вторник, 18 декември 2012 г.

За абиогенезата или за неизбежността на самоорганизацията в природата

Ако пуснете в търсачката ключова дума "самоорганизация", "абиогенеза", "еволюция", "зараждане на живота" или нещо друго свързано със спонтанната самоорганизация на материята и зараждането на живота на Земята, ще попаднете на какви ли не нюейдж-вуду-креационистко-бледовиолетово-енергийни щуротии и на много малко качествена информация. Основен проблем в образователната система на България е липсата на часове по критично мислене. На децата не се преподават основни умения за отсяване на информацията и източниците за набавянето й. В резултат те израстват лековерни, без никаква защита срещу иначе увлекателно и наукоподобно скалъпените шарлатанщини. Те нямат изградени критерии и умения за отсяване на боклука. Следователно е време да се направи нещо. И единственото оръжие срещу непрестанно бълващите помия шарлатани е двойно количество качествена, рационална информация или по друг начин казано - имунизация срещу боклука в медиите.

Сега да се върнем на самоорганизацията на материята и по-точно на спонтанният (тоест без външна, интелигентна намеса) синтез на сложни органични макромолекули,  градивните елементи на живота, от неорганични или по-прости съставки. Още древногръцките философи-атомисти вярвали, че висш, проектиращ всичко интелект, не е задължителен. Те доказали, че ако има достатъчно време, пространство и материал, организацията би била в края на краищата неизбежна. Рене Декарт въвел идеята, че обичайните закони на природата се стремят да произвеждат организация. 

До момента са натрупани многобройни свидетелства за самоорганизация в разнообразни биологични системи на всички нива - от молекулярно и клетъчно до популационно. Ето един определено непълен списък: 

- начало на живота от самоорганизиращи се химични системи, хиперцикли; спонтанното свиване (фолдинг и рефолдиг) на белтъците и други макромолекули;
- "самосглобяването" на цитоскелетни структури и двуслойни мембрани; хомеостазис или самоподдържането на приблизително постоянни параметри (температура, налягане, pH) при биосистемите - от клетка до цял организъм; 
- морфогенезис - механизъм на развитие и растеж на живите организми; 
- самоорганизация във вид на пространствени патерни на колонии едноклетъчни, например Dictyostelium discoideum, Bacillus subtilis и др.;
- създаването на общества от някои насекоми (мравки, термити, пчели), и много бозайници; 
- поведението на групи животни (стада, ята птици, пасажи риби и т. н.); 
Тези примери (както и още, и още много други) са белег, че обекти на живата природа са способни да се самоорганизират без намеса на по-висш разум отвън. Разбира се излишно е да разглеждаме тук всеки един такъв случай подробно, ще нахвърлям само няколко примера, след което ще преминем към произхода на живота на нашата планета и възможностите за това.

Когато всичко е наред, амебите диктиостелиум (Dictyostelium discoideum) си пълзят, хранят се и се делят от време на време. Но ако дълго останат гладни и енергийните им запаси започнат да се изтощават, те изпускат във външната среда цикличен аденозинмонофосфат (цАМФ), който се приема от съседните едноклетъчни като сигнал. Ако клетките са сити, те не реагират на него, но ако също са гладни, те започват да се събират на групи-агрегати, съдържащи до 100 000 амеби. 
Те формират единен многоклетъчен организъм, който се нарича псевдоплазмодий. Той може, за разлика от амебата, да изпълзява със забележителна скорост от неблагоприятните места. Ако успее да стигне място, където има храна, той отново се разпада на отделни клетки. Но ако все си пълзи, пълзи и все няма подходящи условия, той спира и около 20% от клетките изпълзяват нагоре, образувайки здраво стъбло и загиват. По стъбълцето останалите клетки изпълзяват на самия връх, образувайки плодно тяло, в което съзряват спорите. Те се разпръскват наоколо и така изчакват да свърши неблагоприятния период. Когато нещата се променят, от тях израстват амеби и историята се повтаря. 

Друг пример - фолдинг. При синтеза им белтъците "се сглобяват" от отделни аминокиселини според разчетената последователност на кода от ДНК. Резултат от работата на този биологичен конвейер са дългите вериги белтъци, които обаче, за да придобият разнообразните си функции (структурна, каталитична, двигателна, защитна) трябва сами да се "свият","завият", "сгънат" в точно определена форма. Процесът на свиване става на няколко етапа с продължителност от няколко секунди до няколко минути и се нарича фолдинг. В последната, решаваща фаза протеините от "предварителното" си състояние мигновено (за няколко десетки микросекунди) приемат окончателната си форма. 

Много учени в целия свят по експериментален начин са доказвали и доказват как и при какви условия е възможно да протичат някои процеси в еволюцията на материята от неорганична към органична, от нежива към жива. Първият проблем е поставянето на граница между жива и нежива материя. Трудно е да се постави такава между елементарните механизми на метаболизъм и размножаване на вирусите и сложните химични взаимодействия между огромните макромолекули, които по редица причини трябва да се приемат за неживи. Границите са условни, приема се, че внасят удобство и ред. Лично аз не ги обичам. Ама ще се обоснова защо. Очевидно пречат на мнозина да си представят химията на плавния преход от едно вещество към друго, от органична материя към неорганична и т.н., а очакват някакво рязко разграничаване и посочване на конкретен своеобразен край на неживото и начало на живото - ясно и категорично. Е, нема такъв филм. Същото е мнението ми и за разграничаването на видовете, откъдето произтичат пък всички недоразумения с "липсващи звена" и прочее. Ама това е то биологията - "колекциониране на марки" ;)

Първо и най-важно условие при разглеждането на изброените по-долу варианти и експерименти е да се разбере, че при съответните условия, възпроизведени в експериментите, произтичащите процеси и реакции са спонтанни и неизбежно следствие! Неорганичният синтез на органични съединения,  или биопоеза (биогенеза), както Бернал нарича процеса, по нищо не се различава от останалите неорганични процеси, включително и от тези, които се осъществяват днес. Но тъй като условията на първичната атмосфера са се различавали коренно от условията на съвременната въздушна обвивка на земята, то и продуктите на тези процеси също са се различавали. Самите процеси обаче, довели до образуването на абиогенни органични съединения, с нищо не се различават например от процесите на образуване на облаците  или на кристализирането на солите по дъното на пресъхваща лагуна. Та по-интересно е да се знае кои са факторите, които са управлявали процесите, довели до синтеза и натрупването на органични вещества с абиогенен произход. Какъв е бил добивът от тези процеси. При какви условия са се концентрирали, съхранявали и усложнявали тези вещества. При  какви условия се е осъществил преходът от предживата към живата материя. 

Опит на Мюлер. Осъществил е опита си още като студент. Използвал е сравнително просто устроен апарат - система от колби, в която чрез два електрода, запоени в стената й един срещу друг, се създава изкуствена мълния (електрическа искра). Едната колба се напълва с вода, а другата - със смес от газове (водород, метан, амоняк и др.). Системата е херметична. Общо казано, в долната част на апарата кипи вода, а в горната периодично се предизвиквали електрични изпразвания. През определени интервали от време се анализира качествения състав на разтвора и количествени измервания. Опитът продължил 175 часа. В първите 25 часа се образували предимно циановодород и алдехиди. След това тяхната концентрация престанала да нараства, а започнали да се образуват аминокиселини. След 125-тия час концентрацията на аминокиселините престанала да се увеличава, а количеството на амоняка, циановодорода и алдехидите продължило да намалява. Мюлер допуснал, че в този период е настъпило равновесие или участвие в други процеси. По-късно била установена полимеризация на аминокиселините, която не е била отчетена от Мюлер. Опитите на Мюлер са повтаряни многократно от различни учени в различни държави по света.

Опити на Уилсън и Понамперума. При добавяне на сяра в разтвора, използван от Мюлер, Уилсън получава дълги молекули от синтезирания полимер. Установени били също така ципи по повърхността на разтвора с площ около 1 см2, по всяка вероятност ПАВ. Понамперума и неговите сътрудници повтарят опитите на Мюлер, но използват като източник на енергия УВ-лъчи. Получават аминокиселини и пурини, тоест градивните елементи на белтъците и нуклеиновите киселини. При подбор на определени условия те получават дори полимери от тях.

Опити на Оро и Фокс. Те доказват, че за образуването на големи органични молекули от по-малки, наличието на на УВ-светлина не е задължително условие. При обикновено нагряване на средата  се получават сходни резултати. В условията на първична атмосфера малките органични молекули се синтезирали за сметка на УВ-лъчите на Слънцето или на електричните бури. Но за следващите етапи на еволюцията на материята и за ранния живот тези условия са противопоказни. Като се има предвид това, следва, че при прехода от нежива към жива материя са били използвани други източници на енергия. При едни от опитите си Оро поставя водни смеси от прости органични молекули за няколко дни при различна температура - от 20 до 150 градуса С. В разтворите на формалдехид с хидроксиламин и на формалдехид с хидразин, а също и в разтворите, съдържащи циановодород, в края на опита се синтезират аминокиселини. При други опити с използването на същите температури аминокиселините полимеризират.

Фокс обръща по-специално внимание на факта, че при свързването на две аминокиселини с пептидна връзка, се отделя вода. И тъй като процесите на полимеризация са съпроводени с дехидратиране, то очевидно скоростта на тези реакции ще зависи от количеството отделяна вода в сситемата, от обезводняването й. Подобни съображения дават основание на Фокс да предположи, че ранното развитие на живота е ставало близо до вулканите. Показва това в следния опит. Безводна смес от аминокиселини се загрява до 170 градуса С. Свързват се в полипептидни вериги. Разбира се, активността на така синтезираните белтъчни молекули е ниска, но в ранните етапи на възникване на живата материя е било напълно достатъчно първите белтъчни молекули да проявят някаква, била и слаба, каталитична активност. Друго много съществено свойство на белтъкоподобните съединения е това, че последователността на аминокиселините в техните полипептидни вериги няма случаен характер, закономерна е!!!

Трети, не по-малко съществен резултат е образуването на сферични образувания, изградени от термични протеноиди, получени  чрез промиване на горещата смес от полимери с водни солеви разтвори. Получените гранули, пренесени в друг разтвор, различен по концентрация от изходния, реагират по специфичен начин - реагират на промяната на осмотичното налягане, както реагират живите клетки. Това е категорично доказателство, че имат полупропускливи мембрани. 

Други много важни опити на Фокс и сътрудниците му доказват, че подредеността на аминокиселините в полипептидната верига може да определя реда на нуклеотидите в полинуклеотидната верига. При добавяне на смес от нуклеотиди към полиглицинов полипептид се образуват къси участъци от полигуанин. Известно е, че един от кодоните, който определя мястото на глицина в полипептидната верига, е ГГГ. 
Ще продължа в следващ пост с тези и още много, много други опити и резултати. Този вече доста се натовари, а то без картинки издържа ли се :Р 

To be continued...

Източници:
Попов, Петър, Теория на еволюцията, 1999
Benton & Harper, Introduction to Paleobiology and the Fossil Record, 2009
Списание "Българска наука"

1 коментар: