Главная
Форум
Правила
Регистрация
Почта
Карта сайта
  • Красивые норвежские зеленые крыши

    Зеленые крыши стали новым феноменом во многих регионах мира, но норвежцы сооружали такие крыши на протяжении сотен лет. ..  подробнее...
  • Массовоая гибель птиц, рыб и других животных: возможные причины и последствия

    2016 год начался зловещим и непонятным явлением - массовой гибелью совершенно разных видов птиц и рыб, в разных странах и на разных континентах.  подробнее...
  • Скоро самкам гренландского тюленя будет негде рожать

    Благодаря детальному изучению гренландских тюленей стало известно, что для родов, самки этого вида ищут самый толстый и старый лед..  подробнее...
  • Водные ресурсы, климат и здоровье

    Крупномасштабные глобальные изменения природной среды в настоящее время становятся все более очевидными, и все чаще их связывают с процессами глобального изменения климата.  подробнее...
Главное меню
Популярное на сайте
КЛИМАТ И СО2
Доклад ВОЗ Периоды сильной жары: угрозы и ответные мерыОжидается, что в результате изменения климата произойдет повышение средних летних температур и частоты и интенсивности жарких дней. Периоды сильной жары в Европе ассоциируют со значительной заболеваемостью и смертностью.
УРОВЕНЬ ШУМА
Шумовое загрязнение - это своеобразный и очень опасный для здоровья человека вид загрязнения среды обитания. При сильном, продолжительном или постоянном шуме мы подвергаемся особенно большой опасности.
ЭКOТРАНСПОРТ
электромобиль Фольксваген Golf Blue E-motionВы, вероятно, ничего не слышали о набегах компании Фольксваген в сферу электромобилей. Откровенно говоря, до недавнего времени, действительно было мало поводов для подобных обсуждений. Но, наконец, ситуация изменилась, поскольку второй по величине автомобилестроитель в мире только что представил свой Гольф Blue E-motion.
Обзор экологичных автомобилей на авто салоне в Детройте, 2011Детройт принимает автомобильные шоу уже более 100 лет подряд. Первые несколько десятилетий своего существования, однако, это была локальная выставка в США. Затем, в 1987 году, группа компаний из Детройтской ассоциации авто дилеров (DADA) задала себе вопрос: Почему бы не сделать из этого авто шоу национальную выставку автомобилей с приглашенными автопроизводителями из других стран?
КРАСИВЕЙШИЕ МЕСТА
Командорские остров, остров Беринга фото
Командо?рские острова? - архипелаг из четырёх островов в юго-западной части Берингова моря Тихого океана.
Великий барьерный риф, АвстралияОдно из естественных чудес на Планете - это Великий барьерный риф в Австралии. Он находится на ее восточном побережье и является самым большим коралловым рифом на Земле.
Интересное на сайте
Реклама на сайте
Экологичный и футуристичный тримаран Earthrace продолжает ставить рекорды - zelife.ru - Капитан и создатель экологичной яхты Earthrace дал интервью австралийским "Зеленым страницам" во время ее стоянки в Сиднее. Пит Бетюн построил эту лодку, которая приводится в действие исключительно благодаря био-топливу и является морским транспортным средством с нулевым балансом выбросов углерода.
МИРОВАЯ ЭКОЛОГИЯ
В Запорожье отмыли национальный заповедник14 сентября активисты Запорожской экологической организации "Оберег" провели акцию "Отмоем Хортицу вместе". Наиболее активными участниками акции стали девушки в народных костюмах, кто-то с "сажей" на лице, кто-то в противогазе.
ЗЕЛЕНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Недельное тестирование нового гибридного автомобиля Chevi Volt - Экологический портал Зеленая жизнь www.zelife.ruИзвестный экологический веб-ресурс Inhabitat недавно получил в свое распоряжение электрический Chevy Volt от Дженерал Моторс на целую неделю с тем,
ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА
Зеленый офис: «уже в России чувствовать себя человеком...» Экологический портал Зеленая жизнь - Зелайф www.zelife.ruВ Москве состоялась встреча в рамках проекта EcoLounge, посвящённая экологизации офиса. Мы публикуем основные тезисы, прозвучавшие в ходе мероприятия.
ЭКОТУРИЗМ
На фоне глобальных изменений природной среды ХХ-го и начала XXI веков возникает проблема формирования нового типа общественного сознания, отражающего как современное знание о природе, так и принципиально новые потребности людей. Одной из них является возрастающая тяга к экотуризму.
ГМО
ГМО. Бомба замедленного действия.Основные методы генной инженерии были разработаны в начале 1970-х годов. Уже тогда возникли опасения, что новая наука в неумелых руках может не только нанести человечеству непоправимый вред, но и вообще уничтожить его.
Навигатор по сайту  »  Экология » ЭКОЛОГИЯ И МЕДИЦИНА
Сортировать статьи по: дате | популярности | посещаемости | комментариям | алфавиту
опубликовано:  19-07-2017, 09:47   |   автор:  admin
Оказывается, что сделать блестящую карьеру, можно очень быстро. Для этого стоит только ввести себе ген, который будет усиливать взаимодействие между нейронами медиальной и префронтальной зоны коры головного мозга.

Изменить свое социальное положение, достаточно легко при помощи генетического «переключателя». Именно так считают ученые из Шанхайского университета нейробиологии.
  • Просмотров: 65
опубликовано:  18-07-2017, 07:05   |   автор:  admin
Ферменты в медицинеУспехи современной биохимии в выяснении фундаментальной природы
жизни и молекулярных основ патологии, включая наследственные
болезни человека, а также в определении структуры и функции белков
и нуклеиновых кислот в значительной степени обусловлены широким
внедрением в биохимию достижений физики, химии и математики.


Этот союз с точными науками позволил не только разработать
методологические подходы для более глубокого изучения строения и
функций индивидуальных химических компонентов живой материи на
молекулярном уровне, но и способствовал развитию новых направлений
в биохимии, включая молекулярную биологию, биоорганическую химию и
энзимологию.<!--more-->



Учение о ферментах - энзимология - превратилось в
самостоятельно и интенсивно развивающуюся область знания.
Российские ученые (академики В.А. Энгельгардт, А.Е.
Браунштейн, С.Р. Мардашев, И.В. Березин и др.) внесли крупный
вклад в мировую науку в области изучения структуры и функций
ферментов, механизмов энзиматического катализа и регуляции
активности и синтеза ферментов; это способствовало
существенному улучшению методов диагностики, лечения и
профилактики заболеваний человека.



Прежде чем касаться медицинских проблем энзимологии, кратко
перечислим основные функции ферментов не только в организме
человека и животных, но и в отдельной живой клетке. Основной
и, может быть, главной функцией ферментов является их
способность резко повышать (в десятки и сотни миллиардов раз)
скорость химических реакций, то есть ферменты выполняют роль
катализаторов огромного числа химических реакций,
осуществляемых ежесекундно во всех живых системах. Более того,
ферменты являются регуляторами скорости химических реакций,
строго контролируя процессы синтеза и распада индивидуальных
химических компонентов клетки и всего организма в целом.
Благодаря этому свойству ферментов живые системы сохраняют
постоянство внутренней среды (так называемый гомеостаз); они
отличаются от современных крупных промышленных производств не
мощностью или даже не грузоподъемностью, а высокой
эффективностью, экономичностью, рациональностью и ювелирной
точностью результатов в микропространстве клетки (никаких
побочных продуктов, никаких отходов, загрязняющих окружающую
среду).



Ферменты выполняют важные защитные функции, обезвреживая как
экзогенные (поступающие из внешней среды), так и эндогенные
(образующиеся в самом организме) токсические вещества;
последние подвергаются под действием ферментов различным
реакциям окисления, восстановления и, наконец, распада на
продукты, теряющие свои токсические свойства. Эта область
исследования получила название ксенобиохимии.



Ферменты используются, кроме того, в качестве инструментов для
осуществления тонкого химического органического синтеза в
легкой, пищевой, микробиологической и фармацевтической
промышленности (производство кормового белка, гормонов,
антибиотиков и других лекарственных препаратов и
L-аминокислот), а также в генноинженерных исследованиях и
биотехнологии.



Касаясь медицинских проблем учения о ферментах, следует прежде
всего подчеркнуть, что одно из перспективных направлений
исследования ферментов - медицинская энзимология - явилось
логическим развитием общего биологического учения о ферментах.
К настоящему времени получены убедительные доказательства, что
современная биология и медицина говорят на языке энзимологии и
что возможности применения ферментов в медицине теоретически
безграничны [1, 2]. В частности, четко определились три
основных направления исследований в области медицинской
энзимологии: энзимопатология, энзимодиагностика и
энзимотерапия. По этим проблемам созываются национальные и
международные конференции, симпозиумы и конгрессы, издаются
научные журналы (например, "Вопросы медицинской химии"),
публикуются ежегодные сборники (Advanses in Clinical
Enzymology, Annual Reports in Medical Chemistry) и т.д.
Отметим также, что в каждой из указанных областей медицинской
энзимологии имеются не только собственные цели и конкретные
задачи, но и особые методологические подходы и методические
приемы. Ниже будут кратко изложены наши представления о первом
направлении медицинской энзимологии, в частности
энзимопатологии, и более подробно об использовании ферментов
для диагностики органических и функциональных поражений
организма и отдельных органов при патологии.



Область исследования энзимопатологии, хотя и включает название
патологии (учение о причинах и механизмах развития болезней),
на самом деле является теоретической, фундаментальной частью
медицинской энзимологии. Она призвана изучать молекулярные
основы развития патологического процесса, основанные на данных
нарушения механизмов регуляции активности или синтеза
индивидуального фермента, или группы ферментов. Ферменты
выполняют не только уникальные каталитические функции, но и,
обладая выраженной органотропностью и высокой специфичностью
действия, могут быть использованы в качестве самых тонких и
избирательных инструментов для направленного воздействия на
патологический процесс. Как известно, из более чем двух тысяч
наследственных болезней человека молекулярный механизм
развития выяснен только у двух - трех десятков. Чаще всего
развитие болезни непосредственно связано с наследственной
недостаточностью или полным отсутствием синтеза
одного-единственного фермента в организме больного.



Типичным примером подобной связи болезни с отсутствием синтеза
в печени специфического фермента является фенилпировиноградная
олигофрения - наследственное заболевание, приводящее в раннем
детстве к гибели ребенка или к развитию тяжелой умственной
отсталости. Молекулярный дефект болезни заключается в
блокировании превращения незаменимой аминокислоты фенилаланина
(Фен) в тирозин (Тир) в соответствии с уравнением



Оказалось, что фермент, катализирующий данную реакцию, -
Фен-4-гидроксилаза, точнее Фен-4-монооксигеназа, - не
синтезируется в клетках печени, единственном органе, где он в
норме открыт. Следствием этого молекулярного нарушения обмена
фенилаланина является развитие тяжелого наследственного
заболевания, обусловленного избыточным накоплением самого
фенилаланина и продуктов его побочного пути обмена -
фенилпировиноградной кислоты (отсюда и название болезни) - в
организме, в частности в ткани мозга и сыворотке крови больных
детей. Обычно диагноз ставят на основании химического метода
открытия фенилаланина или фенилпировиноградной кислоты на
пеленках детей. Лечение в основном сводится к исключению из
питания ребенка (в том числе и из молока матери) аминокислоты
фенилаланина [4]. Для такого ребенка тирозин (см. отличия в
формулах) оказывается незаменимой аминокислотой.



Аналогично, развитие другого тяжелого наследственного
заболевания - галактоземии, то есть непереносимость молочного
сахара, связано с отсутствием синтеза в клетках печени
фермента, катализирующего превращение галактозы в глюкозу.
Следствием подобной аномалии является накопление галактозы в
тканях и развитие катаракты в раннем детстве, поражения тканей
печени и мозга, нередко приводящие к гибели ребенка; лечение в
этом случае сводится к исключению из диеты молочного сахара.



Помимо наследственных заболеваний, энзимопатология успешно
решает и проблемы патогенеза соматических болезней, не столько
причинных факторов, вызывающих развитие болезни, сколько
механизмов развития наиболее распространенных болезней
человека. В частности, организованы крупные научные центры и
Научно-исследовательские институты (Онкологический научный
центр РАМН, Кардиологический научный центр РАМН, НИИ
ревматологии РАМН), в задачу которых входит выяснение
молекулярных основ, например, злокачественного роста,
артериосклероза или ревматоидных артритов. Нетрудно
представить огромную роль ферментных систем или даже отдельных
ферментов, нарушение регуляции активности или синтеза которых
приводит к развитию, формированию патологического процесса.



Второе направление научных исследований в области медицинской
энзимологии - энзимодиагностика - призвано заниматься
разработкой ферментных тестов, основанных на определении
активности (уровня) ферментов и изоферментов в биологических
жидкостях организма больного (сыворотка крови, желудочный или
дуоденальный сок, спинномозговая жидкость, моча и др.). Эти
исследования развиваются в двух направлениях: во-первых, по
пути поиска органотропных или тканетропных ферментов,
специфичных для определенного органа, группы органов или
целостного организма человека; во-вторых, по пути
совершенствования уже описанных в литературе методов
определения активности ферментов в биосредах.



Диагностическая энзимология достигла огромных успехов, помогая
врачу не только в постановке правильного диагноза заболевания
и выяснения степени тяжести болезни, но и в определении
правильности избранного метода лечения. В настоящее время
разработаны количественные методы анализа многих
распространенных ферментов, выявляемых в биологических
жидкостях при поражении разных органов. Для каждого из этих
ферментов определены контрольные величины (уровни) активности
и пределы колебания в норме как в сыворотке крови, так и в
самом органе [3, 4].



В качестве примера можно сослаться на результаты определения
активности двух трансаминаз: аспартатаминотрансферазы (в
клинической литературе больше известной как
глутамат-оксалоацетат-трансаминаза - GOT) и
аланинаминотрансферазы (глутамат-пируват-трансаминазы - GPT);
величины активности этих ферментов в сыворотке крови в норме
колеблются между 5 - 40 международными единицами. При
сердечной недостаточности, при ишемической болезни сердца
активность обеих трансаминаз в сыворотке крови больного лишь
слегка, хотя и статистически достоверно, повышается; однако
при наступлении инфаркта миокарда уже через 20 минут
активность обеих трансаминаз в сыворотке крови резко, в
десятки и сотни раз, превышает уровни контрольных величин в
крови здорового человека [3].



Необходимо указать, что, помимо трансаминаз сыворотки крови,
при инфаркте миокарда весьма информативными диагностическими
ферментными пробами являются лактатдегидрогеназный и
креатинфосфокиназный тесты, относящиеся также к так называемым
некротическим ферментным методам. Это означает, что при
повреждении и распаде части сердечной мышцы вследствие
закупорки коронарной артерии тромбом из обескровленной зоны
вымываются в кровь продукты распада, включая ферменты. Укажем
также, что при благополучном исходе болезни уровни ферментов в
сыворотке крови возвращаются к норме уже ко 2 - 3-му дню после
инфаркта. В то же время при повторном инфаркте миокарда,
наступающем обычно в течение первой недели болезни,
электрокардиограмма обычно не улавливает повторного инфаркта,
тогда как ферментные тесты реагируют повторным и резким
повышением уровня их в сыворотке крови.



Диагностическая ценность ферментов существенно повысилась
после внедрения в клиническую практику методов определения
изоферментов, различающихся преимущественно разной
электрофоретической подвижностью, хотя и наделенных одинаковой
биологической активностью [3]. В этой связи следует более
подробно рассмотреть диагностическую значимость двух
ферментов, определение изоферментных спектров которых внедрено
почти во всех лабораториях клинической химии мира.



Первым из них является упоминавшаяся выше лактатдегидрогеназа
(ЛДГ), которая катализирует обратимое превращение
пировиноградной кислоты в молочную кислоту по уравнению



Следует подчеркнуть, что ЛДГ является ключевым ферментом
анаэробного обмена углеводов во всех живых организмах,
определяя скорость образования энергии в виде
аденозинтрифосфата (АТФ).



ЛДГ - широко распространенный фермент, он синтезируется почти
во всех клетках организма человека [3]; различают два типа
ЛДГ: так называемый сердечный тип, обозначаемый H-тип (от
англ. heart), и мышечный тип, обозначаемый M-тип (от англ.
muscle); каждый из них состоит из четырех субъединиц,
обозначаемых соответственно цифрами. Если в молекуле ЛДГ все
четыре субъединицы представлены H-типом, ее обозначают ЛДГ H4
; если все субъединицы составлены из M-типа, тогда фермент
обозначают M4 . Поскольку в клетках всегда содержатся оба типа
молекул H и M, суммарно четыре субъединицы строятся как из H-,
так и из M-типов. Таким образом, различают 5 изоферментов ЛДГ,
составленных из следующих типов H и M:



H4 , H3M1 , H2M2 , H1M3 и M4 ;



соответственно они обозначаются: 1-, 2-, 3-, 4- и 5-й
изоферменты ЛДГ.



При органическом поражении сердечной мышцы, например при
инфаркте миокарда, в сыворотке крови резко повышается уровень
не только общей лактатдегидрогеназы, но, что очень важно для
точности диагноза, это повышение преимущественно обусловлено
изоферментами 1 и 2, соответственно H4 и H3M1 .



С другой стороны, при поражениях скелетной мускулатуры, а
также при воспалительных процессах печени (гепатиты) или при
вирусных поражениях ткани печени [4], и наконец, при
отравлении четыреххлористым углеродом или другими ядами, когда
преимущественно поражается печень, вызывая некроз ткани [3,
4], изоферментный спектр перемещается слева направо (то есть
уровни 5 и 4 изоферментов ЛДГ резко повышаются при почти
неизмененном уровне 1 и 2 изоферментов). Эти результаты очень
важны для лечащего врача, который на основании главным образом
клинической картины болезни, лабораторных данных,
электрофоретической картины спектров ЛДГ ставит окончательный
диагноз и приступает к лечению больного. Естественно, что
методы лечения будут резко отличаться, и в выборе этих методов
немалую роль играет изоферментный спектр ЛДГ сердечного или
мышечного типа.



Вторым ферментом, диагностическая ценность которого еще выше,
в особенности при инфаркте миокарда [3, 4], является
креатинфосфокиназа (КФК), катализирующая биосинтез
креатинфосфата из креатина и АТФ в соответствии с уравнением



Креатинфосфокиназа - ключевой фермент биосинтеза
макроэргического (наделенного или содержащего высокий
энергетический потенциал) субстрата - креатинфосфата,
играющего наряду с АТФ выдающуюся роль в биоэнергетике
сердечной мышцы и всего организма. Оказалось, что молекула КФК
также состоит из двух типов субъединиц: из M-типа (то есть
мышечный тип, от англ. muscle) и B-типа (то есть мозговой; от
англ. brain); соответственно выделены и охарактеризованы три
изофермента КФК, которые обозначаются латинскими буквами:
MM-изофермент (мышечный тип), преимущественно характерный для
поперечно-полосатой мускулатуры, BB-изофермент (мозговой тип,
преимущественно содержится в ткани мозга) и смешанный тип,
обозначаемый MB-изоферментом, который содержится только в
сердечной мышце.



Учитывая эти данные, в частности органотропность изоферментов
КФК, при органических или функциональных поражениях этих
тканей в сыворотке крови больного появляются в норме
отсутствующие изоферменты КФК, и, соответственно, они
открываются при электрофорезе.



На нашей кафедре В.П. Сараев и Ф.Б. Левин исследовали
сыворотку крови больных инфарктом миокарда в динамике с
первого часа наступления болезни и показали, что общая
активность ЛДГ резко повышается уже через 0,5 часа и держится
на этом высоком уровне до 2 - 3 дней, а у отдельных больных -
до 4 дней; после острого периода величины ЛДГ быстро приходят
к норме, хотя изоферментный спектр ЛДГ все еще сохраняет
сердечный тип до 7 - 8 суток. Укажем также, что во всех
случаях инфактов миокарда, включая благополучные случаи, В.П.
Сараев и Ф.Б. Левин определяли активность еще одного фермента
- гамма-глутамилтрансферазы - в сыворотке крови. Оказалось,
что активность этого фермента медленно повышается при
наступлении инфаркта, но высокие уровни его появляются в крови
только на 10 - 14-е сутки после наступления инфаркта. По
мнению многих клиницистов, гамма-глутамилтрансферазный тест
сыворотки крови может служить важным постинфарктным ферментным
тестом. Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что
некротизированная зона сердечной мышцы скорее всего не
является источником гамма-глутамилтрансферазы, поскольку
вымывание ткани при инфаркте наступает уже в первые 10 - 15
минут. Более вероятно предположение, что в процессе заживления
и заполнения некротизированной зоны нормальной мышечной тканью
в постинфарктном периоде происходит усиленная васкуляризация
(развитие сосудистой сети); в эндотелии образующихся в этой
зоне сосудов открыто повышенное количество (по активности)
гамма-глутамилтрансферазы, что, по-видимому, может служить
источником повышенного содержания этого фермента в сыворотке
крови больных инфарктом миокарда.



Диагностическая энзимология достигла значительных успехов при
постановке диагноза болезней не только указанных органов, но и
других, в частности почек, поджелудочной железы, желудка,
кишечника и легких [2]. Широко используют в клинической
практике, например, определение трансамидиназы в сыворотке
крови - фермента, открытого только в ткани почек и
поджелудочной железы; или определяют активность фермента
гистидазы, обнаруженного только в клетках печени и эпидермиса
кожи. Соответственно, при органических поражениях этих
органов, воспалительных процессах, травмах, хирургических
вмешательствах в сыворотке крови больных появляются указанные
ферменты, в норме отсутствующие в сыворотке.



Естественно, что здесь представлены лишь отдельные примеры из
большого числа ферментов, определяемых в клинике, и описаны
только некоторые болезни из известных почти 10 тысяч болезней
человека. Однако и из этих примеров можно сделать заключение,
что ферментная диагностика может служить основой не только для
постановки правильного и, что самое главное, своевременного
диагноза болезни, но и для проверки эффективности применяемого
метода лечения.



Обладая высокой специфичностью действия, ферменты применяются
в качестве самых тонких и избирательных инструментов в
направленном воздействии на течение любой патологии. О степени
поражения органов, биомембран клеток и субклеточных структур,
о тяжести патологического процесса можно судить по появлению
(или резкому повышению уровня) органотропных ферментов и
изоферментов в сыворотке крови больных, что составляет предмет
диагностической энзимологии.



ЛИТЕРАТУРА




  1. Браунштейн А.Е. На стыке химии и биологии. М., 1987.


  2. Мардашев С.Р. Биохимические проблемы медицины. М., 1975.


  3. Зильва М., Пэннел Г. Клиническая химия в диагностике и
    лечении. М.: Медицина, 1984.


  4. Панченко Н.И., Гусева Н.Р., Масленникова Н.К. и др. //
    Лаб. диагностика. 1993. № 4. С. 37 - 41



Оригинал статьи опубликован на сайте
"Русский переплет "



Автор - Т.Т. Березов, Российский Университет дружбы
народов




  • Просмотров: 72
опубликовано:  15-07-2017, 07:57   |   автор:  admin
Французские ученые определили штамм бактерии E.coli(кишечная палочка), которая вызвала эпидемию на севере Франции, что позволит им улучшить диагностику болезни и выработать методы ее лечения.

Об этом сообщает «АгроНовости» со сылкой агентство Франс Пресс и заявление сотрудников Института имени Луи Пастера в Лилле.

В середине июня в Лилле на севере Франции были госпитализированы семеро детей с симптомами кишечной инфекции, вызванной бактерией кишечной палочки E.coli.
  • Просмотров: 91
опубликовано:  14-07-2017, 14:45   |   автор:  admin
Результаты исследования, которое провели ученые из Каролинского института показали, что женщины употребляющие продукты богатые на антиоксиданты, значительно реже становятся жертвами инсульта. В данном случае, интересным является тот факт, что это не зависит от наличия у них сердечно-сосудистых заболеваний.

Ученые утверждают, что склонность к инсульту будет уменьшаться за счет подавления окислительного стресса и воспаления.
  • Просмотров: 68
опубликовано:  13-07-2017, 09:04   |   автор:  admin
ГЛИНА КРИСТАЛЛИЗУЕТСЯ

ГЛИНА КРИСТАЛЛИЗУЕТСЯ из слабых растворов, которые образуются при просачивании воды сквозь выветренные породы. Слева кристаллы галойзитовой глины, которые растут в воде, просачивающейся сквозь трещины в граните (электронная микрофотография: увеличение х 3750). Справа кристаллы иллита, растущие в порах песчаника (увеличение х 16 000). Процессы такого рода могли играть главенствующую роль при возникновении жизни.


Второй постулат из вышеприведенной пары можно перефразировать так: «некоторые из важнейших биохимических компонентов живого получить очень легко — и точка». На доказательство и дополнение его новыми данными были нацелены эксперименты, выполненные вслед за экспериментами Миллера. Действительно, оказалось, что ряд веществ, к числу которых принадлежат некоторые простейшие аминокислоты, легко получить в самых разнообразных условиях, а не только сходных с существовавшими на ранних этапах эволюции Земли. Это «и точка» в постулате смазывает историческую перспективу, поскольку, приняв постулат, мы должны будем предполагать, что суть длительного эволюционного процесса заключалась в объединении компонентов, иные из которых было не слишком сложно соединить вместе и которые обладали достаточной стабильностью. Как и в случае первого постулата, все это мало говорит нам о событиях, происходивших у основания эволюционного древа.

Конечно, мы можем продолжать считать, что первые организмы были образованы из молекул тех же типов, что и современные, но такую точку зрения нужно рассматривать лишь как гипотезу, не имеющую подтверждений.

На самом деле имеется много оснований для сомнений. Прежде всего вспомним об исключительной сложности и взаимосвязанности основных биохимических процессов. Первые организмы не могли быть устроены таким образом. В них должны были действовать относительно простые «молекулярные машины», которые могли без особого труда вступать во взаимодействие и которые «работали» проще (выражаясь фигурально, это были копья, а не пулеметы). Здесь мы имеем дело с иным подходом к проблеме: он должен привести к мысли, что первые организмы имели другое строение, чем современные, и состояли из других веществ. Это справедливо и для вещей, сделанных человеком: для создания сложных и простых устройств нужны и разные материалы, и разные составные части. Не пытайтесь отыскать хоть одну костяшку от деревянных счетов в карманном компьютере (да и дерево вообще).


ГИПОТЕТИЧЕСКОЕ ЭВОЛЮЦИОННОЕ ДРЕВО

ГИПОТЕТИЧЕСКОЕ ЭВОЛЮЦИОННОЕ ДРЕВО: таким оно получилось в результате использования метода, согласно которому разветвление и вымирание отдельных ветвей происходят случайным образом. Оно очень схоже с другими древами такого рода тем, что все ныне существующие виды (показаны наверху стрелками) происходят из предковой точки ветвления, находящейся на некотором расстоянии от корня древа. (По мере роста древа такие точки ветвления могут переходить лишь на более высокий уровень.) Реально эволюция также идет путем ветвления и вымирания, поэтому неудивительно, что все организмы, существующие сегодня на Земле, вероятно, имеют относительно высоко развитого общего предка. Во всех ныне живущих организмах работает сложная молекулярная «машина», но из этого вовсе не следует, что такая же «машина» была характерна и для самых первых организмов.


Можно усомниться поэтому, что аминокислоты, которые замечательно подходят для построения катализаторов, нужных для определенных процессв, были столь же хороши для образования их в самом начале. Зададимся вопросом, действительно ли аминокислоты или другие важнейшие компоненты современного нам живого вещества вообще участвовали в «старте» жизни.

ОЧЕВИДНО, что современные живыe существа на всех уровнях их организации устроены очень сложно. Классическим примером сложного многокомпонентного устройства может служить глаз, который, для того чтобы вообше иметь практическую ценность, должен быть устроен именно так, как он устроен. «Как может такой орган возникнуть за счет малых эволюционных изменений?» - спрашивают антидарвинисты, думая, что попали в цель. Пусть они успокоятся: здесь нет ничего парадоксального. Высокий уровень организации может возникать за счет постепенных эволюционных изменений.

Представьте себе простои аналог «парадоксальной» структуры - каменную арку. Как можно построить арку постепенно, камень за камнем? Ответ: ее нужно собирать на опоре. А для начала нужно собрать эту опору, в которой нет ничего парадоксального, причем собрать по кусочкам - элемент за элементом.


ВОЗНИКНОВЕНИЕ СИСТЕМЫ


ВОЗНИКНОВЕНИЕ СИСТЕМЫ, использующей принцип кооперативное (например, арки из камней), можно представить себе как результат случайных маловероятных событий (слева). Гораздо разумнее ожидать, однако, что система возникла на некой «опоре», которая исчезла в прошлом и не доступна нашим наблюдениям (справа).Неорганические глины могли служить такого рода опорой - каркасом, на котором эволюция построила ныне существующую молекулярную машину.

Я думаю, что именно таким путем и возникла известная нам, еще более удивительная, чем арка, биохимическая организация живого. Части ее, столь тесно пригнанные друг к другу сегодня, на первых порах опирались на что-то другое, устроенное более просто. Быть может, какие-то фрагменты древней опоры существуют и теперь, сама же опора разрушилась.

Что же дальше? Что мы можем сказать о том, чего уже нет?

Зададим иной вопрос: как узнать, каким оружием пользовались люди в древности, если не сохранилось никаких следов их деятельности? Вряд ли первым на ум придет пулемет, сделанный из камней и палок. Скорее вы попытаетесь представить наиболее простой путь, по которому могли пойти древние люди в создании оружия. При этом вы будете руководствоваться тем, что вы знаете о их потребностях, о технологии и доступных им материалах.

Рассуждая подобным образом, мы можем сказать о первых организмах следующее.

  1. Они могли эволюционировать.
  2. Они были просто организованы.
  3. Они состояли из веществ геохимического происхождения.

Эти тезисы кажутся мне куда более правдоподобными, чем ранее рассмотренные, в них больше смысла и их стоит развить.

За тезис 1 можно не беспокоиться, так как я определяю организмы как системы, способные эволюционировать. Однако нужно быть очень внимательным в отношении смысла термина «эволюционировать»; это в конечном счете приводит к весьма точному описанию класса систем, к которым относятся самые первые организмы. Один организм эволюционировать не может: на это способны лишь организмы, некая их последовательность. Но и этого недостаточно. Эволюционировать может то, что объединяет организмы в ряд сменяющихся поколений, что передается от одного их поколения к другому. Этим является не вещество, а генетическая информация, не субстанция, а форма.

Очевидно, что генетическая информация должна храниться в каком-то материальном субстрате, в неких генах. И генетическая информация должна как-то проявляться (т.е. давать фенотип), что способствует ее сохранению и размножению. В этом, вероятно, принимают участие и другие вещества, но единственное, что сохраняется долго, — это сама информация. За время, необходимое для смены сотен поколений, каждый атом из того набора, который имелся у организма-основателя, будет заменен другим, исходное вещество исчезнет. Выживают только формы, измененные или неизмененные. Такой ход вещей, такой способ существования форм во времени путем многократного копирования и составляет сущность эволюции.

Есть и другие условия, определяющие саму возможность эволюции. В генетической информации должны происходить случайные изменения — мутации, и эти изменения должны наследоваться потомками и приводить к появлению измененных фенотипов; поэтому должен иметь место отбор измененной генетической информации. Таким путем за много поколений осуществляется изменение линий развития, и генетическая информация видоизменяется таким образом, что образуются фенотипы, которые особенно приспособлены к определенным условиям среды.

Конечно, мы сказали об эволюции далеко не все, что можно, но уже вправе сделать одно важное заключение: каков бы ни был состав первых, простых организмов, которые мы пытаемся себе представить, они должны были содержать некое подобие генов.

ЧТО ЖЕ еще, кроме генов, нужно было иметь этим первым организмам? Ответ на этот вопрос дал в 1926 г. Г. Мёллер, и звучал он так: «Ничего». Даже то немногое, что уже было известно и использовалось для объяснения свойств генов, оказалось в принципе достаточным для того, чтобы утверждать, что гены могут эволюционировать сами по себе. Мёллер пошел дальше. То, что первые организмы были просто генами, возможно не только теоретически — вероятно, они действительно представляли собой что-то в этом роде.

В первую очередь Мёллер подчеркивал, что иметь ген (или гены) было абсолютно необходимо. Предположим далее, что в первых организмах было и что-то еще. Для того чтобы эти организмы размножались, такие сопутствующие образования должны были либо синтезироваться заново, либо откуда-то поступать. Из чего следует, что для осуществления синтеза или приобретения требовалась дополнительная информация, которая должна была предсуществовать в генах. Конечно, лучше обходиться без «помощи» такого рода, а если уж прибегать к ней, то как можно реже.

Неоднократно высказывалось предположение, что в роли первичного вещества генов выступала РНК, хотя я считаю, что для этого она очень уж сложно устроена. И все же было показано, что молекулы РНК могут эволюционировать даже в пробирке. Важной особенностью РНК является то, что, хотя она, как и ДНК, несет генетическую информацию, способную к репликации, для того чтобы заключенная в РНК информация была эффективной, не обязателен процесс трансляции. Так же как и в случае белков, способ пространственного складывания цепей РНК может определяться содержащейся в ней наследственной информацией. Эти экспериментальные результаты очень интересны, но говорят ли они нам что-нибудь о ранних этапах эволюции? Фермент, который был использован в опытах с РНК, слишком сложно устроен , чтобы его можно было считать продуктом геохимических процессов, проходивших на ранних этапах эволюции Земли. Если бы даже для этой цели оказались пригодными более просто устроенные катализаторы, то на пути встала бы новая сложность: для репликации РНК нужны особые, макроэргические (богатые энергией) формы нуклеотидов.

В любом случае наш второй тезис побуждает мыслить в строго определенном направлении: ясно, что при попытке очертить особенности строения первых организмов вряд ли стоит использовать какие-то усеченные модели современной жизни. Поскольку первые организмы были просто устроены, они должны были быть и иначе устроены, и могли включать в свой состав совсем иные вещества. Возможно, в частности, что строение генетического материала, позволявшее обходиться без вспомогательных структур, отличалось от того его строения, которое стало возможным при возникновении таких сопутствующих структур в ходе эволюции.

Не так уж трудно представить себе эволюционный процесс, в результате которого первичный, геохимический генетический материал был постепенно замещен совсем другим материалом органохимической природы. Я называю этот процесс генетическим захватом.

Если на ранних этапах эволюции центральной биохимической контролирующей машины действительно происходил генетический захват (или захваты), то вряд ли можно ожидать, что компоненты первичного генетического материала сохранились в современном молекулярном конструкторе. На первый взгляд это соображение подрывает гипотезу генетического захвата. Но у последней есть и достоинства: если следовать такой модели, открывается возможность использовать совершенно новые представления, предлагаемые химией. Наш третий тезис концентрирует внимание на мире минералов; при этом мы не оставляем в стороне основные соображения о том, каковы должны быть самые общие свойства генетического материала.

Вот что говорил Мёллер о природе генетического материала четверть века назад, еще до того, как стала известна роль ДНК: «В роли вещества генов может выступать любое соединение, которое в определенных условиях (в протоплазме или где-то еще) способно самовоспроизводиться с сохранением специфического состава и которое, кроме того, периодически изменяется мутирует — и тем не менее сохраняет способность к самовоспроизведению во всем разнообразии своих форм».

Вывод о том, что в процессе репликации генов должны фигурировать какие-то матрицы, следует из этого высказывания со всей очевидностью. Трудно не увидеть в «специфическом составе» (генетической информации) некую специфическую пространственную организацию (паттерны), которая копируется за счет специфического расположения и связывания воедино контактирующих с нею мономеров. (Именно так обстоит дело при репликации ДНК и РНК.) Если матричный синтез представляется и не единственно возможным путем репликации сложных, мутабельных структур, то он во всяком случае принадлежит к числу простейших и наиболее прямых.

Теперь нам стоит поразмыслить о генетическом материале, составные части (мономеры) которого устроены проще, чем у ДНК. Нам нужно представить такой тип мономеров, которые могли бы образовываться на Земле с легкостью и постоянно в течение длительного времени. Специфических помощников — ферментов тогда не было: компоненты первичного генетического материала должны были в той или иной мере обходиться самосборкой.

Теперь мы рассмотрим еще один тезис:

4. Гены должны включать большое число атомов.

Ген никогда не мог быть малочисленным объединением атомов, так как должен был содержать информацию в количестве выше среднего уровня, что позволяло ему эволюционировать. Более того, гены должны были представлять собой хорошо упорядоченные образования.

Не были ли первые вещества наследственности кристаллами? Ведь кристаллы — это наиболее часто встречающиеся образования, способные к самосборке. Аналогия между процессом кристаллизации и основными процессами жизнедеятельности проводилась неоднократно, но в конечном счете от нее отказывались как от слишком приблизительной. (Дж. Бернал пошел еще дальше: по его мнению, «кристаллизация - это смерть».)

На мои взгляд, возражения такого типа скрывают еще два ложных постулата:

3) структуры кристаллов слишком однообразны;

4) для живого лучше всего подходит углерод.

Первый из них не может рассматриваться всерьез, потому что корни его лежат в представлении о существовании идеальных кристаллов, которых на самом деле не бывает. Верно то, что у кристаллов есть основной тип строения, для которого характерна высокая периодичность, но в каждом реальном кристалле эта структура имеет дефекты. Даже сама конечность объекта (то, что он имеет форму и размер) - это уже «дефект», хотя, почти наверняка, найдутся и многие другие такие особенности. Некоторые структурные блоки могут отсутствовать или замещаться другими; образно говоря, большие или меньшие «куски обоев» могут быть смещены относительно друг друга в той или иной степени. Некоторые из таких нарушении могут быть весьма незначительными. Все это делает реальные кристаллы потенциально высоко информационноемкими.


ДЕФЕКТЫ В КРИСТАЛЛАХ

ДЕФЕКТЫ В КРИСТАЛЛАХ могут приводить к образованию множества стабильных альтернативных конфигураций, что является необходимым условием для хранения информации. На рисунке показаны наиболее обычные дефекты кристаллов: незанятые места в решетке (а), замещение отдельных элементов или доменов (Ь), краевые дислокации (с), вращательные дислокации (tf) и зернистые границы между решетками (е). В двойниковых кристаллах (f) по-разному ориентированные их части имеют общую плоскость взаимодействующих составляющих (стрелки). В некоторых кристаллах (g) большие домены имеют один и тот же состав, но различаются упаковкой составляющих их элементов.


Можно ли представить себе какие-либо структуры с дефектами, которые бы реплицировались в процессе роста кристалла? Ответ будет положительным. Это может происходить в кристаллах нескольких типов, обладающих подходящей комбинацией особенностей структуры, закономерностей роста и свойств спайности.

Остается разобраться с последним тезисом. Здесь мы опять-таки имеем дело не с истиной, а с предположением. Можно согласиться, что молекулы органических соединений — это наилучшие вещества для жизни. Но наилучшим, надо думать, является то, к чему эволюция пришла; начиналась же она, как мы вправе предположить, с наиболее доступного. Наиболее же доступная форма самосборки — это спонтанная кристаллизация простых, распространенных мономеров. Все эти рассуждения приводят к глине.

ВОКРУГ нас постоянно происходит процесс кристаллизации минералов глины из слабых растворов кремниевой кислоты и гидратированных ионов металлов, которые образуются при выветривании горных пород. В целом поверхность Земли можно уподобить гигантской фабрике по производству минералов глины.

Движущих сил здесь две. Во-первых, имеется геологический цикл, существующий за счет энергии радиоактивного распада, разогревающей недра. Этот цикл включает целый ряд процессов, в которых происходит захоронение осадочных пород, их преобразование при высоких температурах, погружение в более глубокие горизонты и наконец выход видоизмененных пород обратно на поверхность. В этих условиях они оказываются не полностью стабильными и с легкостью растворяются водой с образованием простейших составляющих — кремниевой кислоты и ионов металлов, которые могут кристаллизоваться, образуя совсем новые вещества — разнообразные минералы глины. В конце концов эти минералы в более или менее измененном состоянии вновь попадают в осадочные породы и опять подвергаются захоронению. За счет второго цикла обеспечивается поступление воды. Этот цикл зависит от Солнца: вода испаряется из морей, возникают облака, идут дожди, образуются грунтовые воды, ручьи и реки, а завершается все опять в морях.

Конечно, условия на Земле во время зарождения на ней жизни были иные. Из того, что мы знаем, впрочем, следует, что эти отличия не так уж велики. Метаморфизированные осадочные породы принадлежат к числу древнейших; это позволяет предположить, что климатический цикл действовал уже 3,8 млрд. лет назад. Вполне вероятно, что жизнь древнее таких пород. Возможно, она возникла в условиях, когда глины еще не могли формироваться, но для этой гипотезы нет особых оснований.

Не менее вероятно, что примитивные гены представляли собой микрокристаллические минералы, отличные от слоистых силикатов, т.е. «глин» в более широком понимании этого слова. Тем не менее я буду рассматривать именно обычные минералы глин.

ОДНО из следствий принятой мною линии рассуждений таково: простейший генетический материал (или что-то подобное ему) должен и сегодня образовываться на Земле. Как приступить к поиску этого материала? Из абстрактных описаний генетических кристаллов разных типов и из того, что мы знаем о минералах глин, мы можем составить представление о том, как они должны выглядеть, и заняться поисками реальных глин, которые соответствуют этим представлениям.

Рассмотрим вначале одномерный ген. Он должен быть обычен для глин, которые, по-разному сочетаясь, могут давать различные слоистые структуры. Возможна ситуация, когда слои одного типа наложены друг на друга различным образом или когда имеется последовательность слоев разных типов. Если вспомнить, что кристаллит глины, даже построенный из нескольких слоев, может быть весьма гибким и что одномерный кристаллический ген способен расти только в стороны, на ум легко придет некая структура, образованная определенным образом свернутыми (а может быть, и разветвленными) мембранами или лентами постоянной толщины. Существует множество глин с нерегулярной упаковкой слоев, которые весьма схожи с этим описанием.


КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ГЕНЫ

КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ГЕНЫ должны были обладать правильной комбинацией структурных и ростовых признаков и признаков делимости. Информация могла храниться в одномерных или двумерных кристаллических генах. В случае одномерного гена (вверху) она содержалась в детальной структуре ряда взаимодействующих слоев (выделено цветом), которая сохранялась при репликации генов (а, b). Рост происходил только по окрашенным граням, а разделение шло только в параллельном им направлении. Физические свойства слоев, несущих информацию, могли быть различными (например, это могли быть по-разному уложенные кристаллические структуры); то же касается их химического состава. В двумерных кристаллических генах (внизу) информация могла храниться в форме специфической пространственной организации (в отношении и физических, и химических свойств) на грани кристалла (показано цветом). Эта организация сохранялась при репликации гена (с, d) за счет роста на окрашенной грани и при его расщеплении по плоскости, параллельной этой грани.


Конечно, во всем сказанном содержится лишь намек на истину. (Но как был бы интересен такой ген, способный неограниченно распространять содержащуюся в нем информацию без деления!) Рассмотрим теперь еще одну глину особого строения, которая может быть примером двумерного гена.

С. Бейли и К. Мэнсфилд, сотрудники Висконсинского университета в Мадисоне, провели рентгеноструктурный анализ крупных кристаллов вермиформного (червеобразного) каолинита и обнаружили в них интересные дефекты структуры. Отдельные слои каолинита представляют собой мозаично расположенные небольшие домены, составляющие в целом весьма прихотливый рисунок. В каждом домене все атомы алюминия имеют одну из трех возможных ориентации. В таких структурах может храниться очень много информации, и эта информация может быть реплицирована при условии, что во вновь образующемся слое ориентация атомов алюминия будет зависеть от их ориентации в том слое, на котором он формируется. В идеальных кристаллах каолинита ориентация атомов алюминия в слоях сохраняется, но в реальных кристаллах нередки «ошибки».

Сходный тип организации, видимо, присущ индивидуальным слоям типичных червеобразных кристаллов: для некоторых из них характерна сложная, но неизменная организация поперечного сечения. Как эти особенности строения, так и наличие глубоких борозд на поверхности говорят о доменной структуре (см. рисунок на с, 50).

Сказанное подтверждают результаты экспериментов А. Вепса из Мюнхенского университета, который исследовал рост кристаллов смектита. Вейс указывает, что новые слои, образующиеся в промежутках между предсуществовавшими слоями кристаллов, получают от них информацию: речь идет о распределении плотности отрицательных зарядов, появляющихся при замещении атомов на алюминий в кремний-кислородной сети.

Конечно, нужно проводить новые наблюдения и ставить опыты, чтобы обосновать правомерность главного вопроса: существуют ли минеральные, кристаллические гены? Сегодня на этот вопрос я могу ответить лишь так: «Быть может, существуют» — и перейти к другому вопросу: могли ли такие гены эволюционировать? На этот вопрос, как мне кажется, можно ответить так: «Да; маловероятно, что они не эволюционировали».

РАССМОТРИМ обычные микроусловия формирования глин — пористую структуру песчаника. Растворы, содержащие продукты выветривания, просачиваются сквозь него, и в порах происходит кристаллизация двумерно реплицирующихся глин. Процесс может одновременно происходить в ряде участков, и в каждом из них будут находиться миллионы кристаллов с определенными дефектами структуры. В каких-то из этих участков кристаллы могут иметь такие форму и размеры, что они будут близко прилегать друг к другу и образовывать водонепроницаемый заслон. Движение растворов в таких участках нарушится и кристаллы в них перестанут расти. В других участках небольшие, рыхло расположенные кристаллы не будут мешать протеканию растворов, но при дожде такие структуры будут легко вымываться, так что в этом тоже мало хорошего. Наконец, в участках третьего, типа кристаллы могут иметь такую форму, что они закрепятся в углублениях стенок пор; такие кристаллы и останутся на месте, не препятствуя протеканию питающих растворов. Возможны и участки, где реплицируются относительно длинные кристаллы, которые ввиду ограниченности пространства соединятся друг с другом и образуют довольно рыхлую структуру — это еще один путь сохранения постоянной локализации при поддержании потока питающих растворов.

Даже в таких относительно простых условиях могут проявляться весьма тонко действующие силы отбора — некие факторы, обусловливающие причины преимущественного развития определенных структур с дефектами (в данном случае имеются в виду главным образом их форма и размеры). В результате мутаций появятся варианты таких структур; по этой причине в разных частях растущих участков будут часто находиться кристаллы, несколько отличающиеся дефектами своей структуры. Это может привести к тому, что в одних местах рост пойдет быстрее, чем в других, одни части будут лучше переносить периодические неблагоприятные условия, чем другие.


ГЕНЕТИЧЕСКИЙ ЗАХВАТ

ГЕНЕТИЧЕСКИЙ ЗАХВАТ, каким он представляется автору, был важнейшим этапом ранней эволюции. Вначале существовали лишь «голые» гены, состоявшие из какого-то не известного нам первичного генетического вещества (черные квадратики слева), которые эволюционировали таким образом, что стали контролировать условия окружающей их среды путем управления образованием все более сложных, окружающих их фенотипов {голубые многоугольники). Возник новый тип генов {красные квадратики), которые могли «работать» только в границах довольно сложно устроенного фенотипа, но были более «работоспособными», чем исходные гены. Новые гены постепенно захватывали контрольные функции при формировании фенотипов, так что в конечном счете начальная форма генов была ими полностью вытеснена.


Давайте теперь рассмотрим несколько более сложные условия. Пусть почвенные растворы из песчаника попадают в быстро текущий поток, который в силу повышенной кислотности и малой концентрации веществ в нем не обеспечивает условий для синтеза глин, но содержит один из компонентов (нужных для образования «генетической» глины), которого недостает в песчанике. С позиции химии идеальным местом для образования такой глины будет в этом случае поверхность раздела между двумя разными средами. С физической точки зрения условия для этого отнюдь не идеальны, так как эта поверхность невелика и подвержена изменениям. Образующиеся кристаллы всегда находятся под угрозой вымы-вания или растворения либо того и другого вместе. Тем не менее поверхность раздела может быть стабилизирована и расширена значительными группами тесно взаимодействующих (реплицирующихся) кристаллов, прикрепленных к песчанику; получится весьма клейкая масса. Мутации, изменяющие форму образующих ее переплетающихся кристаллов, будут изменять ее пористость, что в свою очередь приведет к изменению в ней градиентов кислотности, а также градиентов концентрации различных ионов. Подбор условий, подходящих для синтеза глин в таких массах, может происходить путем естественного отбора. Наибольшие шансы на успех будет иметь такой «комок генов», который окажется и хорошей поддерживающей средой, и подходящим местом для образования глины. Считается, что длинная шея у жирафа возникла под действием естественного отбора; в результате животные этого вида могут поедать листья с макушек деревьев без особых усилий. Можно думать, что и разные формы реплицирующихся глинистых частиц могут в определенных условиях также «приспосабливать» свой размер и форму. Забудем на время о сложностях физиологии. В логике событий здесь действительно есть много общего. Реплицирующиеся, мутирующие структуры оптимизируются одним и тем же путем — в ответ на меняющиеся условия. Они просто не могут вести себя иначе.

ДО СИХ ПОР мы рассматривали самые первые организмы как состоящие из одних только генов. Такие организмы действительно могли существовать, поскольку даже сам набор генов может обладать фенотипом. Иными словами, он характеризуется неким комплексом физико-химических свойств, определяемых имеющейся в генах информацией, от которых зависит его эволюционная судьба. В реальных условиях исходный набор «глиняных» генов постоянно «загрязнялся» бы другими глинами, образовавшимися в условиях, которые возникли под влиянием этих генов. Совместная кристаллизация могла иногда приводить к улучшению свойств агрегатов, например их пористости или способности удерживаться в месте роста. Одновременно могли происходить мутации генов, попадавшие под действие отбора, который способствовал образованию «вторичных» глин. Нетрудно представить себе, каким образом дефектная структура в генетическом кристалле могла самым прямым способом осуществлять контроль над ростом аналогичных образований: это могло происходить за счет эпитаксии, т.е. под влиянием специфических дефектов предсуществовавших структур на кристаллизацию вторичных глин на поверхности генетических глин.


БОЛЬШИНСТВО ГЛИН

БОЛЬШИНСТВО ГЛИН образовано стопкой слоев. В каолините (а) асимметричные слои скреплены водородными связями. Каждый слой образован сеткой из атомов алюминия и гидроксильных групп, слитой воедино с сетью из атомов кремния и кислорода (b). В других глинах слои симметричны. В них кремний-кислородная сеть с обеих сторон слита с металл-гидроксильной сетью. Эти слои заряжены отрицательно и взаимодействуют при участии положительно заряженных ионов (с). В иллитах (d) большая часть отрицательных зарядов появляется в результате замещения атомов кремния атомами алюминия.


Рассмотрев первые организмы, пойдем теперь дальше. Я попробую в нескольких словах описать взаимосвязи между нами и первыми организмами. Для этого нам не обойтись без молекул органических соединении, а также без вопросов «почему?» и «как?».

Почему вообще на сцену вышли молекулы органических соединений? По ряду причин. Некоторые из малых органических молекул (например, аминокислоты или ди- и трикарбоновые кислоты) могли способствовать солюбилизации ионов металлов, например алюминия. Таким образом, они выступали в роли катализаторов при синтезе глин. Молекулы других типов (например, гетероциклические основания и полифосфаты) обладают повышенным сродством к глинам, что часто приводит к изменению физических свойств геля глины. Органические молекулы способны также сильно влиять на форму и размер неорганических кристаллов, подавляя рост некоторых их граней. Это могло иметь особо большое значение для контролируемой репликации кристаллических генов. Кроме того, влияние на структуры могли иметь и полимерные органические соединения. Они могли удерживать частицы глины рядом друг с другом.

Я думаю, что предшественники РНК, появившиеся в достаточно развитых глиняных организмах, в первую очередь играли структурную роль. (На самом деле РНК и сегодня иногда используется приблизительно для тех же пелей.) РНК-подобный полимер с отрицательно заряженным остовом молекулы должен стремиться связываться с краями частиц глины (они чаще всего заряжены положительно). А гетероциклические основания (молекулы типа аденина) имеют тенденцию проникать между слоями глины. Можно представить себе некий РНК-подобный полимер, который возник специально для взаимодействия с глинами (возможно, даже для «чтения» информации, экспонированной на краях одномерных «глиняных» генов).


ДЛИННЫЕ КРИСТАЛЛЫ ИЛЛИТА

ДЛИННЫЕ КРИСТАЛЛЫ ИЛЛИТА, прикрепленные к зерну песчаника. (Увеличение х 10 000; микрофотография сделана при помощи сканирующего электронного микроскопа.) Такая глина подходящий кандидат на роль одномерного генетического кристалла, но, поскольку она образована небольшим числом слоев, ее информационная емкость невелика.



ВЕРМИФОРМНЫЙ (ЧЕРВЕОБРАЗНЫЙ) КАОЛИНИТ

ВЕРМИФОРМНЫЙ (ЧЕРВЕОБРАЗНЫЙ) КАОЛИНИТ (увеличение х 1350), образовавшийся путем выветривания. Такая глина — возможный кандидат на роль двумерного генетического кристалла.


Генетический захват, который привел к становлению существующих сегодня механизмов биохимического контроля, мог начаться, согласно этой гипотезе, с того момента, когда РНК стала реплицирующейся молекулой. То был новый тип «сотрудничающего» генетического материала, роль которого вначале была невелика. Для того чтобы отойти от основы — глиняного каркаса, требовалась длительная эволюция. Возможно, это произошло уже после того, как возникла сложная система механизмов белкового синтеза. Об эволюции такой системы можно рассуждать, поскольку она происходила в пределах образовавшегося организма. Сначала она могла эволюционировать как побочная система, но постепенно становилась все более полезной и сложной, а когда каркас исчез, стала совершенно необходимой.

Что было причиной перехода эволюции с неорганического кристаллического уровня на органический молекулярный? Дело, видимо, в том, что органические вещества могут иметь более тонкую структуру (конечно, если есть соответствующие механизмы для ее создания), что позволяет осуществлять более сложный контроль над процессами.

В какой последовательности вступали в действие органические молекулы? Мне кажется, что все началось с фотосинтеза, в котором использовался углекислый газ атмосферы и который на первых порах приводил к образованию молекул типа муравьиной кислоты.

Однако значительно интереснее другой вопрос — о том, каким образом происходило объединение более сложно устроенных молекул до появления ферментов. Как происходило образование нуклеотидов? Для этого должны были сложиться необходимые для их формирования системы, включающие многие химические реакции и другие процессы, например процессы очистки; причем все должно было осуществляться в строго заданной последовательности. Такая система не могла быть результатом случайных процессов: она должна была быть организована. У достаточно развитых организмов, «сделанных» из глины, в роли организующего начала мог выступать естественный отбор. С какими же физическими объектами имел он дело до того, как к работе приступили молекулы белков? Я думаю, что до появления ферментов в организмах действовал какой-то более «старомодный» аппарат, в чем-то схожий с теми, которые имеются в лабораториях химиков-органиков или химических заводов. В них наряду с колбами, пробирками, насосами, ионообменными и адсорбционными колонками широко применяются и весьма малоспецифичные катализаторы.



РАЗНООБРАЗИЕ ФОРМ минералов глины — один из фактов, говорящих о возможной роли глин в построении примитивных организмов. Кожистый галлойзит показан на этом рисунке с разным увеличением: он образован массой нитей, часть которых представляет собой полые трубочки. (Микрофотографии сделаны при помощи электронного микроскопа.) Очень маленький отросток едва заметен при увеличении в 130 раз (слева). При увеличении в 1000 раз на нем выявляется петля (е середине). При увеличении в 26 000 раз видно, что он представляет собой полую трубочку (справа).


С учетом сказанного мы переходим к заключительной части представлений о минералах глин как основных веществах, из которых сформировались первые организмы. Коль скоро нам нужны катализаторы (довольно неспецифические), мы легко обнаружим их среди минералов глин. Точнее, если нам нужен достаточно простой аппарат типа тех, о которых только что шла речь, то существует множество обычных глин, которые могли бы быть использованы для его построения. Как его части объединились и какие силы отбора действовали при этом — неясно.

Скептики могут задать три вопроса:

I. Почему кристаллические гены не являются обычным компонентом окружающей нас природы, если они на самом деле состоят из простых веществ и если их эволюция — это естественный процесс?

Я мог бы предложить четыре ответа на этот вопрос: 1) быть может, кристаллических генов вообще не существует; 2) генетические минеральные вещества встречаются весьма редко; 3) подходящие условия для репликации минеральных генов складываются нечасто; 4) минеральные гены, прошедшие определенный путь в эволюции, встречаются часто, но мы не умеем их различать. Оставляю выбор ответа читателю.

В любом случае я не могу представить себе, что современные организмы на основе глин могут вновь достигнуть такой фазы развития, что станут способны использовать органические молекулы. Слишком большую конкуренцию составляют им ДНК-содержашие микроорганизмы. То же самое можно сказать и о предковых формах: сегодня их также, наверное, не существует.

II. Имеем ли мы право приписывать маленьким кристаллам глин свойства живого?

Первые организмы были, скорее всего, весьма непредставительными и, я бы сказал, неживыми. Организм нужен как предпосылка эволюции, но «жизнь» — это что-то совсем иное, нечто необычное, некая на вид целенаправленная сложность, которая могла. сформироваться в результате эволюции. Но на более поздних стадиях первичные организмы, как мне кажется, должны быть уже живыми с любой точки зрения.

III. Какие эксперименты нужно провести?

Поверхность раздела между глиной и молекулами органических соединений в настоящее время интенсивно изучается. Эта работа в основном ведется в Эймсском центре НАСА, расположенном близ Маунтин-Вью в Калифорнии. Дж. Лоулесс и его коллеги выяснили, каким образом ионы металлов, таких, как медь и цинк, могут способствовать связыванию нуклеотидов с глинами. Они также обнаружили, что ионы глин обладают селективным каталитическим влиянием на аминокислоты. Работая в этом же центре, М. Мортланд из Университета шт. Мичиган обнаружил, что кофермент пиридоксальфосфат может функционировать как фермент, если он находится в комплексе с медьсодержащими монтмориллонитовыми глинами. Н. Лахав из Еврейского университета вместе с Д. Уайтом из Университета в Санта-Клара и Ш. Чангом из Эймсского центра выяснили, каким образом глины, подвергающиеся периодическому смачиванию и высушиванию, могут способствовать соединению молекул аминокислоты глицина. В этом циклическом процессе происходит перенос энергии от окружающей среды к органическим молекулам.

Механизм преобразования энергии должен был быть необходимой составной частью организмов, за исключением самых примитивных. Л. Койн из Калифорнийского университета в Сан-Хосе нашла, что для этой цели вполне могли служить каолинитовые глины. Они могут собирать энергию из окружающей среды, которая выделяется при радиоактивном распаде, сохранять ее и высвобождать в тех случаях, когда структура глины нарушается определенным образом, например при ее смачивании или высушивании.


ИМОГОЛИТ И АЛЛОФАН

ИМОГОЛИТ И АЛЛОФАН (увеличение х 500 000; снимок сделан при помощи электронного микроскопа). Длинные тонкие образования - это монолитные трубочки из имоголита, они усеяны полыми «стручками» аллофана.


Пытаясь составить более определенное представление о взаимодействиях на границе раздела глина — органические молекулы, Лоулесс, Чанг и их сотрудники исследовали углеродсодержащие метеориты, столь же древние, как и сама Солнечная система. Они хотели найти ответ на вопрос: какова была органическая химия веществ на ранних этапах эволюции Земли? Интересно, что в таких метеоритах одновременно присутствуют и глины, и органические вещества. Изучение поверхности Марса также поможет нам понять, каковы были условия на начальных стадиях эволюции Земли. Э. Бейнин из Еврейского университета предлагает точку зрения, согласно которой на поверхности Марса встречаются главным образом богатые железом монтмориллонитовые глины. В этой связи объяснимы результаты опытов, выполненных посадочным аппаратом «Викинг», в которых под влиянием ультрафиолета происходило превращение углекислого газа и окиси углерода в молекулы органических соединений (среди которых большую часть составляла, видимо, муравьиная кислота). Дж. Хаббард из Технологического института в Джорджии поставил опыты, которые показали, что железосодержащие минералы, включая глины, дают тот же эффект.

Самая сложная и важная задача исследований сегодня обнаружить кристаллические гены, и не одного типа, а многих типов, причем не только минеральные. Представьте себе эксперименты с кристаллами, способными к эволюции. Мы могли бы создавать разные формы давления отбора, и смотреть, как они ведут себя в таких условиях. Вне всякого сомнения, это было бы увлекательным занятием независимо от того, из чего состояли бы кристаллы. Мы очень скоро смогли бы решить, возможно ли существование реплицирующихся систем на минеральной основе, хотя в результате, быть может, мы бы и утратили интерес к самым отдаленным нашим предкам, ведь у нас в руках оказались бы совсем иные первичные организмы — первые организмы нашего собственного изобретения.

В МИРЕ НАУКИ. (Scientific American. Издание на русском языке). А.ДЖ.КЕРНС-СМИТ



  • Просмотров: 103