Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

Хелфанд Дэвид

Менее спорны свидетельства, полученные в ходе изучения строматолитов – слоистых пород, которые образованы фотосинтезирующими бактериями в виде больших матов, содержащих триллионы организмов. Считается, что именно цианобактерии ответственны за появление большей части Кислорода в атмосфере Земли (см. ниже). Они создают такие структуры в соленой среде и сегодня (например, в Большом Соленом озере и подобных озерах с высоким уровнем солености, а также в морских лагунах). Возраст окаменелых австралийских строматолитов, по разным оценкам, доходит до 3,4–3,7 миллиарда лет, и в некоторых случаях в них наблюдается дефицит ¹³C, чего можно ожидать от фотосинтезирующих организмов.

Похоже, что жизнь не только возникла, но и распространилась в достаточной степени, чтобы оставить ископаемые свидетельства в период, охвативший время от 4 до 3,5 миллиарда лет назад.

Это не такой уж и долгий срок, особенно если учесть, что в течение первых 100–200 миллионов лет Землю все еще бомбардировали камни из космоса и она по-прежнему охлаждалась из своей изначальной расплавленной формы. Как мы увидим в главе 16, Солнце останется относительно неизменным на протяжении 10 миллиардов лет, а значит, жизнь возникла всего лишь примерно за 6–8 % жизни нашей звезды. В каком-то смысле это неудивительно, поскольку нам известно, что все сырьевые материалы (органические молекулы, о которых мы говорили выше) присутствуют именно в газовых облаках, заполняющих межзвездное пространство, где рождаются новые солнечные системы. Естественно, здесь есть пропущенный этап – он заключается в том, как совершился переход от этого исходного материала к самовоспроизводящимся организмам, которые хранят информацию в своих молекулах ДНК и передают ее новым поколениям, – с накоплением случайных ошибок, которые ведут от цианобактерии к вам.

Левонаправленная жизнь

К настоящему моменту нас устраивает тот факт, что каждый из основных строительных блоков материи – элементов – имеет множество разновидностей, называемых изотопами. Более того, мы видели, насколько они полезны в воссоздании истории. Основные «кирпичики» можно объединять в миллионы различных комбинаций – молекул, каждая из которых обладает специфическими свойствами, зависящими от точного сочетания задействованных атомов. Но оказывается, что некоторые молекулы, даже состоящие из одинаковых комбинаций атомов, могут относиться к разным ароматам. Мы называем такие молекулы правосторонними и левосторонними, а само подобное представление – хиральностью.

Рис. 13.1. Правосторонние и левосторонние изомеры молекулы бутанола. Хотя две молекулы имеют одинаковую химическую формулу, невозможно повернуть одну из них так, чтобы она стала точной копией другой; как и ваши руки, они зеркально отражают друг друга (обратите внимание на расположение полосатого атома Кислорода)

Подозреваю, что ваши руки удивительно похожи. Но это не значит, что вы можете надеть на правую руку перчатку для левой руки – как бы вы ее ни вращали и ни скручивали, ваша правая рука туда не войдет. Ваши руки – зеркальные отражения друг друга. Так же и две молекулы с совершенно одинаковой химической формулой – одинаковым количеством атомов каждого типа с одинаковыми химическими связями – могут быть зеркальными отражениями. Один из простейших примеров – бутанол (C₄H₁₀O), бесцветный легковоспламеняющийся спирт, используемый в промышленном изготовлении пластмасс и смазочных материалов (см. рис. 13.1).

В биологических процессах точная форма молекулы имеет решающее значение. Именно она определяет, как молекула взаимодействует со своими соседями и как она ведет себя при движении по миру. Для тысяч различных белков в каждой вашей клетке характерна очень специфическая форма, определяющая их функции, и они могут складываться в сложные структуры, определяемые точным расположением их химических связей. Более того, хиральные молекулы, как и наши руки, имеют разную форму, и, следовательно, «левые» и «правые» молекулы обладают разными свойствами: например, левосторонняя версия карвона (C₁₀H₁₄O) пахнет мятой, а правосторонняя – тмином. Именно благодаря разной форме они захватывают и стимулируют разные рецепторы в носу и посылают в мозг разные сигналы. У аспартама, искусственного подсластителя, который в 200 раз слаще сахара, сладка только левосторонняя версия молекулы; версия «для правшей» безвкусна – опять же, разные формы предполагают блокировку разных рецепторов, посылающих разные сигналы в наш мозг.

Многие органические соединения тоже хиральны. К примеру, при использовании препарата под названием пеницилламин (C₅H₁₁NO₂S) для лечения острого ревматоидного артрита, а также других состояний необходимо соблюдать осторожность, выбирая и вводя только правосторонние молекулы, поскольку левосторонняя версия токсична – она блокирует действие незаменимого витамина B₆. Пожалуй, самый печально известный и трагический случай хиральности лекарства – талидомид. В конце 1950-х годов его продавали в Германии для облегчения утренней тошноты у беременных, и он стал причиной от 5000 до 10 000 тяжелых врожденных дефектов и сотен смертей младенцев⁷. Эти проблемы вызывает только левосторонняя молекула, но поскольку в то время это было неизвестно, препарат продавался в виде так называемой рацемической смеси – равных количеств право- и левосторонних молекул (равная смесь – это то, что получается в типичном процессе химического синтеза любой молекулы)⁸.

Оказывается, мы – и я использую этот термин как можно более широко, подразумевая и Homo sapiens, и бактерий, и все, что между ними, – состоим из хиральных молекул. И все «мы» – левши.

Белки – это «рабочие лошадки» жизни. Благодаря им у клеток и органов есть структура; они реплицируют ДНК каждый раз, когда делится клетка; они действуют как катализаторы в химических реакциях; добывают, хранят и используют энергию; запускают реакцию и реагируют на раздражители; а также транспортируют молекулы внутри клеток и в межклеточном пространстве. Каждый из примерно 20 000 генов в вашей ДНК обеспечивает уникальный код для построения одного из этих белков. Код определяет порядок строительных блоков белка – биологических молекул, называемых аминокислотами. Вся жизнь на Земле использует всего двадцать различных аминокислот⁹, и все хиральные аминокислоты – левосторонние.

Каждая аминокислота состоит из Водорода, Азота, Кислорода и Углерода, причем две из двадцати содержат один атом Серы. Их размер варьируется от десяти атомов (глицин: C₂H₅NO₂) до двадцати семи (триптофан: C₁₁H₁₂N₂O₂). Самый маленький из известных белков, получивший название TRP-Cage и состоящий всего из двадцати аминокислот (менее 500 атомов), был обнаружен в слюне ядозубов¹⁰. Не спрашивайте, почему исследовали именно слюну ядозубов, но поскольку этот крошечный белок оказал нам неоценимую помощь в изучении того, как белки сворачиваются и принимают свою функциональную форму, я рад, что кто-то так решил – силу науки, движимой любопытством, никогда нельзя недооценивать. Самый крупный из известных белков – титин, играющий решающую роль в сокращении мышц. Он состоит из 34 500 аминокислот (более полумиллиона атомов), и у него 244 отдельных складчатых домена.

Все эти складки – как в TRP-Cage, так и в титине – происходят именно таким образом, потому что все хиральные аминокислоты имеют левостороннюю природу. Поскольку закономерности укладки (фолдинга) имеют решающее значение для функционирования белка, однонаправленность строительных блоков очень важна. Если бы маленькие белковые фабрики, рибосомы, могли бы выбирать из равного количества правосторонних и левосторонних аминокислот, они случайным образом захватывали бы примерно половину каждой, и каждый производимый ими белок был бы нефункциональным – он просто не мог бы свернуться в форму, необходимую для выполнения его задачи. Хотя в противостоянии левого и правого нет ничего особенного, важно то, что в любом организме должна преобладать только та или иная форма.

Откуда взялась хиральность?

Почему левосторонние аминокислоты столь повсеместно распространены – это предмет многочисленных споров. Самая простая гипотеза – случайность. Когда в первичном бульоне образовалась первая молекула, способная воспроизвести саму себя, она совершенно случайно выбрала левосторонние аминокислоты из смешения, в котором левосторонние и правосторонние молекулы пребывали в соотношении 50:50 (можно сказать, подбросила монетку), а остальное – уже история. Однако из этой гипотезы следует один любопытный вывод, и он заключается в том, что жизнь возникает редко – на этой большой планете это произошло только один раз за всю ее историю, которая насчитывает 4,567 миллиарда лет. Если бы все было иначе и жизнь возникала несколько раз, можно было бы ожидать, что некоторые виды произойдут от левосторонних молекул, а другие – от правосторонних.