Жизнь и термодинамика: В защиту мира РНК
Давайте проведем мысленный эксперимент. Представьте себе коробку, содержащую весь набор атомов и молекул, имевшихся в «пребиотическом бульоне», в котором некогда зародилась жизнь, и в тех же пропорциях. Вопрос состоит в том, с какой вероятностью они в ходе случайных столкновений сложатся хотя бы в самую простую живую клетку — какую-нибудь прото-бактерию?
Вопрос этот чрезвычайно непрост и неоднозначен. Расчеты «в лоб» говорят о том, что подобное практически невероятно, что часто служит одним из доводов, используемых креационистами — дескать, вероятность такого события не больше, чем вероятность того, что ветер, пронесшийся над свалкой запчастей, сам собой соберет современный авиалайнер. Сейчас мы не будем вдаваться в рассуждения по этой проблеме — о ней лучше прочесть в «Википедии». Лучше расскажем о том, что выудил из этой воображаемой коробки американский биофизик Джереми Ингланд (Jeremy England).
Стоит заметить, что самую зубодробительную задачу — определение того, что считать жизнью — Ингланд выносит за скобки. Для этого к нашему мысленному эксперименту он добавил некоего всеведущего биолога, который может оценивать каждую возникающую комбинацию и объявлять ее «бактерией», или же нет. В данном случае нас не интересует, как конкретно выглядит эта комбинация, речь о принципе: спустя определенное время после появления в коробке «бактерии», время, достаточное для ее деления и репликации, этот умозрительный биолог снова смотрит в коробку и проверяет, действительно ли «прото-организм» реплицировался, дав «живых» потомков.
Продолжаем наш мысленный эксперимент. Теоретически, этот всеведущий биолог мог бы проверить таким образом каждое возможное состояние молекул в коробке и выделить те их них, при которых произошло появление и деление «бактерии». Для каждого такого случая мы можем посчитать сопровождавший его рост энтропии. Иначе говоря — получить описание термодинамического состояния системы до и после деления, и тем самым оценить возможность прохождения этого процесса. Параллельно этому Ингланд рассмотрел и термодинамическую картину обратного процесса, случайной «гибели» «бактерии» с распадом на исходные молекулы.
Иначе говоря, Ингланд рассмотрел Второе начало термодинамики применительно к системе, условно представляющей абиотический бульон, в котором могло проходить появление первых живых организмов. С учетом целого ряда данных — например, о характере пептидных связей между аминокислотами в белке — ученый рассчитал изменение термодинамического состояния бактериальной системы до и после деления. Оказалось, что процесс этот чрезвычайно эффективен: по оценке Ингланда, при этом в виде тепла рассеивается лишь очень малое количество энергии, всего вдвое больше теоретически возможного минимума.
Аналогичным образом ученый рассмотрел процесс репликации РНК и ДНК, показав, что с точки зрения термодинамики удвоение РНК протекает намного проще. Этот результат замечательно согласуется с доминирующей на сегодня гипотезой «мира РНК», согласно которой самые первые прото-организмы на Земле использовали исключительно молекулы РНК — и в качестве носителя генетической информации (вместо ДНК), и в качестве биологических катализаторов реакций (вместо белков). Ингланд приходит к той же точке зрения, но с совершенно иных позиций: если раньше идея «мира РНК» возникла из оценки биохимических возможностей макромолекул, то теперь этот вывод напрашивается из их термодинамических свойств.
По публикации MIT Technology Review / Physics arXiv Blog