Информационная феноменология жизни. Часть I: Внутриклеточные информационные отношения
- -
- 100%
- +
Существенное влияние на специфику химических преобразований на поверхности планеты оказывало то, что они в значительной степени происходили в фазе водных растворов. Недаром водная среда считается основой биологической жизни. Наличие водных растворов обеспечивало мощную динамику химических реакций. В отличие от твердых фаз состояния вещества в оболочках Земли, в водных растворах обеспечивался высокий уровень диффузии, усиливаемый за счет процессов диссоциации, что повышало подвижность и реакционную способность растворенных химических веществ, а также увеличивало выбор комбинаций протекающих реакций. В отличие от газового состояния, обладающего более высокой скоростью диффузии, чем жидкая среда, – плотность водных растворов значительно выше и межмолекулярные расстояния (сопоставимые с плотностью упаковки вещества в твердых телах) обеспечивают эффективное химическое взаимодействие растворенных ингредиентов. Таким образом, именно водные ареалы земной поверхности явились наиболее плодотворной ареной для осуществления возможностей широкого спектра реакций формирования различных химических веществ.
Кроме того, водная среда за счет большой теплоемкости воды обладает высокими изотермическими свойствами, что способствует стабильности химической кинетики в условиях достаточно кратковременного суточного хода на поверхности Земли. К тому же, большая теплота испарения обеспечивает стабильность даже небольших водных ареалов в широком диапазоне изменения температуры атмосферы и воздействии солнечной радиации.
Образование гидросферы на земной поверхности было тесно связано с изменением состава первичной атмосферы планеты. В настоящее время наиболее распространено представление, высказанное академиком В. И.Вернадским что современная атмосфера Земли – «земная газовая оболочка, наш воздух, есть создание жизни». Наиболее распространенная гипотеза предполагает, что первичная атмосфера над еще неостывшей поверхностью земного шара состояла из летучих веществ, образовавшихся в земных недрах: H2, H2O, CO2, CH4, NH3. По мере остывания земной поверхности и атмосферы происходила конденсация водных паров и образование гидросферы на поверхности планеты. Естественно этот процесс сопровождался активным вовлечением всех компонентов атмосферы в формирующиеся ареалы гидросферы. При этом именно элементы будущей «органической химии» составляли наиболее активное содержание формировавшихся растворов. Не это ли определило химическую природу жизни на нашей планете?
Высокая концентрация растворов активными соединениями и неоднородность термодинамических условий в различных точках формирующейся гидросферы содействовали активному формированию химических процессов синтеза широкого спектра углеводородных соединений. В отличие от активно вовлеченного в газовую оболочку земного шара трехвалентного азота, углерод обладал более устойчивыми конфигурационными ковалентными связями, обеспечивающими широкую гамму различных мономеров на основе межуглеродных связей. Нестабильное термодинамическое состояние земной поверхности и прилегающей к ней атмосферы создали условия, при которых достаточно естественным является процесс накопления вещества, структура молекул которых обусловлена ковалентными связями, наиболее сильными и устойчивыми в широком термодинамическом диапазоне. Именно к такому классу веществ относится большинство углеводородов и родственных им соединений живой материи.
Большинство мономеров этих соединений (например, моносахариды, аминокислоты, гетероциклические азотистые основания – мономерные составляющие клеток живых организмов) имеют достаточно простую молекулярную структуру и хорошо растворимы в воде. Это обеспечивает им высокую подвижность и достижение высокой концентрации в водных растворах. Учитывая широкий спектр условий синтеза химических соединений, естественно ожидать возможность формирования среды, обладающей ресурсом (по составу и концентрации), создающим предпосылки перехода к активным процессам генезиса будущего пробиотического субстрата.
Системный катализ
На основе мономеров дальнейший уровень структурной молекулярной организации растворов уже в значительной степени определяется двумя процессами: конденсацией и гидролизом. При конденсации образуются связи между субъединицами путем удаления молекул воды. При гидролизе происходит разрыв связей между субъединицами в результате присоединения молекулы воды. Водные растворы для этих целей являются фантастически комплиментарной средой.
В водных растворах мономерных соединений наряду с ковалентными связями, их организующих, активно проявляются более слабые взаимодействия, обусловленные ионными, водородными и ван-дер-ваальсовыми межмолекулярными связями. Эти связи в значительной степени определяют конфигурационное распределение вещества в растворе, образуя дисперсные системы. Ландшафт химических потенциалов дисперсных систем создает условия каталитической активации химических реакций для образования более сложных химических соединений. Практически все реакции органической химии живой материи, начиная от синтеза мономеров и до самых сложных процессов клеточного метаболизма, являются каталитическими. В клеточных структурах эту функцию в основном выполняют ферменты на основе белков, представляющих собой последовательности аминокислот.
Каталитически активированные реакции конденсации и гидролиза мономеров обуславливают усложнение их структур (липиды, нуклеозиды, аденозинфосфорные кислоты – АМФ, АДФ, АТФ), расширение ассортимента мономерных компонентов (аминокислоты, гетероциклические азотистые основания – пуриновые и пиримидиновые) и формирование макромолекул – полимеров (углеводы и нуклеиновые кислоты).
Усложнение молекулярных структур, например, при полимеризации существенно изменяет процесс их растворимости в водных растворах. Практически большинство полимерных макромолекул имеют некоторое множество критических точек фазовых переходов, связанных, например, с разрушением многообразия присутствующих в молекулах нековалентных связей. Аналогичные особенности присутствуют и в процессах формирования растворов полимерных молекул, создавая в определенных условиях специфические явления сепарации и конвергенции вещества в растворах. Это в очередной раз способствует поддержанию процесса накопления сложноорганизованного вещества и формирования новых конфигурационных структур дисперсных систем. Происходящий при этом системный сдвиг равновесия компенсируется в определенной степени автокаталитическими свойствами, если рассматривать всю совокупность вещества живой природы как единый класс.
Катализ, снижая энергию активации химических реакций, ни в коей мере не изменяет их термодинамических показателей при непосредственной реализации химических реакций. Вследствие этого вопрос энергетического обеспечения всех процессов химического синтеза в любой системе остается принципиально основополагающим. Не это ли положение отражает ту значимость и реликтовость аденозинфосфорных кислот (АМФ, АДФ, АТФ) в жизненных циклах всех без исключения живых существ, начиная от прокариотов и до высших животных и растений? Возможность молекулами этих веществ аккумулировать и переносить энергию создает значительные локальные нелинейности в реализации химических процессов, обусловленных существующими термодинамическими условиями, переводя всю категорию будущих биохимических структур в класс нелинейных динамических систем.
Динамическая нелинейность возникших дисперсных систем и сильно пересеченные многомерные ландшафты химических потенциалов, обуславливающие воздействия на протекающие реакции, способствовали группированию своего рода «кластеров» различных масштабов. Это новое конфигурационное состояние дисперсных систем, в свою очередь, способствовало формированию условий дальнейшего усложнения и дифференцирования вещества растворов.
Фрактальная структуризация
Общие исследования нелинейных открытых систем вскрыли процессы их кластеризации и самоструктуризации не на основе влияния внешних возбуждений, а именно вследствие нелинейности внутрисистемных процессов. Как отмечалось, это приводит, на первый взгляд, к парадоксальному явлению: система самоусложняется, ее структуризация приводит к снижению энтропии не за счет какого-либо целенаправленного внешнего воздействия, а именно вследствие объективных внутрисистемных потенций, использующих для этого ресурс внешней среды. Такое «самосовершенствование» систем вначале было обнаружено отнюдь не на живых системах, а в процессах горения и термоядерного синтеза, что позволяет вполне обоснованно отнести это к естественным свойствам Природы в целом.
Одной из форм такой кластеризации является создание фрактальных структур. Уникальным свойством фрактальных тел является их нецелочисленная размерность, что приводит к зависимости их плотности от масштаба. Свойство уменьшения плотности фрактала с увеличением его размера крайне перспективно для живых организмов, экономя внутренние ресурсы (биомассу и связанные с ней энергетические затраты) при увеличении сферы активности во внешней среде. Образно говоря, чем больше фрактальная структура, тем большее количество ресурса внешней среды связано с каждым отдельным элементом фрактала. В феноменологическом смысле по своему воздействию на кинетику развития гетерогенезиса среды предбиологического субстрата это сходно с влиянием взаимокатализа химических соединений на процесс предбиологического метаболизма.
Структура фрактальных кластеров в пространстве химических потенциалов субстрата химических компонент, участвующих в реакциях, при локальном относительном постоянстве термодинамических показателей определяется взаимно каталитическими свойствами продуктов этих реакций. При возникновении условий положительного катализа происходит ускорение протекания реакций их формирования (анаболизм) либо распада (катаболизм) фрактальных объектов. Именно такие условия поддерживаются в живых клетках на основе ферментативного управления процессами метаболизма. При отрицательном катализе протекание реакций замедляется или даже полностью подавляется. Это проявляется, например, при воздействии ингибиторов и антиоксидантов.
Кластеризация вещества, например, на основе агрегации, ограниченной диффузией, обеспечивает возможности более контрастного проявления каталитических свойств комплиментарных соединений, создавая условия их дальнейшего усложнения. Синергетические процессы в открытых нелинейных динамических системах, связанные с кластеризацией вещества в условиях относительной статистической термодинамической стабильности среды С. П.Курдюмов называл коэволюцией. Это важный феноменологический тезис, определяющий единство представления системы и окружающей среды с возможностями учета взаимовлияния на процессы их эволюции. История развития живой материи на нашей планете достаточно убедительно подтверждает такую точку зрения. Действительно, среда обитания живых организмов в значительной степени сформирована за счет процессов их жизнедеятельности. Это обосновано позволяет выделять биосферу как самостоятельную структуру земного шара.
В химической динамике фрактальная кластеризация соприкасается с процессами супрамолекулярной химии. Один из основоположников идей супрамолекулярной химии лауреат Набелевской премии Ж.-М.Лен так определил область супрамолекулярной химии: «Подобно тому, как существует область молекулярной химии, основанной на ковалентных связях, существует и область супрамолекулярной химии, химии молекулярных ансамблей и межмолекулярных связей». Дополняя это он указывал: «супрамолекулярная химия – это “химия за пределами молекулы”, изучающая структуру и функции ассоциаций двух или более химических частиц, удерживаемых вместе межмолекулярными силами».
Объекты супрамолекулярной химии, супермолекулы, обладают такой же определенностью, как и составляющие их отдельные молекулы. Супрамолекулярные ансамбли обладают определенными структурными, конформационными, термодинамическими, кинетическими и динамическими свойствами. В них проявляются различные типы взаимодействий, различающиеся своей силой, направленностью, зависимостью от расстояний и углов: координационные взаимодействия с ионами металлов, электростатические силы, водородные связи, ван-дер-ваальсовы взаимодействия, донорно-акцепторные взаимодействия и т.п. Не смотря на то, что межмолекулярные взаимодействия индивидуально слабее, чем ковалентные связи, их конфигурационное многообразие обеспечивает достаточно устойчивые ассоциации. При этом супрамолекулярные структуры более лабильны кинетически и более гибки динамически, что создает возможности их адаптации к изменяющимся термодинамическим условиям и физико-химическому составу окружающей среды.
Ведущей феноменологической парадигмой формирования супрамолекулярных структур является принцип «хозяин – гость» в интерпретации Ж.-М.Лена, или «ключ – замок» в интерпретации Э. Г.Фишера. Это обеспечивает процессы селективного связывания за счет молекулярного распознавания, в основе которого лежит стереотическое соответствие и геометрическая комплиментарность комплексообразующих частиц и субстрата.
В ходе исследования супромолекулярных структур были выявлены представления самосборки (self-assembling) и самоорганизации (self-organization). Самосборка и самоорганизация описывают два различных, но частично перекрывающихся класса явлений.
Самоорганизация означает генерацию при заданных условиях хорошо определенной супрамолекулярной структуры из отдельных составных компонент. Процесс самоорганизации, включая взаимодействие и интеграцию компонент, фактически обусловливает их коллективное поведение. Самоорганизация может происходить в растворе, в жидкокристаллической фазе или твердом состоянии. В качестве основных взаимодействий между компонентами действуют водородные связи, электростатические и донорско-акцепторные взаимодействия, а также эффекты среды (сольфобные взаимодействия).
Супрамолекулярная самосборка заключается в ассоциации нескольких компонентов, приводящей к образованию или дискретных супермолекул, или протяженных полимолекулярных ансамблей.
Ж.-М.Лен отмечает, что «вклад процессов супрамолекулярной химии в химический синтез можно рассматривать в двух аспектах: формирование самих нековалентных супрамолекулярных частиц, что прямо выражается в процессах самосборки, и использование супрамолекулярных особенностей для содействия синтезу ковалентных молекулярных структур. Эффективность реализации всех этих процедур возможна лишь при наличии своеобразного планирования и контроля – то есть управления на межмолекулярном уровне». К этому мы и подходим в следующих разделах.
Оценивая феноменологическую значимость супрамоллекулярных химических отношений в процессах формирования сложного вещества материи, отметим, что на их основе формируются объекты, обеспечивающие селективные функции молекулярного распознавания, преобразования и перемещения. Это прелюдия функциональных возможностей будущих живых организмов. Подчеркнем, что эти свойства воплощены в неживой природе, хотя ощущаются нами как одни из основополагающих и идентифицирующих поведенческих функций именно живых организмов. Не подтверждает ли это в очередной раз единство Природы и Жизни?
Хиральность
Практически все углеводороды и соединения на их основе обладают свойством изомерии. Структурные и геометрические изомеры представляют собой обычно по химическим или физическим свойствам самостоятельные вещества. В отличие от этого оптические изомеры (энантиомеры) идентичны по химическим и физическим свойствам, за исключением оптической активности: одна форма вращает плоскость поляризации света влево (L-форма), другая на тот же по величине угол вправо (D-форма). Это явление в биохимии получило название хиральность [30]. Смесь равных количеств оптических антиподов (такие вещества называются рацемическими соединениями, или рацематами) часто ведет себя как индивидуальное химическое соединение, лишенное оптической активности и отличающееся по физическим свойствам от каждого из антиподов. Например, растворимость рацемической винной кислоты в воде в 6,7 раз ниже, чем растворимость чистых энантиомеров. Наблюдается отличие оптической плотности рацемических растворов и растворов чистых энантиомеров.
Кроме знака вращения все другие физические и химические свойства энантиомеров в газовой фазе, а также в ахиральных жидких средах обычно одинаковы. Однако, если жидкая среда хиральна (например, в раствор добавлен хиральный реагент или катализатор, или сам растворитель хирален) свойства энантиомеров начинают различаться. При взаимодействии с другими хиральными соединениями, отзывающимися на зеркальную изомерию молекул, энантиомеры реагируют с различными скоростями. Общее правило состоит в том, что энантиомеры проявляют идентичные свойства в симметричном (ахиральном) окружении, а в несимметричном (хиральном) окружении их свойства могут изменяться. Это свойство используется в асимметрическом синтезе и катализе. Различие свойств наблюдается и при формировании полимерных соединений. Полимеры, сформированные из блоков одной симметрии (безразлично D– или L-конфигурации), термодинамически более устойчивы, в сравнении с тем, если они представлены рацемической смесью. Этот фактор чрезвычайно важен для термодинамической устойчивости макромолекул белков, углеводов, и нуклеиновых кислот. Свойства хиральных структур порождают процессы их сепарации в ходе формирования фрактальной кластеризации. В этом смысле хиральность биологических структур имеет вполне естественное обоснование.
Активизация в растворах первичных водных ареалов на Земле супрамолекулярных химических отношений порождала определенный регламент процессов самосборки и самоорганизации с учетом конформации участвующих в них частиц. Эффективная реализация супрамолекулярного принципа «ключ – замок» («хозяин – гость») в значительной степени обуславливалась взаимоконформациями вступающих в реакцию мономеров. Часто между «гостями» и «хозяевами» нет иных взаимодействий, кроме ван-дер-ваальсовых. Термодинамическая устойчивость таких соединений обеспечивается фактически только вследствие благоприятной геометрии взаиморасположения молекул-гостей и структуры хозяйского каркаса. Выполнение принципа «ключ – замок» в этих условиях жестко зависит от формы изомерии взаимодействующих компонент. При удачном совпадении слабые межмолекулярные взаимодействия приводят к выигрышу энергии по сравнению с энергией составляющих исходных компонентов в свободном состоянии. Это порождает различные линии супрамолекулярных структур на основе определенных сочетаний форм изомерии вступающих во взаимодействие продуктов. Так начинается расслоение рацемичесхих смесей в растворах первичных водных ареалов по хиральным линиям.
Дифференциация каталитических и супрамолекулярных свойств на основе хиральности усилила характер нелинейности и неравновесности формирующейся системы. Нелинейные открытые среды (системы) являются носителями различных форм локализации (структур-аттракторов), в которых возможны бифуркации, приводящие к нарушению симметрии в связи с объединением структур, например, на основе «памяти» системы. В качестве «памяти» может выступать, в частности, химическая активность энантиомеров в хиральной среде и в процессах их полимеризации. При этом сложный спектр структур-аттракторов, отличающихся различными размерами и формами, существует лишь для узкого уникального класса нелинейных отношений, определяемых термодинамикой и химической кинетикой, а также воздействием внешних возмущений.
Теория бифуркаций динамических систем определяет в зависимости от совокупности возмущающих параметров явления суперкритической и субкритической бифуркаций Пуанкаре – Андронова – Хопфа. В зависимости от этого создаются условия формирования структурно устойчивых или структурно неустойчивых динамических систем. В первом случае получается новая структурно упорядоченная динамическая система со своими наследственными свойствами. В противоположном случае динамическая система остается в рамках первичного множества управляющих параметров с возможностью дальнейших явлений бифуркации под воздействием каких-либо возмущений.
Направление бифуркации связано с совокупным воздействием возмущающих сил. В различных регионах земного шара существуют определенные различия направленности и интенсивности силовых планетарных полей, связанных с вращением планеты (например, силы Кориолиса), гравитацией и магнитным полем. Кроме того, в рамках отдельного водного ареала могли существовать стационарные течения, которые также могли вносить некоторую долю упорядоченности в определенных временных масштабах в термодинамический «хаос» броуновского движения. Сложившаяся совокупность всех этих, и каких либо других возмущений в месте дислокации первичного ареала формирования пробиотической материи определила направление процесса бифуркации. При этом активизация супрамолекулярных химических отношений усиливала и ускоряла процесс бифуркации, создавая принципиально новую палитру взаимодействующих веществ на основе их хиральности.
В предположении некоторой локализации ареала первичного формирования пробиотической материи феномен ее хиральной структуризации не является каким-либо абсолютно уникальным явлением. Отметим также, что хиральность в том или ином виде присуща практически всем уровням стратификации структурной упорядоченности Материи. Например, от гипотезы «о материи и антиматерии» до упорядочения дорожного движения.
Таким образом, в условиях начального хирального дуализма относительно многообразия мономеров при ограниченности ресурсов и при обострении показателей нелинейности бифуркация должна была перевести систему в какое-либо гомохиральное состояние, которое и реализовано в живой природе.
Информационные отношения
Появление в составе кластеров рибонуклеиновой кислоты (РНК) создало предпосылки и возможности проявления принципиально новых отношений в супрамолекулярных реакциях, обуславливающих процессы коэволюции пробиотических структур и среды их окружения в локальных окрестностях. Возможно, в активизации процессов формирования молекул РНК определенную роль сыграла их генетическая связь с молекулами аденозинфосфорных кислот, являющихся составной частью (нуклеотидом) РНК. Свойство молекул аденозинфосфорных кислот аккумулировать и переносить энергию создает возможности полимеризации нуклеотидов с созданием полинуклеопептидных структур. При этом экспериментально показано, например А. Б. Четвериным с сотрудниками из Институт белка Российской академии наук, что полирибонуклеотиды (РНК) в обычной водной среде способны к спонтанной рекомбинации, то есть обмену отрезками цепи, путем транс-эстерификации. Обмен коротких отрезков цепи на длинные, должен приводить к удлинению полирибонуклеотидов (РНК), а сама подобная рекомбинация способствовать структурному многообразию этих молекул. Среди них могли возникать и каталитически активные молекулы РНК. В отличие от других полисахаридов, имеющих строго детерминированные первичные структуры, молекулы РНК могут представлять неограниченное разнообразие первичных структур за счет произвольного набора азотистых гетероциклических оснований, связанных с моносахаридами.
В 1960-х годах был открыт так называемый триплет-экситонный перенос энергии (ТЭП)[31] в нуклеиновых кислотах (ДНК или РНК) под действием ультрафиолетового излучения. Этот процесс начинается, когда одно из азотистых оснований полинуклиотидной цепи поглощает квант ультрафиолетового излучения. Основание РНК переходит в возбужденное состояние, после чего передает энергию соседнему основанию, а само возвращается в невозбужденное состояние. Перенос энергии по цепи идет при строгом соответствии квантовых свойств соседних оснований. Он продолжается до какого-либо нарушения однородной первичной структуры макромолекулы РНК (модифицированного основания, перегиба цепи и др.), где энергия может высвободиться.
Влияние ультрафиолетового излучения на включение механизмов ТЭП в формирование динамики химических процессов на этапе их предбиологического синтеза является достаточно распространенной гипотезой. Это, в определенной степени, обусловлено представлениями о физике атмосферы и гидросферы того периода. Действительно, при отсутствии озонного слоя в атмосфере той эпохи обеспечивалось достаточно мощное ультрафиолетовое облучение поверхности планеты. Это является вполне убедительным основанием представленной гипотезы. Вместе с тем современные представления физической химии и биологии показывают возможности инициации ТЭП не только вследствие ультрафиолета, а и за счет энергетических воздействий другой природы (ионизация, химическое воздействие и т.п.). Конечно, сам по себе анализ степени влияния той или иной природы формирования и инициации механизмов ТЭП в первичных РНК безусловно представляет интерес, но в рамках нашего феноменологического анализа важнее другое.