Твитнуть
Цель записи - сформулировать именно источники информации без насыщения многочисленной конкретикой.
Когда дарвинизм во второй половине 19 века только возник, противники эволюции могли спорить с дарвинистами практически на равных. Время прошло. Противники дарвинизма уже практически не ведут споры с учёными, в первую очередь из-за плохого знакомства с современной теорией эволюции, хотя споры и тлеют в том числе и на просторах интернета с теми, кто проводит здесь досуг.
Совсем в ином положении оказалась тема происхождения жизни. Здесь вопрос казался настолько туманным, что о происхождении жизни даже самые матёрые дарвинисты говорили вначале лишь с самых общих позиций - вспомним Холдейна и Опарина.
Н.В. Тимофеев-Ресовский в частных беседах и выступлениях иногда говорил по поводу происхожения жизни: «Я тогда был очень маленький и потому ничего не помню, спросите-ка лучше академика Опарина».
Время шло. Мы всё больше узнавали и о самой жизни. Ведь для того, чтобы понять КАК возникла жизнь, необходимо представлять КАК УСТРОЕНЫ ОРГАНИЗМЫ, другими словами понять ЧТО ИМЕННО должно было возникнуть.
Ещё лет 40 назад казалось, что рассуждать на тему о происхождении жизни - это удел пожилых профессоров, имеющих время и желание просто порассуждать.
Откуда вообще может взяться уверенность в том, что мы сможем понять, как возникла жизнь? Для того, чтобы ответить на этот вопрос, представим, что мы строим пазл пытаемся собрать очень большую, сложную, но невероятно красивую картину из многих мелких элементов. Многочисленные мелкие элементы это факты. Если эти факты хорошо согласуются друг с другом, взаимно друг друга обусловливают, то мы считаем, что элементы пазла соединены верно. Постоянно возникающие новые факты, связанные с ранними этапами эволюции жизни, дают новые небольшие фрагменты картины, своего рода маленькие детальки в великую головоломку происхождения жизни, постепенно складываемую учеными. Фактов накоплено уже так много, что многие фрагменты картины уже видны хорошо, а некоторые только смутно проглядываются. Тем не менее, в целом картину уже можно увидеть. Однако сейчас уже можно утверждать, что эта картина становится всё более детальной.
Итак, источники информации, на основе которых мы можем судить о происхождении жизни следующие.
1. Геологические данные. Они дают два вида информации. Первый вид - геохронологию, которая в частности позволяет откалибровать молекулярные часы эволюции. Это значит - имерить скорость накопления случайных мутаций.
Второй вид информации - анализ геохимических циклов. Возможно, что древние геохимические циклы явились прообразом древних биохимических циклов. Возникает вопрос. Как центральный биосинтез мог возникнуть из геохимических циклов: как геохимический ротор привёл в движение биохимический ротор?
2. Анализ современных организмов.
«...при рассмотрении биохимии в целом, включая процессы, протекающие у всех видов животных и растений, а также бактерий и вирусов, обнаруживалось необычайное единство и экономичность. Все снова и снова мы встречаемся с одними и теми же химическими реакциями и структурами вплоть до деталей атомной структуры. И даже там, где наблюдаются вариации, это вариации на одну и ту же тему. Так, например, порфирины используются в дыхательных ферментах, при фотосинтезе и при переносе кислорода у высших животных». Дж. Бернал.
Вопрос происхождения жизни возникал на новом более глубоком уровне всякий раз, как менялись представления о живых организмах. Эволюционный процесс исторически первоначально рассматривался в перую очередь на основе сравнительно-морфологических данных, дополненные позднее данными из физиологии и эмбриологии. После формулировки клеточной теории возник вопрос о происхождении клетки. Изучение химического состава живых клеток поставило вопрос о происхождении белков. Когда стали известны строение и функции ДНК, РНК, белков возник вопрос о механизме и, в частности, последовательности появления этих ключевых макромолекул. ДНК способна хранить наследственную информацию, но не выполняет каталитические функции и без белков не может реплицироваться, белки же не могут самовоспроизводиться. РНК, казалось бы, играет лишь роль посредника между ДНК и белками и, в некоторых случаях, выполняет структурные (рРНК) и транспортные (тРНК) функции. Эта посредническая роль, а также тот факт, что молекула РНК в отличие от ДНК может принимать большое количество конформаций, позволило предположить Карлом Везе и Лесли Оргелом уже в 60-х годах прошлого века о первичности происхождения именно молекул РНК и возможности их фукнционирования как катализаторов, что впоследствии было блестяще подтверждено.
Первые аминокислотные последовательности были расшифрованы в 50-е годы прошлого столетия, нуклеотидные последовательности в 60-е годы. Появление базы данных последовательностей белков и нуклеиновых кислот позволили зародиться новому разделу науки теории молекулярной эволюции.
3. Искусственное моделирование различных этапов происхождения 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 способными создать такую же».
Куимби Ф. (В кн: Фокс С. (ред.) Происхождение предбиологических систем. "Мир", Москва, 1966. С.12).
Прошло больше 50 лет после того, как были произнесены эти слова, и сейчас в научной литературе нередко утверждается, что факт воспроизведения жизни в лабораторных условий может стать реальностью в не очень отдалённом будущем.
Первоначально более половины минувшего столетия основные усилия в данной области были направлены на экспериментальное исследование процессов, моделирующих абиогенный синтез сложных органических соединений, а также процессов, предположительно моделирующих самосборку сложных предбиологических и древнейших биологических структур, например коацерватных капель, протеиноидных микросфер или липидных везикул.
В дальнейшем существенную роль стали играть эксперименты с информационными биологическими молекулами ДНК, и особенно с РНК. Особенно примечателен разработанный в начале 90-х годов прошлого века метод эволюции РНК in vitro («в пробирке»), который дал возможность получать новые рибозимы (РНКовые катализаторы) способные частично имитировать многие ключевые свойства гипотетического предкового мира, образованного самовоспроизводящимися эволюционирующими молекулами РНК [Ellington A.D., Szostak J.W. 1990; Robertson D.L.б Joyce G.F. 1990; Tuerk C., Gold L. 1990]. Представления о возможностях РНК катализа значительно расширились с развитием методов искусственного отбора и амплификации молекул из синтезированных хаотических последовательностей РНК. Методы SELEX, используемые для получения рибозимов с новыми каталитическими функциями, по существу воспроизводят принципы химической эволюции, естественно, с учетом того, что условия проведения современных экспериментов далеки от физико-химических условий, существовавших в эру предбиологической эволюции.
Фактически искуственное моделирование, подобно следственному эксперименту, должно служить важнейшим аргументом того, как возникла жизнь. Это моделирование касается не только ранних этапов (синтез в пробирке простейших органических молекул), но и фактически ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ КЛЮЧЕВЫХ ЭТАПОВ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЖИЗНИ.
4. Анализ молекулярных реликтов (молекулярных ископаемых).
«Жизнь в своем развитии никогда не пренебрегала тем, что уже построено, а строила поверх того, что есть. Поэтому клетка напоминает участок археологических раскопок, где обнажается напластование одного слоя на другой чем старше, тем глубже» [Szent-Gyorgyi A. 1972, р. 6].
Современные биохимические механизмы несут на себе отпечаток эволюционного прошлого «родимые пятна» своей эволюционной истории. Есть особые компоненты у живых организмов, которые ПОЧТИ НЕ МЕНЯЮТСЯ, ИЛИ МЕНЯЮТСЯ ОЧЕНЬ СЛАБО. Кроме центрального биосинтеза к ним относятся рибосомы (на них синтезируются белки), кофакторы белкового синтеза (многие из них мы считаем витаминами), многие ферменты, участвующие в синтезе белка. БОЛЬШИНСТВО КОМПОМНЕНТОВ СИНТЕЗА БЕЛКА ЯВЛЯЮТСЯ МОЛЕКУЛЯРНЫМИ РЕЛИКТАМИ. ОНИ ОЧЕНЬ МАЛО ИЗМЕНИЛИСЬ ЗА МИЛЛИАРДЫ ЛЕТ! А генетический код почти не изменился. Каким он был, таким и остался. Особенности его стурктуры - тот след, который несёт информацию о возникновении жизни. Эйген М., Винклер-Остватич Р. Майцелс и Вайнер предложили термин «молекулярное ископаемое» для обозначения любых современных молекул в живых организмах, которые несут информацию об эволюционной истории [Maizels N., Weiner A.M. 1994]. Понятие молекулярного ископаемого является абстрактным, а не осязаемым объектом. Молекулярное ископаемое является записью, отражением древней эволюции, а не самим ископаемым остатком.
Следует иметь в в виду, что кодирующие макромолекулы (ДНК и РНК) эволюционируют с разными скоростями. Наиболее медленно изменяются обычно гены и белки, ответственные за протекание некторых очень рано возникших генетических процессов, представленных у значительной части, или даже всех форм жизни. К ним относятся гены рибосомных РНК, рибосомных белков, тРНК, аминоацил-тРНК-синтетаз, некоторых гистонов и др. Менее консервативны гены и белки, ответственные за функционирование тех систем, которые встречаются у более узких групп видов, например гены глобинов животных. Самыми изменчивыми являются гены и белки РНК-содержащих вирусов.
Очень важно отметить, что именно анализ молекулярных реликтов дал наиболее детальную информацию о ранней эволюции жизни.
Когда дарвинизм во второй половине 19 века только возник, противники эволюции могли спорить с дарвинистами практически на равных. Время прошло. Противники дарвинизма уже практически не ведут споры с учёными, в первую очередь из-за плохого знакомства с современной теорией эволюции, хотя споры и тлеют в том числе и на просторах интернета с теми, кто проводит здесь досуг.
Совсем в ином положении оказалась тема происхождения жизни. Здесь вопрос казался настолько туманным, что о происхождении жизни даже самые матёрые дарвинисты говорили вначале лишь с самых общих позиций - вспомним Холдейна и Опарина.
Н.В. Тимофеев-Ресовский в частных беседах и выступлениях иногда говорил по поводу происхожения жизни: «Я тогда был очень маленький и потому ничего не помню, спросите-ка лучше академика Опарина».
Время шло. Мы всё больше узнавали и о самой жизни. Ведь для того, чтобы понять КАК возникла жизнь, необходимо представлять КАК УСТРОЕНЫ ОРГАНИЗМЫ, другими словами понять ЧТО ИМЕННО должно было возникнуть.
Ещё лет 40 назад казалось, что рассуждать на тему о происхождении жизни - это удел пожилых профессоров, имеющих время и желание просто порассуждать.
Откуда вообще может взяться уверенность в том, что мы сможем понять, как возникла жизнь? Для того, чтобы ответить на этот вопрос, представим, что мы строим пазл пытаемся собрать очень большую, сложную, но невероятно красивую картину из многих мелких элементов. Многочисленные мелкие элементы это факты. Если эти факты хорошо согласуются друг с другом, взаимно друг друга обусловливают, то мы считаем, что элементы пазла соединены верно. Постоянно возникающие новые факты, связанные с ранними этапами эволюции жизни, дают новые небольшие фрагменты картины, своего рода маленькие детальки в великую головоломку происхождения жизни, постепенно складываемую учеными. Фактов накоплено уже так много, что многие фрагменты картины уже видны хорошо, а некоторые только смутно проглядываются. Тем не менее, в целом картину уже можно увидеть. Однако сейчас уже можно утверждать, что эта картина становится всё более детальной.
Итак, источники информации, на основе которых мы можем судить о происхождении жизни следующие.
1. Геологические данные. Они дают два вида информации. Первый вид - геохронологию, которая в частности позволяет откалибровать молекулярные часы эволюции. Это значит - имерить скорость накопления случайных мутаций.
Второй вид информации - анализ геохимических циклов. Возможно, что древние геохимические циклы явились прообразом древних биохимических циклов. Возникает вопрос. Как центральный биосинтез мог возникнуть из геохимических циклов: как геохимический ротор привёл в движение биохимический ротор?
2. Анализ современных организмов.
«...при рассмотрении биохимии в целом, включая процессы, протекающие у всех видов животных и растений, а также бактерий и вирусов, обнаруживалось необычайное единство и экономичность. Все снова и снова мы встречаемся с одними и теми же химическими реакциями и структурами вплоть до деталей атомной структуры. И даже там, где наблюдаются вариации, это вариации на одну и ту же тему. Так, например, порфирины используются в дыхательных ферментах, при фотосинтезе и при переносе кислорода у высших животных». Дж. Бернал.
Вопрос происхождения жизни возникал на новом более глубоком уровне всякий раз, как менялись представления о живых организмах. Эволюционный процесс исторически первоначально рассматривался в перую очередь на основе сравнительно-морфологических данных, дополненные позднее данными из физиологии и эмбриологии. После формулировки клеточной теории возник вопрос о происхождении клетки. Изучение химического состава живых клеток поставило вопрос о происхождении белков. Когда стали известны строение и функции ДНК, РНК, белков возник вопрос о механизме и, в частности, последовательности появления этих ключевых макромолекул. ДНК способна хранить наследственную информацию, но не выполняет каталитические функции и без белков не может реплицироваться, белки же не могут самовоспроизводиться. РНК, казалось бы, играет лишь роль посредника между ДНК и белками и, в некоторых случаях, выполняет структурные (рРНК) и транспортные (тРНК) функции. Эта посредническая роль, а также тот факт, что молекула РНК в отличие от ДНК может принимать большое количество конформаций, позволило предположить Карлом Везе и Лесли Оргелом уже в 60-х годах прошлого века о первичности происхождения именно молекул РНК и возможности их фукнционирования как катализаторов, что впоследствии было блестяще подтверждено.
Первые аминокислотные последовательности были расшифрованы в 50-е годы прошлого столетия, нуклеотидные последовательности в 60-е годы. Появление базы данных последовательностей белков и нуклеиновых кислот позволили зародиться новому разделу науки теории молекулярной эволюции.
3. Искусственное моделирование различных этапов происхождения 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 способными создать такую же».
Куимби Ф. (В кн: Фокс С. (ред.) Происхождение предбиологических систем. "Мир", Москва, 1966. С.12).
Прошло больше 50 лет после того, как были произнесены эти слова, и сейчас в научной литературе нередко утверждается, что факт воспроизведения жизни в лабораторных условий может стать реальностью в не очень отдалённом будущем.
Первоначально более половины минувшего столетия основные усилия в данной области были направлены на экспериментальное исследование процессов, моделирующих абиогенный синтез сложных органических соединений, а также процессов, предположительно моделирующих самосборку сложных предбиологических и древнейших биологических структур, например коацерватных капель, протеиноидных микросфер или липидных везикул.
В дальнейшем существенную роль стали играть эксперименты с информационными биологическими молекулами ДНК, и особенно с РНК. Особенно примечателен разработанный в начале 90-х годов прошлого века метод эволюции РНК in vitro («в пробирке»), который дал возможность получать новые рибозимы (РНКовые катализаторы) способные частично имитировать многие ключевые свойства гипотетического предкового мира, образованного самовоспроизводящимися эволюционирующими молекулами РНК [Ellington A.D., Szostak J.W. 1990; Robertson D.L.б Joyce G.F. 1990; Tuerk C., Gold L. 1990]. Представления о возможностях РНК катализа значительно расширились с развитием методов искусственного отбора и амплификации молекул из синтезированных хаотических последовательностей РНК. Методы SELEX, используемые для получения рибозимов с новыми каталитическими функциями, по существу воспроизводят принципы химической эволюции, естественно, с учетом того, что условия проведения современных экспериментов далеки от физико-химических условий, существовавших в эру предбиологической эволюции.
Фактически искуственное моделирование, подобно следственному эксперименту, должно служить важнейшим аргументом того, как возникла жизнь. Это моделирование касается не только ранних этапов (синтез в пробирке простейших органических молекул), но и фактически ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ КЛЮЧЕВЫХ ЭТАПОВ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЖИЗНИ.
4. Анализ молекулярных реликтов (молекулярных ископаемых).
«Жизнь в своем развитии никогда не пренебрегала тем, что уже построено, а строила поверх того, что есть. Поэтому клетка напоминает участок археологических раскопок, где обнажается напластование одного слоя на другой чем старше, тем глубже» [Szent-Gyorgyi A. 1972, р. 6].
Современные биохимические механизмы несут на себе отпечаток эволюционного прошлого «родимые пятна» своей эволюционной истории. Есть особые компоненты у живых организмов, которые ПОЧТИ НЕ МЕНЯЮТСЯ, ИЛИ МЕНЯЮТСЯ ОЧЕНЬ СЛАБО. Кроме центрального биосинтеза к ним относятся рибосомы (на них синтезируются белки), кофакторы белкового синтеза (многие из них мы считаем витаминами), многие ферменты, участвующие в синтезе белка. БОЛЬШИНСТВО КОМПОМНЕНТОВ СИНТЕЗА БЕЛКА ЯВЛЯЮТСЯ МОЛЕКУЛЯРНЫМИ РЕЛИКТАМИ. ОНИ ОЧЕНЬ МАЛО ИЗМЕНИЛИСЬ ЗА МИЛЛИАРДЫ ЛЕТ! А генетический код почти не изменился. Каким он был, таким и остался. Особенности его стурктуры - тот след, который несёт информацию о возникновении жизни. Эйген М., Винклер-Остватич Р. Майцелс и Вайнер предложили термин «молекулярное ископаемое» для обозначения любых современных молекул в живых организмах, которые несут информацию об эволюционной истории [Maizels N., Weiner A.M. 1994]. Понятие молекулярного ископаемого является абстрактным, а не осязаемым объектом. Молекулярное ископаемое является записью, отражением древней эволюции, а не самим ископаемым остатком.
Следует иметь в в виду, что кодирующие макромолекулы (ДНК и РНК) эволюционируют с разными скоростями. Наиболее медленно изменяются обычно гены и белки, ответственные за протекание некторых очень рано возникших генетических процессов, представленных у значительной части, или даже всех форм жизни. К ним относятся гены рибосомных РНК, рибосомных белков, тРНК, аминоацил-тРНК-синтетаз, некоторых гистонов и др. Менее консервативны гены и белки, ответственные за функционирование тех систем, которые встречаются у более узких групп видов, например гены глобинов животных. Самыми изменчивыми являются гены и белки РНК-содержащих вирусов.
Очень важно отметить, что именно анализ молекулярных реликтов дал наиболее детальную информацию о ранней эволюции жизни.
Комментарий