Знание-сила, 2008 № 09 (975)

Наиболее интересное свойство стационарных систем состоит в том, что это состояние характеризуется минимумом производства энтропии. Эту теорему в свое время доказал И. Пригожин. При этом состояние минимума производства энтропии оказывается аттрактором. Иначе говоря, если систему вывести из стационарного состояния, то она будет стремиться вернуться к нему.

Если стационарная система включает сопряженные реакции с положительным и отрицательным производством энтропии, то стремление системы к минимуму производства энтропии требует осуществления реакции с уменьшением энтропии. Следовательно, имеется механизм, для которого производство упорядочения является аттрактором, т.е. упорядочение не только возможно, но и обязательно.

Живые организмы обладают свойствами таких систем. Они пребывают вблизи стационарных состояний, нуждаются в непрерывном притоке энергии и характеризуются обменом веществ. Организмы — это продукт огромного эволюционного пути упорядочения. Но и самая первичная элементарная химическая ячейка, с которой начался путь эволюции, должна была обладать на молекулярном уровне этими свойствами.

Я предположил, что ключевую роль в этом процессе, с предбиологического времени до сегодняшнего дня, играет молекула аденозинтрифосфата (АТФ). Процесс фосфорелирования, связанный с поглощением солнечной энергии или химической энергии во внешней среде, заряжает молекулы АТФ энергией. Эту энергию она передает в сопряженную систему.

Как уже было сказано, в химии сопряжение проявляется тогда, когда продукт одной реакции является реагентом в другой. Основные реакции синтеза биополимеров идут с выделением молекулы H2Q в то время как энерговыделяющая реакция, превращающая АТФ в аденозиндифосфат (АДФ), идет, напротив, с поглощением H2O Таким образом, универсальным посредником, обеспечивающим сопряжение, является вода. Благодаря тому, что реакция гидролиза АТФ идет с выделением энергии и повышением энтропии, сопряженная с ней реакция идет с понижением энтропии, т.е. производится упорядочение. Например — реакция полимеризации: при объединении мономеров происходит ограничение ранее независимых их вращательных и поступательных степеней свободы:

АТФ + Н₂О → АДФ + Р;

Мономеры → Н2О + Полимеры

Продуктом первичного упорядочения могут быть небольшие полимеры, среди которых цепочки аминокислот (пептиды), цепочки нуклеотидов и др.

Хотя АТФ представляет довольно сложное соединение, состоящее из трех частей — аденина, рибозы и фосфатной группы, оно имеет весьма простых предшественников: цианистый водород HCN и формальдегид HCHO. Аденин по составу соответствует пяти молекулам HCN, а рибоза — 5 молекулам HCHO. Хотя синтез аденозина требует определенных условий, он может быть получен абиогенно.

Я назвал АТФ молекулой №1. Не потому, что это было первое возникшее соединение, а потому, что с его возникновением было дано начало тому процессу упорядочения в мире органических молекул, которое мы называем эволюцией жизни.

В общем случае химическое упорядочение возникает, когда ограничивается свобода взаимодействий, когда соединение или система могут вступить в реакцию только с определенными партнерами или только посредством ограниченного числа механизмов и путей взаимодействия. Такие ограничители в химии — это катализаторы. Производство катализаторов и участие их в реакциях и есть форма упорядочения.

Биохимическими катализаторами являются ферменты, представляющие собой свернутые в трехмерные структуры пептидные цепочки (белки). Современные ферменты — продукты долгого пути эволюции. Однако даже короткие цепочки аминокислот показывают поразительно высокую каталитическую активность. Катализаторами могут служить и другие соединения и минералы. Но в природе нет органических соединений, более эффективно осуществляющих упорядочение посредством селективного катализа, чем пептиды.

Однако, как бы ни были уникальны свойства возникшего пептида, они не могут быть размножены и унаследованы. Аминокислотные последовательности неспособны к саморепликации. Поэтому упорядочение, основанное только на синтезе пептидов, не имело бы эволюционной перспективы.

Молекула № 1—АТФ

В отличие от пептидов, нуклеотидные цепочки могут самовоспроизводиться. В этом отношении нуклеотидные последовательности не имеют себе равных в мире природных органических соединений. Структуры РНК проявляют и каталитические свойства (рибозимы), но они не идут ни в какое сравнение с каталитическими свойствами пептидов.