в 60 участках, соответствующих 32 мутациям; при сравнении
цитохромов с человека и лошади оказалось, что 16 изменений осно-
ваний соответствуют 17 мутациям.
Если считать, что расхождение эволюционных путей человека
и лошади произошло 130 млн. лет тому назад [25], то разделение
рыб и теплокровных животных должно было произойти 230, а позво-
ночных и дрожжей — 540 млн. лет тому назад, при условии что
частота мутаций, выраженная в изменениях оснований в гене цито-
хрома с, является постоянной. Впрочем, последнее утверждение
требует проверки [32].
Изменения первичной структуры шести цитохромов с, показан-
ные в табл. 10, совпадают с распределением Пуассона, несмотря
на неслучайный характер участков, подвергшихся изменению.
Имеется 56 участков, в которых совсем не произошло изменений
аминокислот, 30 участков с одним изменением, 13 — с двумя изме-
нениями, 2 — с тремя и 3 — с четырьмя изменениями. Согласно
распределению Пуассона, неизмененных участков должно быть 58,
с одним изменением — 34, с двумя — 10, с тремя — 2, с четырьмя —
0. Совпадение получается достаточно хорошим, если не считать
аминокислот в положениях 89, 92, 103.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Многие мутационные изменения оснований приводят к леталь-
ным аминокислотным замещениям даже в «изменчивых» участках
белков; по-видимому, лишь ограниченное число аминокислотных
замещений не приводит к необратимому нарушению вторичной
434
Т. Джукс
и третичной структуры белка. Белки с такими неприемлемыми
замещениями, вероятно, исключаются. Анализ, приведенный
в табл. 5 и 10, неизбежно ограничивается нелетальными изменения-
ми. Поразительно, как много изменений может произойти в глоби-
нах и цитохромах без нарушения их функций. Среднее число изме-
нений аминокислот в гемоглобинах и миоглобинах (табл. 5) соста-
вляет 1,6 на локус, исключая аномальные варианты; для цитохромов
с это число составляет 1,7 (табл. 9). Случаи замещений «гидрофиль-
ных» аминокислот на «гидрофобные» [32 J и обратно довольно часты.
Установлено, что исходная молекула гемоглобинов и миоглоби-
нов по своему составу и первичной структуре занимала промежуточ-
ное положение между миоглобином и а-гемоглобином, а не являлась
какой-то неизвестной «примитивной» молекулой. Аналогичным обра-
зом прототип цитохромов с по своему составу занимал промежуточ-
ное положение между цитохромами с дрожжей и позвоночных
животных. «-Гемоглобин человека и гемоглобин круглоротых также
могли произойти от общего исходного «протоглобина», подвергаясь
каждый в течение нескольких сот миллионов лет мутационным
изменениям.
Наш анализ не будет удовлетворительным до тех пор, пока не
станет возможным сравнение истинной последовательности основа-
ний в генах гемоглобина и миоглобина.
ЛИТЕРАТУРА
1. Nirenberg М. W., М a t t h а е i J. Н., Proc. Natl. Acad. Sci.,
U. S., 47, 1588 (1961).
2. Lengyel P., Speyer J. F., Ochoa S., Proc. Natl. Acad. Sci.
U.S., 47, 1936 (1961).
3. Ma 1 thaei J. H., Jones O. W., Martin R. G., N irenberg
M. W., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S., 48, 666 (1962).
4. S p e у e r J. E. F., Lengyel P., Basilio C., Ochoa S., Proc.
Natl. Acad. Sci. U.S., 48, 441 (1962).
5. Wahba A. J., Gardner R. S., Basilio C., Miller R. S.,
Speyer J. F., Lengyel P,, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S., 49, 116
(1963a).
6. W a h b a A. J., M i 1 1 e r R. S., В a s i 1 i о C., G a r d n e r R. S.,
Lengyel P., Speyer J. F., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S., 50, 581
(1963b).
7. J о n e s O. W., N irenberg M. W., Proc. Natl. Acad. Sci. U. S., 48,
2115 (1962).
8. Jukes Т.Н., Am. Scientist, 51, 227 (1963).
9. H u n t J. A., Ingram V. M., Nature, 184, 640 (1959).
10. Wi ttmann H. G., Naturwissenschaften, 48, 729 (1961).
11, Wittmann H. G., «Informational Macromolecules» (H. J. Vogel,
V. Bryson, J. O. Lampen, eds.), Academic Press, New York, p. 177
(1963).
12. W i t t m a n n H. G., Wittman n-Liebold B., Cold Spring
Harbor Sytnp. Quant. Biol , 28, 589 (1963).
Кодоны и эволюция генов гемоглобина и цитохромов с
435
13. Т s u g i t a A., Fraenkel-Conrat Н., J. Mol. Biol., 4, 73
(1962).
14. Y а п о f s к у С., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S., 48, 195 (1962).
15. Y a n о f s к у C. A., Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol., 28, 581
(1963). (Регуляторные механизмы клетки, ИЛ, М., 1964.)
16. Yanofsky С., С а г 1 t о и В. С., G u е s t J. R., H e 1 i n s к i D.,
Henning V., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S., 51, 266 (1964).
17. P i e r r e L. E., Rath С. E., M с С о у К., New Engl. J. Med., 268,
862 (1963).
18. S m i t h E. L., Federation Proc. Готовится к печати (1964).
19. Gottlieb A. J., R e s t r e p t A., I t a n о H. A., Federation Proc.,
23, 172 (1964).
20. J о n e s R. T., С о 1 e m a n R. D., Heller P., Federation Proc.,
23, 173 (1964).
21. К a 1 a n E. B., Greenberg R., Walter M., Gordon W. G.,
Biochem. Biophys. Res. Comm., 16, 199 (1964).
22. Jukes T. H., Advan. Biol. Med. Phys., 9, 1 (1963).
23. Schroeder W. A., Ann. Rev. Biochem., 32, 301 (1953).
24. Ingram V. M., The Hemoglobin in Genetics and Evolution, Columbia
Univ. Press, New York (1963).
25. Z u с к e г к a n d 1 E., P a u 1 i n g L., in «Horizons in Biochemistry»
(M. Kasha and B. Pullman, eds.), p. 189. Academic Press, New York (1962).
(Горизонты биохимии, «Мир», M., 1964.)
26. Hill R. L., Buettner-Janusch J., Buettner-Ja-
nus c h V., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S., 50, 885 (1963).
27. Hill R., личное сообщение (1964).
28. P a 1 e u s S., T u p p у H., Acta Chim. Scand., 13, 641 (1959).
29. Margoliash E., Smith E. L., Kreil G., T u p p у H., Nature,
192, 1125 (1961).
30. К r e i 1 G., T u p p у H., Nature, 192, 1123 (1961).
31. Matsubara H., Smith E. L., J. Biol. Chem., 237, PC3575
(1962).
32. Margoliash E., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S., 50, 672 (1963).
33. Kreil G., Z. Pisiol. Chem., 334, 154 (1963).
34. C h a n S. K., Needleman S. B., Stewart J. W., W a 1 a -
s e к О. F., Margoliash E., Federation Proc., 22, 658 (1963).
35. Yasunobu К. T., N a к a s h i m a T., H i g a H., M a t s u b a-
r a H., Benson A., Biochim. Biophis. Acta, 78, 791 (1963).
36. Narita К., T i t a n i K., Y a о i Y., Murakami H., Biochim.
Biophys. Acta, 77, 688 (1963).
ОБСУЖДЕНИЕ ДОКЛАДА
Пири. Джонатан Свифт обещал написать «Панегирик числу
три». Если бы он написал его, то эта вещь, подобно его «Размыш-
лению о метле», дала бы нам повод посмеяться над писателями типа
Роберта Бойля. Кстати Бойль оценил бы доклад, который мы только
что заслушали, гораздо выше, чем я. Зная работы Ринча, Бергмана
и Нимана, я отношусь неодобрительно к такому априорному под-
ходу к биохимии.
На этом симпозиуме в отличие от московского мы, кажется,
пришли к соглашению, что вирусы никак не связаны с обсуждаемой
436
Т. Джу кс
проблемой. Я утверждал это в течение долгого времени, исходя
из того, что вирусы целиком зависят от метаболизма хозяев. Но
вирусы с успехом можно использовать для изучения специфических
синтезов, так как они до некоторой степени контролируются клет-
кой-хозяином. Если заражать определенным штаммом вируса раз-
личные организмы, то можно получить различные типы вирусного
белка. Это обнаружено с помощью изучения аминокислотного
состава, а также путем серологических исследований.
Д ж у к с. Если штаммом, подвергнутым действию химического
мутагена, заразить вторично тот же организм, образуется тот же
самый белок.
П и р и. Вероятно, это так.
Д ж у к с. Это было сделано.
П и р и. Но если ввести этот вирус в другой организм, то регу-
ляция будет осуществляться не только инфицирующим агентом,
но и хозяином. Так что здесь осуществляется контроль не только
со стороны последовательности нуклеотидов в вирусной нуклеино-
вой кислоте, но и со стороны хозяина.
Эти два воздействия взаимно накладываются. Таким образом,
и инфицирующий’агент, и хозяин оказывают влияние на структуру
синтезирующихся продуктов.
Д ж у к с. Предположим, что при заражении необработанной
вирусной РНК одного и того же организма всегда получается белок
с одной и той же аминокислотной последовательностью. Потом
обрабатывают РНК азотистой кислотой и получают другую амино-
кислотную последовательность. Что отсюда следует?
П и р и. Это же совсем другое дело. Я не говорю, что нуклеиновая
кислота не играет никакой роли. Я говорю лишь, что она не един-
ственный фактор. Хозяин также оказывает воздействие на со-
бытия.
Д ж у к с. Одна и та же изолированная РНК вируса табачной
мозаики на одном и том же хозяине будет всегда приводить к син-
тезу одной и той же аминокислотной последовательности. Изменение
ее является мутацией.
П и р и. Вероятно, в вашем опыте инфицирующий агент был
изменен мутагеном. Вы можете также получить различные резуль-
таты, изменяя синтезирующий механизм — например, используя
другого хозяина.
Д ж у к с. Именно РНК> а не хозяин единолично контролирует
аминокислотную последовательность синтезируемых белков.
РОЛЬ СВЕТА В ЭВОЛЮЦИИ: ПЕРЕХОД
ОТ ОДНОКВАНТОВОГО МЕХАНИЗМА К ДВУКВАНТОВОМУ
Г. ГАФФРОН
Institute of Molecular Biophysics and Department of Biological
Sciences (Fels Fund), The Florida State University,
Tallahassee, Florida
Прежде всего я хотел бы уточнить, что, говоря в своем докладе
о свете, я буду понимать под этим узкую область солнечного излу-
чения с длиной волны от 360 до 900 ммк, используемую живыми
существами. Большая часть указанной области солнечного спектра
является видимой для глаз человека. Этого нельзя сказать о лучах
с длиной волны меньше 400 ммк и больше 700 ммк\ правда, первые
«видимы» для Limulus и насекомых, а вторые — для пурпурных
бактерий.
Видимый свет — это такой свет, под действием которого погло-
щающие его пигменты живых организмов не просто нагреваются
(как, например, любое цветное пятно), но и вызывают цепь реакций,
имеющих значение для жизни всего организма. Эволюция позабо-
тилась о том, чтобы реакции организма на световые воздействия
были для него достаточно выгодны. По сравнению с количеством
биохимических реакций, способствующих жизнедеятельности клет-
ки, число известных нам фотохимических реакций весьма невелико.
Более того, все они (кроме одной) являются каталитическими
в том смысле, что вызывают процесс, протекающий за счет источ-
ника энергии несветовой природы; единственное исключение —
фотосинтез. Эволюционное значение фотосинтеза проистекает из
следующего факта, известного уже свыше столетия: все живые
организмы, с которыми нам приходилось сталкиваться, зависят
в конечном счете от эффективного фотохимического превращения
двуокиси углерода в органические питательные вещества. Данное ут-
верждение ни в коей мере не обесценивается тем, что некоторые
микроорганизмы способны осуществлять подобное превращение без
участия света, восстанавливая, например, двуокись углерода с по-
мощью водорода, сульфида или двухвалентного железа. Дело в том,
что во всех случаях дело не обходится без кислорода воздуха, а на-
личие свободного кислорода в атмосфере — это второй важный
результат фотосинтеза. Весьма примечательно, что реакция, под-
держивающая жизнь на Земле, зависит исключительно от одного
класса пигментов, а именно от порфиринмагниевых комплексов,
438
Г. Гаффрон
называемых хлорофиллами. Железопорфирины, или гемы, очень
сходны с хлорофиллами по своей структуре, но не способны прини-
мать участие в фотохимических реакциях: зато они выполняют функ-
ции катализаторов переноса электронов. Если когда-либо и сущест-
вовали организмы, лишенные хлорофилла и синтезирующие орга-
нические вещества из двуокиси углерода и воды с помощью каких-то
иных пигментов, поглощающих свет, то такие организмы пол-
ностью исчезли. В настоящее время мы различаем два вида
фотосинтетических реакций, зависящих от хлорофиллов: одни из
них протекают с освобождением кислорода, другие — без его выде-
ления. Анаэробный процесс, фотовосстановление, является, по-ви-
димому, менее 'прогрессировавшей или более ранней формой фото-
синтеза [1, 2,4 J. По мере перехода отодной формы фотосинтеза к дру-
гой на поверхности Земли накапливались все большие количества
кислорода. Прежде всего я хотел бы рассмотреть молекулярный
механизм, вызвавший это изменение [12] (ср. [2]), а затем обоб-
щить доказательства в пользу того, что порфириновые пигменты
появились раньше самой первой живой клетки [7—11]. В таком
случае они должны были взаимодействовать с веществами первич-
ного «бульона» Миллера — Юри, о котором мы столь часто упоми-
наем на нашей конференции [16, 17, 19].
Самыми древними организмами на Земле, о которых мы имеем
некоторое представление благодаря геологическим исследованиям,
были, очевидно, сине-зеленые водоросли. Их возраст, судя по воз-
расту пород, в которых они были найдены, исчисляется 2 млрд, лет,
а возраст нашей планеты доходит, как сейчас принято считать, до
5 млрд. лет. Следовательно, начало дарвиновской эволюции при-
ходится примерно на средний период возраста Земли. Понадоби-
лось длительное время для того, чтобы температура Земли упала
ниже точки кипения воды; поэтому на предполагаемую органо-
химическую эволюцию, закончившуюся появлением первой живой
клетки, остается менее 2 млрд, лет, а может быть, и больше — если
подтвердится, что формирование нашей планеты протекало при
низких температурах.
Согласно современным представлениям, облучение световыми
квантами, несущими достаточно энергии для разрыва Н — О- или
Н — С-связей, или любое иное равнозначное воздействие, приво-
дящее к образованию радикалов, способствовало накоплению на по-
верхности Земли большого количества не очень сложных органи-
ческих веществ. На основании докладов о самопроизвольном хими-
ческом синтезе, прослушанных нами на этой конференции, создает-
ся впечатление, что почти все не очень крупные (молекулярный
вес ниже 1000) органические молекулы, играющие в обмене веществ
живой клетки роль строительных кирпичей или катализаторов,
могли тем или иным путем возникать самопроизвольно в больших
Роль света в эволюции
439
количествах. Они могли, следовательно, служить либо материалом
для биопоэза, либо в качестве питательных веществ для организ-
мов, занесенных из космоса. Второе предположение поддержи-
вается теми, кто придает большое значение организованным струк-
турам, обнаруженным в некоторых метеоритах. Однако мы не
будем останавливаться на этом предположении, потому что оно
в известной степени делает бесцельным обсуждение биопоэза на
Земле.
Тем не менее нет никаких доказательств того, чтобы просто-
го накопления органических низкомолекулярных веществ оказа-
лось достаточным для таинственного возникновения самовоспроиз-
водящихся единиц, тем более в отсутствие постоянного притока
свободной энергии. Единственным же постоянным источником
полезной энергии служил дневной свет.
Итак, мы должны восстановить необходимые промежуточные
звенья процесса, изучая для этого всевозможные реакции, проте-
кающие под воздействием света. Сделать это можно двумя путями:
во-первых, получить искусственные органические системы, кото-
рые под действием света способны подняться на более высокий уро-
вень организации; во-вторых, мы можем расчленять наиболее
эффективную из всех известных фотобиологических реакций, до тех
пор пока не доберемся до основного стержня, от которого живая
клетка эволюционировала до современной формы.
Всем вам, бесспорно, в общих чертах известна суть фотосин-
тетического процесса. Тем не менее мы не сразу оценили значение
двух довольно общих моментов. Во-первых, любое ископаемое
растение или микроорганизм, в какой-то мере близкие к совре-
менным фотосинтезирующим формам, должны были содержать все
основные необходимые ферменты и пигменты для фотосинтеза.
В биохимическом отношении эти организмы были вполне совре-
менны, и если они выделяли кислород, то, следовательно, анаэроб-
ный или частично анаэробный период на Земле закончился более
2 млрд, лет назад. Во-вторых, для фотосинтеза требуется совмест-
ное протекание нескольких основных общераспространенных био-
логических процессов, которые сами по себе вовсе не являются
фотохимическими. Значит, еще 2 млрд, лет назад жизнь уже давно
существовала, пройдя длинный путь эволюции. Фиг. 1 пояснит
мою мысль. Вообще говоря, «фотохимическими» можно назвать
все те биологические процессы, которые не способны протекать
в отсутствие света. Такое определение включает в себя все реак-
ции, начиная с момента поглощения света вплоть до отложения
конечных продуктов. Однако в данном случае нам понадобится
более точное определение и четкое описание тех процессов, которые
мы называем фотохимическими. Все биологические световые реак-
ции состоят из цепи фотофизических, фотохимических и чисто
440
Г. Гаффрон
ферментативных этапов, причем ферментативные этапы почти
во всех случаях протекают в отсутствие света. Где же тогда мы
можем провести границу между световыми и темновыми реакциями?
На каком этапе после поглощения света начинают протекать истин-
но биохимические процессы? Следует ли проводить разграничение
I Карбоксил ирохние
, /
со2+ сй—с5соон'
If ^ФГА-
III Обратная реакция'
Фотофосфорилирование [ТПН
АТФ*~Р
II Восстанов-
ление
ХН2-
Па Реакция замещения
СО2+ RH-»-RCOOH*RCOH
тень'—Краситель - Н2
Хинон---Гидрохинон
флавин —*- флавин - Н2
Ципс?+---*- Цит.сг+
Qz *“Н2С>2
тпн-н2
ТПН
.н /И Хлорофилловый
г комплекс
Хла1 \>685ммк
Z-tX.
1он ^Х.
J । х Дополнительные
пигменты
Н
,0
Хл.апЛ< 685ммк
,(ОН).>—YOH-
V Дегидрирование
фотоокисление
ЩА-------
Мп
О2
VI Выделение
кислорода
н2; H2S; S; дскординовая
кислота; ЙНг
Цитохром ? Пластохинон 2
Фиг. 1. Общая схема современных представлений о фотосинтезе, как о сово-
купности по крайней мере пяти полунезависимых реакционных систем. Для
осуществления синтеза органического вещества из двуокиси углерода необхо-
димо совместное функционирование всех этих систем.
физических и химических превращений, взяв критерием переход
электронов в возбужденное состояние, которое, как известно,
нельзя обнаружить при обычных температурах в отсутствие света?
Или придется наряду с физическими процессами включить в группу
световых реакций и те химические превращения, которые непо-
средственно используют энергию световых квантов и в противном
случае не будут протекать при температуре окружающей среды?
Пожалуй, последнее определение наиболее подходит для случая
фотобиологических процессов. Мы должны также учитывать воз-
Роль света в эволюции
44L
можность того, что биохимическая специфичность начинается не
на уровне ферментов, а еще на уровне первичного возбуждения
пигмента. Связь пигмента с органическим матриксом и обусловли-
вает, возможно, богатые энергией состояния, несвойственные
молекулам хлорофилла в растворе.
Согласно нашему определению, следующие участки полной фото-
синтезирующей системы, приведенной на фиг. 1, являются фермен-
тативными темновыми реакциями: карбоксилирование рибулозо-
дифосфата, восстановление фосфоглицериновой кислоты, цикл Каль-
вина — Бенсона, фосфорилирование промежуточных продуктов,
образование аденозинтрифосфата (АТФ), освобождение кислорода
с помощью катализатора, содержащего марганец, или эквивалент-
ное использование доноров водорода. Мы не будем смешивать эти
реакции с первичным фотохимическим процессом, который пред-
ставляет здесь для нас основной интерес. Большинство темновых
реакций было обнаружено в клетках, лишенных хлорофилла; эти
реакции широко известны как типичные и общераспространенные
этапы промежуточного обмена веществ. Только реакция выделения
свободного кислорода из воды требует, по-видимому, непосред-
ственного участия молекул, возбужденных светом; эту реакцию
не удалось воспроизвести никаким сочетанием ферментов и субстра-
тов. И все же этот процесс тоже должен состоять из нескольких
нефотохимических ферментативных реакций просто потому, что
он невыполним менее чем при участии пяти таких реакций. Иначе
говоря, комплекс пигментов должен быть окружен несколькими
биохимическими системами. Каждая из них выполняет свое назна-
чение, а все сообща они служат для наиболее полного превращения
энергии первого синглетного возбужденного состояния хлорофилла
(40 ккал) в химическую энергию. Данная картина основана на опы-
тах, показывающих, что некоторые из обычных частных реакций
можно исключить или изменить. Так, например, в ряде случаев
наблюдается выделение кислорода без восстановления двуокиси
углерода или наоборот, восстановление двуокиси углерода без
выделения кислорода. Можно получить индуцированное светом
образование АТФ без какого-либо газообмена или, напротив, одно-
временное выделение водорода и кислорода, когда синтетические
процессы подавлены. Подобная сложная картина вынуждает нас
признать, что фотосинтез в том полном виде, в каком он протекал
у сине-зеленых водорослей 2 млрд, лет назад, должен был пройти
до этого длинный эволюционный путь.
Наиболее важной является эволюция пигментной системы, обла-
дающей способностью разлагать воду на составляющие ее элемен-
ты, т. е. осуществлять фотолиз воды. Все остальные превращения
протекают с помощью общеизвестных биохимических реакций.
Еще тридцать лет назад Ван-Ниль высказал предположение, что>
442
Г. Гаффрон
некоторые фотосинтезирующие микроорганизмы, а именно пурпур-
ные и зеленые бактерии, возможно, являются уцелевшими предста-
вителями некогда более обширного класса организмов, наделенных
более простой системой фотосинтеза, чем у зеленых растений.
Обмен веществ пурпурных бактерий мог бы послужить примером
фотохимических реакций, возникших в процессе эволюции раньше,
чем соответствующие реакции у зеленых растений. Пурпурные бак-
терии не выделяют кислорода, хотя многие из них и способны разви-
ваться в аэробных условиях. Поскольку для восстановления двуоки-
си углерода этим бактериям необходимы богатые энергией доноры
водорода, они мало способствуют накоплению свободной энергии
в живом мире. Свет выполняет для этих организмов только ката-
литическую функцию. Приводя к более высокому уровню орга-
низации, свет понижает энтропию систем (в данном случае бакте-
рий), но не служит для накопления химической энергии, которая
могла бы использоваться позднее. По сравнению с зелеными расте-
ниями и другими аэробными организмами пурпурные бактерии
выглядят примитивными: будучи облигатными анаэробами, они
не обладают ни эффективным дыханием, ни эффективным броже-
нием и способны поэтому развиваться только на свету. Однако
их пигментный комплекс, поглощающий световую энергию, пора-
зительно сходен с пигментами зеленых растений. Он тоже состоит
из хлорофиллов, цитохромов, пиридиннуклеотидов, флавинов,
хинонов, ферредоксина и непрочно связанных металлов. Если
особенность, отличающая одноклеточные аэробные водоросли от
анаэробных пурпурных бактерий, означает шаг вперед в эволю-
ционном отношении, то в чем она заключается? Почему водоросли
выделяют свободный кислород из воды, а бактерии нет? Напраши-
вается ответ, что в процессе эволюции появились новые ферменты;
действительно, содержащий марганец катализатор, специфически
связанный с процессом освобождения кислорода, отсутствует,
по-видимому, у бактерий, но имеется у растений. В отсутствие
марганца выделение кислорода подавляется. В то же время расте1
ния при недостатке марганца способны осуществлять многие из
остальных частных реакций: связывание и восстановление двуокиси
углерода, синтез АТФ и т. д. Бактериям требуется лишь одна тысяч-
ная доля того количества марганца, которое необходимо для нор-
мального зеленого растения. Одно время я полагал, что в этом
и кроется основное различие между растениями и бактериями. Тем
не менее гипотеза выглядела не слишком убедительной, поскольку
марганец и набор белков должны были быть доступны как пурпур-
ным бактериям, так и их предшественникам. Адекватная гипотеза
должна была учесть и необходимость в особом ферменте, и проблему
разложения воды в красном свете, когда энергии одного кванта
недостаточно для осуществления фотолиза воды. Согласно обще-
Роль света в эволюции
443
принятой в наше время аксиоме, необратимое разделение Н и ОН
(как, например, в воде) и освобождение их в виде водорода и кис-
лорода с помощью энергии только одного кванта красного света
невозможно. Итак, для этой цели требуется два кванта. Многочис-
ленные измерения эффективности полного фотосинтеза или промежу-
точных реакций переноса электронов показали, что для осуществле-
ния задачи, которую способны выполнять зеленые растения, но не
способны выполнять бактерии, требуется совокупность двух актов
поглощения света.
Следовательно, a priori именно переход от одноквантового меха-
низма к двуквантовому как раз и явился важнейшим эволюционным
новшеством, приведшим к далеко идущим последствиям.
Для того чтобы понять такой переход, мы должны провести
границу менаду двумя типами процессов. Одним из них требуется
в сумме энергия больше одного светового кванта, но эта сумма
может складываться просто из повторного поглощения отдельных
квантов. Для другого процесса успешное протекание первой све-
товой реакции зависит от второй световой реакции, причем отличной
от первой. Различие должно проявиться уже в характеристиках
поглощающего свет пигмента. Иными словами, простое повторение
пары реакций (1) + (2) не будет равноценно сумме реакций (1),
(2), (3) и (4).
А-+Хл1н^АН-+Хл'- (1)
Хл1- +ВН- -> Хл’н + В (2)
В + ХлПН ВН + Хл”. (3)
Хлп-+[ОН21 [ОН-] + ХлпН (4)
Последовательность реакций (1) и (2) возможна в том случае,
когда молекула ВН- (или ВН2) — это восстанавливающий агент
или по крайней мере донор водорода, по своей свободной энергии
ненамного отличающийся от продукта АН-, так что это различие
может быть легко компенсировано за счет энергии одного погло-
щенного светового кванта. Это относится к анаэробным бактериям.
Однако молекула ВН- может быть недоступной в готовом виде
и должна быть получена в результате дегидрогенирования вещества
[ОН2], в котором водород связан так же прочно, как и в воде;
в этом случае возникает необходимость во второй паре реакций
(3) + (4), т. е. понадобится дополнительная световая энергия
Очевидно, что пигментная система Хл1 должна преодолеть разность
потенциалов между АН- и В, а пигментная система Хл11 — раз-
ность потенциалов между ВН- и [ОН - ]. В настоящее время сущест-
вуют две теории, претендующие на объяснение взаимосвязи между
Хл1 и Хл11. Биохимики склоняются в пользу перманентного раз-
444
Г. Гаффрон
личия; они считают, что имеются две (или даже больше) пигмент-
ные системы, потенциал и специфичность которых определяются
белками, с которыми они связаны (наиболее ярким примером
подобного рода зависимости может служить отличие в окислитель-
но-восстановительных потенциалах у разных цитохромов) [ср. 1 и 2].
Физико-химики полагают, что, превращая В в ВН-, Хл11 сам
может стать Хл1.
Мы ограничимся здесь схематическим изображением двойной
пигментной системы, приведенной в уравнениях (1)—(4) и на фиг. 2
(см. далее). Мы не будем обсуждать вопрос о том, почему конечный
первичный продукт цепи реакций переноса одного электрона дол-
жен быть стабилизирован путем дисмутации до полностью восста-
новленных или окисленных соединений. Мы не собираемся также
описывать сейчас «фотосинтетическую единицу», которая посы-
лает фотоны к реакционным центрам ХлтН и ХлпН. Но я не могу
хотя бы мимоходом не отметить, что и эта единица в процессе эво-
люции претерпела изменения: у зеленых растений она почти в десять
раз крупнее, чем у некоторых фотосинтезирующих бактерий.
Сопряженное фосфорилирование может протекать в двух местах.
Во-первых, в реакции (2) при окислении ВН- до В; во-вторых,
когда АН-, образовавшийся в результате реакции (1), вновь окис-
ляется до А (или АН2 до А). Поскольку эта обратная реакция в отли-
чие от реакции (2) не является непременной частью механизма,
то здесь возможен выбор акцепторов электронов.
Совместные усилия многих биохимиков помогли установить,
что А — это группа ферментов, включающая ферредоксин, флавин
и пиридиннуклеотиды, расположенные на восстанавливающем кон-
це цепи фотохимических реакций; на ее окисляющем конце нахо-
дится [ОН2], система, включающая цитохром, предшественники
кислорода, марганец и кислород. Спектроскопические исследова-
ния Дюйзенса, Витта и других (ср. [4]) говорят в пользу того, что
В —• это либо хинон, либо цитохром, либо их сочетание. На фиг. 2
приведена схема, представляющая собой одну из попыток изобра-
зить работу двупигментного двуквантового механизма, детали
которого служат в настоящее время предметом самого горячего
обсуждения в литературе по фотосинтезу (ср. [4]).
Все началось с открытия Эмерсона. Он установил, что свет
с длиной волны выше 690 ммк, хотя и поглощается хлоропластом,
однако освобождает кислород в процессе фотосинтеза менее эффек-
тивно, чем свет в основной видимой области спектра с X от 690 ммк
и до ближней ультрафиолетовой области.
По мере перехода к области с длиной волны более 690 ммк ско-
рость фотосинтеза начинает падать быстрее, чем интенсивность
поглощения света, т. е. быстрее, чем следовало бы ожидать на осно-
вании чисто физических соображений. И дело здесь не в недоста-
Роль света в эволюции
445
точном поглощении света. Например зеленый свет лишь очень слабо
поглощается хлорофиллом. Тем не менее эффективность зеле-
ного света в расчете на поглощенный квант, как правило, такая же,
как синего или красного света. Таким образом, необходимо какое-то
иное объяснение, базирующееся на данных биохимии.
Низкая эффективность ближней инфракрасной области спектра —
не единственное непонятное явление. Эмерсон показал еще, что
эффективность выделения кислорода, низкая в монохроматиче-
ском свете с длиной волны свыше 700 ммк, возрастает, если исполь-
зовать одновременное облучение светом с более короткой длиной
волны. Этот эффект получил подтверждение во многих лаборато-
риях. Экспериментальные результаты выглядят примерно так:
на 1000 квантов монохроматического света с длиной волны 650 ммк
из поглощающей его зеленой ткани освобождается 100 молекул
кислорода, а на 1000 квантов монохроматического света с длиной
волны 710 ммк —• только 20 молекул кислорода. Однако при одно-
временном облучении светом 650 и 710 ммк освобождается не
120 молекул О2, как следовало бы ожидать, а, скажем, 160. Вели-
чина такого эффекта усиления бывает разной.
В природных условиях зеленые растения подвергаются дейст-
вию полного солнечного спектра, так что усиление фотосинтетиче-
ских реакций в результате взаимного наложения участков спект-
ра — дело обычное. И если поглощение в длинноволновой части
спектра хлорофилла используется для циклического фосфорили-
рования, то мы можем быть уверены, что таким путем оно способ-
ствует процессу фотосинтеза в целом. Благодаря этому энергия
коротковолновой области спектра, пригодная для использова-
ния в процессе выделения кислорода, не расходуется на реакции
фосфорилирования, являющиеся предпосылкой для процесса вос-
становления, в котором донором водорода служит вода.
В настоящее время большинство моих коллег в этой области
заняты поисками ответа на такой вопрос: каким образом коротковол-
новый свет увеличивает эффективность длинноволнового, или,
наоборот, как может длинноволновый свет «помочь» коротковол-
новому повысить количество выделенного кислорода на поглощен-
ный квант? Пигментный комплекс должен каким-то образом уметь
различать эти две области спектра. Приходится предположить,
что либо, помимо хлорофилла а, имеется еще один пигмент, более
интенсивно поглощающий около 720 ммк, либо сам хлорофилл а
способен как-то по-иному вести себя при облучении световыми
квантами, несущими менее 40 ккал энергии. Неудивительно, что
эта проблема требует тщательного спектроскопического иссле-
дования.
Батлер, Чанс, Дюйзенс, Френч, Кок, Майерс, Рабинович,
Витт и др. (ср. [4]) сконструировали необыкновенно чувствитель-
446
Г. Гаффрон
ные приборы, такие, как записывающие дифференциальные спектро-
фотометры. С помощью этих приборов можно улавливать самые
слабые изменения в поглощении различных пигментов хлоропла-
стов или измерять скорости фотосинтеза под влиянием чистых или
смешанных монохроматических лучей. Некоторые такие изменения
в поглощении были приписаны пигментам, отличным от хлорофил-
ла, но связанным с ним.
Для того чтобы проследить поэтапно за переносом электронов,
вызванным поглощением света, надо изучить последовательность
спектральных изменений во времени (измеренном в долях секунды);
затем перенос электронов можно связать с активностью известных
пигментов. На основании полученных данных исследователи
пытаются воссоздать последовательность событий, лежащую в осно-
ве фотосинтеза. Нет никаких сомнений в том, что спектроскопиче-
ский анализ — это единственный путь выяснения деталей взаимо-
действия пигментов. Однако в данный момент нас больше интересует,
для чего нужна световая энергия ближней инфракрасной области,
если она не может способствовать регулярному фотосинтезу?
Попробуем пояснить этот вопрос. В присутствии неорганиче-
ских и органических доноров водорода пурпурные и зеленые бак-
терии весьма эффективно используют свет с длиной волны от 700
до 900 ммк, превращая СО2 в биомассу; этот процесс идет без выделе-
ния кислорода. С точки зрения эволюций было бы важно показать,
что эта способность действительно является частью аппарата фото-
синтеза у водорослей. Насколько нам известно, имеются две воз-
можности: либо первичных фотопродуктов, образованных за счет
энергии света главной видимой части спектра, достаточно для пол-
ного фотосинтеза, либо они должны быть дополнены фотопродуктами,
возникшими с помощью механизма, активируемого ближней инфра-
красной областью. Однако уточнить этот вопрос довольно трудно.
Дело в том, что поглощенная энергия коротковолновой части спект-
ра легко мигрирует, как таковая, к центрам поглощения, находя-
щимся на более низких энергетических уровнях, а как раз эти
уровни обусловливают прямое поглощение света с большей дли-
ной волны. До недавнего времени ничего не было известно об эффек-
тивности света с длиной волны выше 700 ммк для зеленого расте-
ния. Поскольку речь идет о нормальном газообмене, его энергия
с таким же успехом может выделяться в виде тепла. Задача, сле-
довательно, сводится к тому, чтобы обнаружить реакции обмена
веществ, отличные от обычного фотосинтеза, но протекающие за
счет энергии света именно этой длины волны. С этой целью Хох
(ср. [4]) и Арнон (см. [21]) изучали на препаратах разрушенных
клеток частные реакции фотосинтеза. Однако возможен и другой
подход к решению этой проблемы — искать организмы с необычным
типом фотосинтеза, изучая интактные клетки; примером могут слу-
Роль света в эволюции
447
жить бактерии, у которых общий процесс протекает без выделения
кислорода. Мы избрали последний путь. Нам удалось обнаружить
у интактных клеток две такие системы, приводимые в действие
светом, и наши опыты с ближней инфракрасной областью спектра
в обоих случаях увенчались успехом. Одним из этих двух процес-
сов обмена веществ в интактных клетках является фотовосстано-
вление двуокиси углерода молекулярным водородом у таких содер-
жащих гидрогеназу водорослей, как Scenedesmus и Chlamydomonas [6];
второй процесс — это фотоассимиляция ацетата по крайней мере
у одного вида вольвоксовой водоросли Chlamydobotrys. Как обнару-
жили Прингсгейм и Висснер [19] (Геттингенский университет),
С hlamydobotrys действительно усваивает ацетат на воздухе; в то же
время эту водоросль нельзя назвать гетеротрофным аэробным орга-
низмом в обычном смысле этого слова, поскольку для своего раз-
вития она нуждается в свете [22—24]. Свет поглощается обычным
зеленым хлоропластом, содержащим хлорофилл. Однако на свету
ассимиляции подвергается не двуокись углерода, а ацетат,
и поэтому никакого выделения кислорода здесь не происходит.
Короче говоря, это организм с двойным отклонением от обычного
обмена зеленого растения. Многие фотосинтезирующие водоросли
способны развиваться на ацетате в темноте. Эта водоросль — не
способна. Все фотосинтезирующие водоросли используют СО2 в ка-
честве основного источника углерода и выделяют в окружающий
воздух кислород. Chlamydobotrys не развивается, если в качестве
источника углерода ей давать СО2. И тем не менее эта водоросль
обладает некоторой способностью к фотосинтезу, хотя пользуется
ею только в анаэробных условиях как механизмом для получения
недостающего кислорода. По мнению Висснера, Chlamydobotrys
развивается за счет использования окислительного механизма
в сочетании с фотофосфорилированием. Я пригласил поэтому
д-ра Висснера в мою лабораторию для исследования эффекта
Эмерсона в условиях столь необычного обмена. Как удалось обна-
ружить совсем недавно, фотоассимиляция ацетата протекает
в аэробных условиях при 723 ммк так же хорошо (если даже не
лучше), как и при % 620 ммк. Иными словами, фотоассимиляция
протекает как в пределах области спектра, необходимой для нор-
мального фотосинтеза, так и вне ее. Этот вывод справедлив и для
процесса фотовосстановления у адаптированных водорослей, как
было обнаружено д-ром Бишопом и мною два года назад [12]
с помощью очень простого эксперимента. Клетки Scenedesmus,
обнаруживавшие очень низкую скорость фотосинтеза при X 705
или 720 ммк, спустя 2 час адаптации к водороду начинали интен-
сивное фотовосстановление двуокиси углерода.
Я был вынужден столь подробно остановиться на различиях
в механизме фотосинтеза у зеленых растений вот почему. Мне хоте-
448
Г. Гаффрон
лось заострить внимание на том, что в хлоропластах зеленых расте-
ний присутствуют, очевидно, компоненты более простого в термо-
динамическом отношении синтетического механизма, совсем (или
почти) такие же, как и у анаэробных фотосинтезирующих бактерий.
Фиг. 2. Схематическое изображение взаимосвязи между процессами полного
фотосинтеза и фотовосстановления без выделения кислорода у обычных
зеленых водорослей.
Не совсем полное совпадение спектров соответствующих пиг-
ментов позволило продемонстрировать существование двойной
системы, действующей, видимо, и в самом деле по принципу урав-
нений (1) — (4) и фиг. 2. Я сделаю еще одно замечание и покончу
с этим вопросом. Все вы знаете, что фосфорилирование, т. е. обра-
зование АТФ, служит неотъемлемой частью любого фотообмена,
направленного на синтез компонентов клетки. Я уже отмечал
в связи с фиг. 1, что фосфорилирование может быть отнесено к нефо-
Роль света в эволюции
449
тохимическим реакциям. Из уравнений (1) — (4) следует, что имеет-
ся по крайней мере две возможности получения требуемой энергии:
через окисление либо АН в А, либо ВН в В. Эти два пути соответ-
ствуют тому, что Арнон назвал циклическим и нециклическим
фосфорилированием. На фиг. 2 показана вероятная локализация
этих темновых реакций. Я обращаю внимание на важность того
факта, что фото восстанавливающий механизм адаптированных водо-
рослей и бактерий [см. реакции (1) и (2)] представляет такой двой-
ной выбор независимо от возможного сопряжения и протекания
реакций (3) и (4).
Избирательное действие ряда метаболических ядов, влияющих
только на освобождение кислорода, но не на реакции обмена бак-
териального типа, также говорит о частичном совпадении меха-
низма фотосинтеза у зеленых растений и у анаэробных пурпурных
бактерий. Наконец, я не могу не упомянуть о том, что Бишоп [5]
обнаружил мутант Scenedesmus с наследственно закрепленной
неспособностью освобождать кислород. Однако во всех остальных
отношениях фотообмен этого мутанта принадлежит опять-таки
к бактериальному типу фотовосстановления с помощью водо-
рода.
Итак, резюмирую все, что я изложил выше. Анализ компонен-
тов фотосинтезирующего механизма, проведенный на нескольких
организмах с помощью различных методов, позволил представить
нам, что именно должно было произойти более 2 млрд, лет назад.
В те времена появилась модификация уже существовавшего одно-
ступенчатого фотохимического механизма; при этом произошел
сдвиг общего окислительно-восстановительного потенциала, так
что произошло частичное перекрывание старого и нового механиз-
мов. Две пигментные системы объединились и тем самым создали
цепь переноса электронов, охватывающую путь между неизвестным
до сих пор предшественником кислорода (перекись?) и восстано-
вленной гидрогеназой. В результате фотохимическое разложение
воды на составляющие ее элементы смогло протекать с интенсив-
ностью, невиданной с тех пор, как атмосфера преградила ультра-
фиолетовым лучам, обладающим высокой энергией, доступ к поверх-
ности Земли.
Последняя (аэробная) эра эволюции живых организмов — это
истинное царство дарвиновской эволюции (нам совершенно неиз-
вестны какие-либо многоклеточные облигатные анаэробы). После
перехода от одноквантовых световых реакций к весьма специфиче-
скому двуквантовому механизму не возникало нужды в дальней-
шем усовершенствовании. Одноквантовые процессы типа реакции
(2) в сочетании с реакцией (1) могут быть воспроизведены в лабо-
раторных условиях. Наша задача сводится теперь к тому, чтобы
попытаться выделить в живых хлоропластах еще более простые
450
Г. Гаффрон
физиологические световые реакции, раскрывающие механизм про-
цессов, которые мы способны воссоздать.
Переход от анаэробных к аэробным условиям на Земле был
вызван в основном не геохимическими процессами, а живыми орга-
низмами. С тех пор лишь сравнительно слабые воздействия, такие,
как смещения континентов, колебания температуры или изверже-
ния вулканов, тревожили живой мир. Мы не можем не видеть,
что сейчас вступает в действие иная одушевленная сила — наша
собственная деятельность, которая на этот раз угрожает существо-
ванию человека и других живых организмов. Порожденные ею
радиация, отравляющие вещества и т. п. способны очень быстро
привести нас к следующему эволюционному кризису, сравнимому,
пожалуй, по своей общей значимости с тем, о котором мы уже гово-
рили. Но вернемся к основной теме: какова же была роль дневного
света в те времена, когда содержащие магний порфирины еще
не стали центром энергетических превращений, протекающих при
участии белков?
В табл. 1 коротко суммированы широко распространенные ныне
взгляды на этапы химической эволюции органических соединений.
Я считаю удобным различать пять эр, следующих одна за другой
после характерных основных необратимых изменений окружающей
среды. Каждое такое изменение делало ненужными какие-то основ-
ные преимущества, достигнутые в процессе эволюции, так как
исчезали вещества, характерные только для предыдущего периода.
Мы не знаем, сколько статистически и термодинамически выгод-
ных возможностей биопоэза было безвозвратно утрачено вместе
со всеми ухищрениями, достигнутыми природой в процессе эво-
люции и затем ставшими ненужными из-за резких изменений
среды. Мы вынуждены заниматься этой увлекательной игрой в раз-
гадывание, пользуясь осколками, оставленными нам природой,
и основными общими закономерностями физики и химии, приме-
нимыми, видимо, для всей Вселенной.
Я совсем не буду рассматривать первую эру, так как все не-
обходимое было уже о ней сказано другими докладчиками. Что
касается эры IV и эры V, при которых господствовали фотосинте-
тические реакции, катализируемые хлорофиллом, то о них было
сказано выше. Как же протекала эволюция после утраты водорода
и прекращения доступа ультрафиолетовых лучей? Я хотел бы
подчеркнуть, что не будь во время эры II и III успешно использо-
ван в качестве движущей силы видимый свет, на этом бы дело и кон-
чилось. Энергия видимой области солнечного спектра в 20—30 раз
выше, чем энергия ультрафиолетовой области. Однако нет никаких
оснований полагать, что энергия ультрафиолетовых лучей остава-
лась неиспользованной до тех пор, пока целые живые клетки не
стали синтезировать хлорофилл. Можно не сомневаться в том, что
Таблица 1
Современные представления о последовательности эр эволюции
Эра Окружающие условия Источник энергии Результат
I Анаэробные; СН4, NH3, На Ультрафиолетовые лучи; высо- кая температура Ацетат, глицин, урацил, аденин, органический «бульон»
Утрата водорода
II Анаэробные; следы О2 Ультрафиолетовые лучи; высо- кая температура; видимый свет Полифосфаты, пептиды, п ор'ф’и р и- н ы; окислительно-восстановительные процессы
Прекращение доступа ультрафиолетовых лучей
III Анаэробные; следы О2; СО2 Видимый свет Поверхностный катализ, фотохи- мические процессы. Репро- дуктивные циклические синтезы
Исчезновение свободных органических веществ
IV Анаэробные; СО2; следы О3 Фотовосстановление; брожение Размножающиеся^единицы, обла- дающие обменом веществ. Дву- квантовый процесс. Возник- новение клеток
Исчезновение анаэробных условий
V Аэробные; анаэробные микроусло- вия Фотосинтез; дыхание Автотрофные растения. Дарвинов- ская эволюция. Сознание
452
Г. Гаффрон
соединения, содержащие железо, цезий или марганец, поглощали
в ближней ультрафиолетовой области и подвергались фотохимиче-
ским изменениям. Кислород в то время должен был присутствовать
в небольших количествах, иначе все те продукты, на которых бази-
руется, согласно гипотезе, дальнейшая химическая эволюция, были
бы за короткий срок разрушены в результате автоокисления и фото-
окисления.
Нам неизвестны сейчас живые организмы, использующие фотохи-
мические превращения солей урана или редкоземельных металлов;
тем не менее из-за этого не следует пренебрегать возможностью
их использования на ранних этапах эволюции. Впрочем, на мой
взгляд, поиски возможного фотосенсибилизатора не должны уводить
нас далеко из сферы хорошо известных фактов. Фотоактивный пиг-
мент, возникший задолго до появления современного типа фото-
синтеза, был, возможно, предшественником самой молекулы хлоро-
филла. Структура, составляющая основу хлорофилла — его порфи-
риновое кольцо,— это необычайно стойкий пигмент, способный,
как известно, катализировать многочисленные фотохимические
реакции in vitro. Химикам лишь с очень большим трудом удалось
синтезировать такие тетрапиррольные соединения. Эволюционная
гипотеза, основанная на фотохимии порфиринов, выглядит не очень
убедительно из-за явной невыполнимости самого первого требо-
вания, а именно самопроизвольного возникновения таких пигмен-
тов. Правда, Шемин и его сотрудники (Колумбийский университет)
установили, что живая клетка способна синтезировать порфирины
из таких простейших органических соединений, как ацетат и гли-
цин, за очень короткий срок. Однако живая клетка делает это,
как известно, с помощью ферментов.
Принято считать, что между химической эволюцией органиче-
ских соединений и эволюцией живого мира существует огромный,
возможно, даже непреодолимый барьер, обусловленный коренным
различием ферментативных и неферментативных реакций. На это
принято отвечать, что с термодинамической точки зрения фермен-
тативное действие может компенсироваться временем, так как при
действии ферментов энергетические соотношения не изменяются.
До возникновения современных ферментов должны были существо-
вать более простые модели для каждой из основных реакций, кото-
рые мы сейчас привыкли связывать с белками, наделенными катали-
тическими функциями. Синтез порфиринов в природных условиях
из соединений, наиболее широко распространенных в исходном
гипотетическом «бульоне», необычайно прост. Поэтому в 1955 г.
я высказал предположение, что порфирины служили природными
катализаторами задолго до того, как стали необходимыми компо-
нентами живой клетки [8]. Большинство конденсаций в живой
клетке, ведущих от ацетата и глицина через 6-аминолевулиновую
Роль света в эволюции
453
кислоту и порфобилиноген к порфиринам, протекает, очевидно,
с выделением тепла. До сих пор не удалось выполнить этот при-
родный синтез в лабораторных условиях, может быть, потому, что
было испробовано слишком мало модификаций опыта Миллера.
Правда, д-р Шутка привел здесь один пример, но в качестве исход-
ных материалов для синтеза он использовал вещества, которые,
по моему мнению, не могут быть использованы для доказательства
того, что порфирины возникали из глицина и ацетата в предбиоло-
гических условиях.
Нередко принимается, что эволюция в основном сводилась
к грандиозному процессу автокатализа, к общему поступательному
движению от незначительного — вначале — к более специфиче-
скому, более эффективному использованию тепловых и химиче-
ских источников энергии в дальнейшем. Однако такой взгляд нель-
зя считать полностью справедливым для фотохимических процессов.
Эффективность акта поглощения света составляет 100%. Молекула
либо поглощает определенный квант света, либо нет. Задача сво-
дится, очевидно, к сохранению высокой эффективности первичного
акта, который уже нельзя усовершенствовать.
Поглощающая свет молекула должна не только сохранять ста-
бильность при действии на нее кванта высокой энергии, но и быть
устойчивой к химической атаке продуктами реакции. Эти продукты
должны обладать способностью легко вызывать быструю цепь даль-
нейших превращений. Только так можно избегнуть преждевре-
менных, т. е. бесполезных рекомбинаций. Я хотел бы мимоходом
отметить следующее преимущество фотохимических реакций. Они
способствуют возникновению высокореакционноспособных или
сложных новых молекул при обычных температурах, что обеспе-
чивает этим молекулам в миллион раз более длительное существова-
ние, чем если бы они синтезировались в условиях высокой темпера-
туры. И пока на Земле не появились белковоподобные вещества,
только фотохимические реакции способны были — по крайней мере
на ранних этапах — без помощи катализаторов преодолевать
барьеры высокой энергии активации. При фотохимических реак-
циях большинство этих барьеров не служит препятствием, посколь-
ку имеется достаточно энергии для их преодоления. По этой же при-
чине фотохимические реакции становятся практически необрати-
мыми после того, как энергия была затрачена на молекулярные
перегруппировки.
Таковы доводы, говорящие в пользу того, что флуоресцентные
органические красители должны были явиться движущей силой
эволюции. Это относится и к порфиринам. Я уже говорил о том,
что они легко синтезируются. Порфирины обладают замечательной
устойчивостью не только в темноте, но и при их использовании
в качестве сенсибилизаторов в искусственных фотохимических
454
Г. Гаффрон
реакциях. Для сравнения я могу назвать другой природный класс
флуоресцентных пигментов — флавины. В незащищенном виде
они легко обесцвечиваются и часто разрушаются под действием
света как в аэробных, так и в анаэробных условиях.
Порфирин и его комплексы с магнием и цинком относятся
к наиболее эффективным сенсибилизаторам для фотохимических
реакций in vitro как для процессов фотовосстановления, так и для
процессов фотоокисления. В реакциях, протекающих с выделе-
нием небольших количеств энергии, нетрудно получить квантовые
выходы, равные единице. Мы уже говорили на нашей конферен-
ции о том, насколько правдоподобным кажется возникновение
в примитивных условиях Земли полифосфатов, примитивных нуклеи-
новых кислот или полиаминокислот — веществ, обладающих
в некоторой степени каталитической активностью. На мой взгляд,
гипотеза о возникновении на предбиологической Земле фотохими-
чески активных органических пигментов, сходных с теми, которые
содержатся во всех живых, и прежде всего в фотосинтезирующих,
организмах, очень правдоподобна. Дальнейшее развитие разно-
образных путей, в результате которых порфириновые комплексы
заняли столь важное место в основном механизме биохимических
реакций, должно было, конечно, определяться другими, одновре-
менно протекающими превращениями исходных органических
веществ. Как я уже указывал, окислительно-восстановительные
реакции, сенсибилизированные порфирином, могут быть очень
эффективными в концентрированном растворе. Для поддержания
высокой эффективности окислительно-восстановительных реакций
в условиях, когда растворенные субстраты недоступны в больших
количествах, живые клетки прибегают к поглощению на поверх-
ностях раздела. За исключением Остера и сотр. [17], никто не
проводил систематического исследования влияния поверхностей
на фотохимические превращения органических веществ. Вполне
вероятно, что самопроизвольная полимеризация аминокислот,
а также пуринов и пиримидинов, о которой мьг уже слышали на
нашей конференции, могла привести к возникновению соединений,
способствующих протеканию особенно эффективных световых
реакций. Насколько мне известно, никаких исследований в этом
направлении не проводится.
До недавних пор я считал, что только реакции, протекающие
в присутствии макромолекул, будут характеризоваться зависимо-
стью от времени, значительно отличающейся от того, что следова-
ло бы ожидать исходя из закона действующих масс, справедливого
для гомогенных растворов. Несколько лет назад мы столкнулись
с необычной фотохимической реакцией; мы и сейчас продолжаем
изучать ее, так как она отличается весьма странной кинетикой [13].
Я не хочу задерживать ваше внимание и не стану останавливаться
Роль света в эволюции
455
на подробностях. Суть дела заключается в фотоокислении аскорби-
новой кислоты, сенсибилизируемом флавинами, в нейтральном или
слабокислом растворе. Конечными продуктами реакции являются
щавелевая кислота и треонин [14]. Если в растворе, помимо аскор-
биновой кислоты и флавина, содержатся также ионы марганца и ка-
талаза, процесс отчетливо распадается на две части,— но только
при вышеуказанном условии. В присутствии каталазы и ионов
марганца первый устойчивый продукт фотоокисления, дикетогуло-
новая кислота, накапливается количественно до тех пор, пока не
будет полностью окислена исходная аскорбиновая кислота. Затем
фотоокисление продолжается, но субстратом служит теперь накоп-
ленный продукт первой реакции, причем вторая реакция может
протекать даже быстрее, чем первая. Столь неожиданный ход
событий объясняется тем, что следы аскорбиновой кислоты подав-
ляют катализируемое марганцем фотоокисление дикетогулоновой
кислоты, а избыток кислорода в свою очередь ингибирует фотоокис-
ление аскорбиновой кислоты.
Подобные наблюдения толкают нас использовать при изучении
реакций, протекавших, по-видимому, на заре существования Земли,
не простые, точно известные и полностью понятные комбинации
веществ, а смеси, содержащие совсем «ненужные» примеси. Эти
примеси еще могут удивить нас своей способностью действовать
в качестве регулирующих факторов [15]. Я надеюсь, что д-р Фокс
согласится в этом со мной.
Тем, кто изучает сенсибилизируемые фотохимические реакции,
протекающие in vitro, несомненно, известно, что главным препят-
ствием на пути практического использования световой энергии при
этом является обратимость процесса; продукты реакции взаимодей-
ствуют между собой либо сразу, либо в обход — через одну-две
промежуточные реакции. В живой клетке проблема предотвраще-
ния преждевременных и бесполезных обратных реакций решена
за счет возникновения циклических обратных реакций; с этими
циклами могут быть сопряжены другие процессы обмена. К такому
же приему в самых различных вариациях клетка прибегает и в отно-
шении других, нефотохимических реакций обмена. Не исключено,
что некоторые основные реакции обмена, например фосфорилиро-
вание и дыхание, возникли первоначально как частные реакции,
протекавшие вблизи пигмента, возбужденного светом [10]. Лишь
позднее они выделились в независимые процессы обмена. Я не могу
в связи с этим не упомянуть о том, что у всех фотосинтезирующих
организмов процессы анаэробного брожения, протекающие в тем-
ноте, не только слабо выражены, но к тому же, по-видимому, бес-
полезны. Сбраживание углеводов (прототип анаэробной диссими-
ляции) могло появиться лишь после того, как растения разработали
столь эффективный путь получения больших количеств углеводов,
456
Г. Гаффрон
как фотосинтез. Если я правильно восстановил последние этапы
развития фотосинтезирующих организмов, то переход от однокван-
тового механизма к двуквантовому протекал, очевидно, следующим
образом. Все органические световые реакции оставались одно-
квантовыми процессами, начиная с того времени, когда они иниции-
ровались отдельными молекулами порфирина в растворе, и позд-
нее, когда они протекали в комплексах пигмента с белком и липи-
дом. Весьма вероятно, что двуквантовый механизм появился не до,
а после окончательного формирования клеточного аппарата.
Для химической эволюции органических соединений свет, оче-
видно, всегда служил наиболее многосторонним источником энер-
гии. И все же не исключено, что своим таинственным появлением
специфические макромолекулы ничем не обязаны свету. Переход
от открытой системы, в которой происходит непрерывное и случай-
ное приобретение новых, передаваемых по наследству признаков,
к замкнутой системе генов и ферментов — это, бесспорно, уже
другая история. Тщательное сравнение искусственно построенных
фотохимических систем с аналогичными системами, которые нам,
возможно, удастся выделить из живой клетки, поможет нам выяснить
условия, а тем самым и установить время, когда решающее значе-
ние для дальнейшей эволюции приобрела клеточная мембрана.
ЛИТЕРАТУРА
1. Р i г s о п A., Encyclopedia of Plant Phisiology, Springer, Berlin, Vol. V,
Parts 1 and 2 (I960).
2. Gest H., San Pietro A., Vernon L.P., eds. «Bacterial Photo-
sinthesis», Antioch Press, Vellow Springs, Ohio (1963).
3. Kok B., J a g e n d о r f A., eds. «Photosinthetic Mechanisms in Green
Plants». Publ. 1145, U.S. National Academy of Science National Research
Council (1963).
4. В i s h о p N. I., Nature, 195, 55 (1962).
5. В i s h о p N. I., G a f f г о n H., Biochem. Biophys. Res. Commun.,
8, 471 (1962).
6. Gaffron H., in «Rhythmic and Sinthetic Processes in Growth» (D. Rud-
nick, ed.) Princeton Univ. Press, Princeton, New Jersey (1957).
7. Gaffron H., Trans. Conf. Use of Solar Energy, Tucson, Arizona, 1955,
Vol. 4, p. 145 (1958).
8. Gaffron H., in «Evolution after Darwin» (Sol Tax, ed.), Univ, of Chi-
cago Press, Chicago, Illinois, Vol. I, p. 39 (1960).
9. Gaffron H., in «Horizons of Biochemistry» (M. Kasha and B. Pullman,
eds.), Academic Press, New York, p. 59 (1962). (Горизонты биохимии,
«Мир», M., 1964.)
10. Gaffron Н., in «Beitrage zur Physiologie und Morphologie der Algen»,
Fischer, Stuttgart, p. 1, 1962.
11. Gaffron H., Bishop N. I., in «La Photosyntese», Editions du
Centre National de la Recherche Scientifique, Paris, p. 229, 1963.
12. Haberman H., Gaffron H., Photochem. Photobiol. I, 159 (1962).
13. H о m a n n P., G a f f г о n H., Science, 141, 905 (1963).
Роль света в эволюции
457
14. Н о m а п п Р., G a f f г о n Н., Photochem. Photobiol., in press (1964).
15. О n a p и н А. И., Возникновение жизни на Земле, Материалы Междуна-
родного симпозиума, М., 1957 (1959).
16. О п а р и н А. И., Life: its Nature, Origin and Development, Oliver
& Boyd, Edinburg and London (1961).
17. Oster G. К., О s t e r G., D о b i n C., J. Phis. Chem., 66, 2511 (1962).
18. P i r i e N. W., ICSU Rev., 1, 40 (1959).
19. Pringsheim E. G., Wiessner W., Nature, 188, 919 (1960).
20. Tagawa К , Tsujimo to H. Y., A r n о n D. I., Nature, 199,
1247 (1963).
21. Wiessner W., Arch. Microbiol., 45, 33 (1963).
22. W i e s s n e r W., G a f f г о n H., Nature, 201, 725 (1964).
23. Wiessner W., G a f f г о n H., Federation Proc., 23, 226 (1964).
ОБСУЖДЕНИЕ ДОКЛАДА
О p о. Я согласен с проф. Гаффроном, что с пигментами проде-
лано еще очень мало работы. По-моему, он совершенно прав, что
пигменты было бы нетрудно синтезировать в относительно простых
условиях. В нашей лаборатории удалось получить с помощью абио-
логического синтеза желтые и розовые пигменты, причем некото-
рые из них обладают фоточувствительностью.
Фокс. Продолжая мысль д-ра Оро, я хотел бы заметить, что
пигменты нетрудно получить в опытах, проводимых при высоких
температурах. Летом 1957 г. я осуществил термическую полимери-
зацию аминокислот в лаборатории д-ра Д. Фокса. Из реакционной
смеси, полученной, в частности, в процессе полимеризации глицина,,
д-ру Фоксу удалось выделить несколько пигментов.
Г аффрон. Согласно литературным данным, с помощью уль-
трафиолетовых лучей из ацетата можно получить окрашенный про-
дукт, диацетил. Следовательно, не исключено, что на самой заре
существования Земли уже протекали фотохимические процессы
за счет способных поглощать свет соединений, подобных диацетилу.
Аналогичным образом по мере накопления больших количеств аце-
тата и глицина могли возникнуть и порфирины.
Шутка. Мне кажется, что в своем докладе д-р Гаффрон указал
на несколько важных проблем, связанных с фотосинтезом и в пер-
вую очередь — с синтезом порфинов и порфиноподобных веществ.
Прежде всего я согласен, что, по-видимому, раньше других
пигментов возникали соединения, несколько напоминавшие пор-
фины, безусловно имевшие менее сложное строение, чем современ-
ные хлорофиллы. Именно эти пигменты должны были быть заняты
в фотосинтезе.
Повышение эффективности поглощения света могло достигаться
благодаря некоторым соединениям, близким к антоцианам. В своей
работе я столкнулся с образованием еще 10—15 соединений, помимо
порфинов.
458
Г. Гаффрон
Все они обладают различной подвижностью при хроматографи-
ровании в тонком слое и, следовательно, не идентичны.
Перед нами стоит еще один вопрос: что происходит с этими
пигментами при более высокой энергии света? Насколько мне изве-
стно, вопрос об устойчивости порфинов по отношению к деструктив-
ным воздействиям пока еще недостаточно изучен. Я могу приве-
сти в качестве примера работы проф. Кальвина и некоторых его
сотрудников. Это направление необходимо развивать.
Саган. Концентрация озона в атмосфере планеты пропорцио-
нальна логарифму концентрации кислорода. Если я не ошибаюсь,
вы наблюдали синтез порфинов в условиях 20%-ного насыщения
кислородом и при давлении в 1 атм. Было бы интересно поставить
аналогичный опыт при концентрации кислорода, составляющей, ска-
жем, 10~5 от взятой вами величины. При столь низком содержании
кислорода, характерном для примитивных условий на Земле,
в атмосфере практически полностью отсутствовал озон, ультрафио-
летовое излучение должно было быть очень интенсивным.
Шутка. Ну что же, поскольку для синтеза достаточно неболь-
шого количества окисляющих агентов, в этих условиях, очевидно,
должно образоваться порфиноподобное вещество. Однако его выход
будет невелик.
Гаффрон. Я не думаю, чтобы образующиеся при этом веще-
ства находились в чистом виде. Поэтому, когда возникнут условия
для синтеза порфирина, будут доступны такие металлы, как железо,
ванадий и, главное, церий. Они способны осуществить любое
окисление.
Саган. Без кислорода.
Гаффрон. Да. Церий, свет и вода заменяют кислород.
Блуа. Я бы хотел сказать несколько слов в связи с вопросом
•о происхождении пигментов. Было предложено несколько более
или менее правдоподобных механизмов образования пигментов,
способных избирательно поглощать монохроматический свет.
В то же время зачастую многие случайные полимеры, возникающие
в опытах по синтезу биологически важных соединений, продолжают
просто выливать в раковину.
При рассмотрении молекулярной эволюции пигментов необхо-
димо учитывать вероятность различных случайных синтезов в усло-
виях, существовавших на примитивной Земле. От подобных слу-
чайных синтезов не могут быть гарантированы даже самые акку-
ратные химики. Возникающие случайные полимеры, особенно те
из них, которые обладают ароматическими свойствами, должны
быть весьма интересны для изучения. Во-первых, образование
таких полимеров, возможно, представляет собой первый шаг в воз-
никновении защитного механизма, снимающего разрушительное
действие ультрафиолетового или коротковолнового света. Во-вто-
Роль света в эволюции
459
рых, эти полимеры можно рассматривать как примитивную систе-
му, способную осуществлять превращение поглощенного света
в свет с большей длиной волны.
Г а ф ф р о н. Было бы интересно найти такой полимер, кото-
рый обладал бы свойством флуоресценции. Он мог бы соответство-
вать предшественникам пигментов.
Блуа. Нам удалось обнаружить флуоресценцию у этих поли-
меров.
Поннамперума. Допустим, что порфины существовали
до возникновения фотосинтеза; могли ли они выполнять еще какую-
нибудь функцию, помимо той, которую мы им приписываем теперь?
Гаффрон. Конечно. При условии высокой концентрации
порфины способны осуществлять перенос водорода от одной орга-
нической молекулы к другой. Здесь мы опять сталкиваемся с про-
блемой высокой концентрации. В океане пигменты, поглощающие
свет, не способны осуществлять перенос водорода, так как их воз-
бужденные состояния недостаточно долговечны. Пигменты должны
находиться в концентрированной смеси органических веществ.
Только в таких условиях они будут способны осуществлять фотохи-
мический перенос электронов или водорода от одной молекулы
к другой. Порфирины могли катализировать образование новых
форм органических молекул. Это не давало, по-видимому, выигрыша
в свободной энергии, но приводило к понижению энтропии благо-
даря возникновению состояний, вероятность которых мала. Подоб-
ное понижение энтропии могло осуществляться самыми разнообраз-
ными способами. При недостатке кислорода свет должен был либо
вновь использоваться, либо оказывать разрушительное действие.
Нам известно, что такие процессы фотоокисления способны проте-
кать с квантовым выходом, равным единице (или даже больше в слу-
чае цепных реакций).
Шутка. На меня произвела большое впечатление работа
д-ра Гаффрона с попеременным выключением и включением света.
Эта работа имеет прямое отношение к некоторым исследованиям,
которые я проводил в 1955—1956 гг. Я обнаружил тогда, что пор-
финоподобные вещества могут существовать в одно- и двуэлектрон-
ном состояниях окисления. Особенно примечательно, что в при-
сутствии кислорода порфиноподобные вещества переходят в вос-
становленное состояние при прекращении доступа энергии. Мы
работали с у-излучением Со60. Не исключено, что в таком включении
и выключении источника энергии, сходном с колебаниями интен-
сивности освещения в течение суток, заложен глубокий смысл. Не
имея пока четких экспериментальных данных по этому вопросу,
я все же выскажу следующее предположение. По моему мнению,
хлорофилл «устает», если его в течение длительного времени под-
вергать действию света, обладающего высокой интенсивностью,
460
Г. Гаффрон
высокой энергией; именно таким должен был быть свет на Земле
до возникновения слоя озона. И не будь дневных колебаний интен-
сивности света, эффективность хлорофилла упала бы до нуля.
Я считаю это направление весьма плодотворным для дальней-
ших исследований.
Г аффрон. Скажите мне, пожалуйста, где были опубликованы
ваши работы.
Шутка. Я сообщал о своей работе на заседаниях Американ-
ского химического общества в Нью-Йорке в 1957 г. и в Чикаго
в 1958 г. Она была опубликована в журнале Journal of the American
Chemical Society.
Куимби. Д-р Гаффрон, вы «получили» или нашли в природе
водоросль, не способную выделять свободный кислород?
Гаффрон. И то, и другое. Сначала мы получили мутант.
Однако вскоре д-р Висснер обнаружил в природе зеленую водо-
росль, усваивающую на свету ацетат.
Саган. Считаете ли вы образование данного фотосинтезирую-
щего пигмента обязательным для ранних этапов эволюции живого
мира? Может быть, на других планетах возникли иные пигмент-
ные системы?
Гаффрон. Это зависит от геохимической истории этих пла-
нет. В принципе функцию фотосинтезирующего пигмента способен
выполнять любой флуоресцентный краситель. Он только должен быть
достаточно устойчивым по отношению к геохимическим воздей-
ствиям, характерным для данной планеты. Помимо зеленого хлоро-
филла, на Земле имеется много различных пигментов, активных
в фотохимическом отношении. Хотя на Марсе и не удалось обна-
ружить спектр хлорофилла, это еще не исключает эволюции фото-
синтезирующих организмов на этой планете.
Саган. Особенно если учесть, что и на Земле обнаружить
спектр хлорофилла довольно трудно.
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие к русскому изданию.................................... 5
Предисловие к английскому изданию................................. 9
Ф. Куимби. Вступительное слово................................... 11
С. Фокс. Вступительное слово.................................... 14
ЧАСТЬ I. П Е Р С П Е KJT И В Ы
Н. Пири. Речь председателя....................................... 17
Дж. Холдейн. Информация, необходимая для воспроизведения первич-
ного организма............................................... 18
М. С. Блуа. Беспорядочные полимеры как матрица для химической
эволюции..................................................... 27
П. Мора. Несостоятельность вероятностного подхода.............. 47
Дж. Бернал. Молекулярные матрицы живых систем................... 76
Дж. Холдейн. Вступительное слово к докладу Опарина.............. 99
А. И. Опарин. История основной проблемы симпозиума............. 100
ЧАСТЬ П. МИКРОМОЛЕКУЛЫ
Дж. Буханан. Речь председателя................................. 109
Дж. Валлентайн. Два аспекта геохимии аминокислот................ ИЗ
Ш. Акабори. Асимметрическое гидрирование карбонильных соединений 135
Дж. Оро. Этапы и механизмы предбиологического органического
синтеза..................................................... 144
К- Гроссенбахер и К. Найт. Образование аминокислот, пептидов и мик-
росфер из газов «примитивной Земли» при воздействии электри-
ческого разряда............................................. 178
К- Харада и С. Фокс. Модельные опыты по термическому синтезу ами-
нокислот из гипотетической примитивной атмосферы Земли . . . 193
Э. Снелл. Речь председателя.................................... 208
К. Саган. Первичный синтез нуклеозидфосфатов под действием ульт-
рафиолетовых лучей ........................................ 211
С. Поннамперума. Небиологический синтез некоторых компонентов
нуклеиновых кислот......................................... 224
А. Шутка. Предполагаемый синтез порфиноподобных веществ в про-
цессе химической эволюции.................................. 245
462
Содержание
ЧАСТЬ III. МАКРОМОЛЕКУЛЫ
А. Мирский. Речь председателя............................... 259
Ф. Липман. Современный этап эволюции биосинтеза и предшествовав-
шее ему развитие......................................... 261
П. Мора. Беспорядочная поликонденсация сахаров.............. 284
К. Харада и С. Фокс. Термическая поликонденсация свободных амино-
кислот с полифосфорной кислотой.......................... 292
Г. Шрамм. Синтез нуклеозидов и полинуклеотидов с помощью метафос-
форных эфиров ........................................... 303
А. Шварц, Э. Брэдли, С. Фокс. Термическая конденсация цитидиловой
кислоты в присутствии полифосфорной кислоты........... 321
ЧАСТЬ IV. МОДЕЛИ ДОКЛЕТОЧНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ
X. Стейнбах. Вступительное слово........................... 333
А. И. Опарин. Пути начального формирования обмена веществ и искус-
ственное моделирование этого формирования в коацерватных каплях 335
Р. Янг. Морфология и химия протеиноидных микросфер.......... 351
С. Фокс. Речь председателя.................................. 361
С. Фокс. Модельные эксперименты по спонтанному формированию мор-
фологических единиц из протеиноида....................... 362
ЧАСТЬ V. ПЕРСПЕКТИВЫ I!
X. Патти. Наследственная упорядоченность в примитивных химических
системах ................................................ 385
Т. Джукс. Роль кодирующих триплетов в эволюции генов гемоглоби-
на и цитохромов с........................................ 406
Г. Гаффрон. Роль света в эволюции: переход от одноквантового меха-
низма к двуквантовому ................................... 437
ПРОИСХОЖДЕНИЕ
ПРЕДБИОЛОГИЧЕСКИХ
СИСТЕМ
Редактор Е. Казакевич
Художник А. Купцов
Художественный редактор
Ю. Максимов
Технический редактор Л. Кондюкова
Корректор М. Колотилина
Сдано в производство 23/Х 1965 г.
Подписано к печати 1/П 1966 г.
Бумага 60X901/ie=H,5 ' бум. л.
29,0 усл. печ. л.
Уч.-нзд. л. 27,47. Изд. № 4/3093
Цена 2 р. 16 к. Зак. 1338
(Темплан 1966 г. изд-ва «МИР»,
пор № 150)
ИЗДАТЕЛЬСТВО «МИР»
Москва, 1~й Рижский пер., 2
Московская типография № 16
Главполиграфпрома Комитета по печати
при Совете Министров СССР.
Москва, Трехпрудиый пер., д. 9