Великий квест. Гении и безумцы в поиске истоков жизни на Земле

В 1815 году Био провел опыт, в котором освещал поляризованным светом различные вещества, в том числе раствор сахара в воде^[418]. Выяснилось, что прошедший через них свет приобретает очень необычные свойства. Его поляризованные волны оказались повернуты по часовой стрелке (либо против нее) после взаимодействия как с раствором сахара, так и с некоторыми другими веществами. Каким-то неизвестным образом их молекулы “повернули” свет. Это и само по себе выглядело очень странно, но еще более странным оказалось то, что направление вращения менялось. Как так получилось, что свет поворачивал плоскость поляризации то по часовой стрелке, то в противоположном направлении? Складывалось впечатление, что сахар имеет две разновидности и те по-разному воздействуют на свет, хотя во всех остальных отношениях они идентичны.

Следующий важный шаг сделал в четвертом десятилетии XIX века Луи Пастер – это произошло за десять лет до его дебатов с Пуше о самопроизвольном зарождении (см. главу 1)^[419]. Пастер изучал разновидности тартрата – это вещество тоже способно вращать плоскость поляризации света. Пастер получил кристаллы тартрата и скрупулезно их исследовал. Он выяснил, что такие кристаллы и вправду имеют две формы и различаются тем, направо или налево обращены некоторые из их граней. И хотя число этих граней было одинаковым, развернуть кристаллы так, чтобы они совпали, оказалось невозможно. Ситуация та же, что при попытке совместить левую и правую руки человека: мы никогда не добьемся их полного совпадения. Пастер сделал вывод о существовании двух разновидностей молекулы тартрата, которым каким-то образом удавалось быть “правыми” и “левыми”.

Объяснить это Пастер не смог^[420]. В те времена химики ничего не знали о форме молекул: структуры ДНК и подобных веществ установили лишь век спустя. Под сомнением оставалась даже идея о том, что молекулы состоят из атомов. Понять результаты Пастера удалось лишь спустя четверть века. Верный ответ нашли двое работавших независимо молодых ученых, которые опубликовали свои исследования в 1874 году. Первым из них был Жозеф Ашиль Ле Бель, 27-летний химик из Франции.

Имя же второго поистине знаменито: это Якоб Хендрик Вант-Гофф-младший, голландский химик, которому в то время было всего двадцать два – он еще даже не обзавелся научной степенью. В 1901 году Вант-Гофф стал первым в истории лауреатом Нобелевской премии по химии^[421].

И Ле Бель, и Вант-Гофф понимали, что решающую роль играют в этом случае именно атомы углерода^[422]. Они знали, что каждый углерод может образовывать одновременно до четырех связей с другими атомами. В простейшем случае все четыре могут быть одинаковыми – скажем, водородами. У такой молекулы не может быть “правой” и “левой” версии. И в самом деле: молекула, в которой углерод находится в окружении 4 водородов, – это метан, а он поляризованный свет не вращает. В этом легко убедиться, нарисовав молекулу метана на бумаге ярким фломастером. Если потом перевернуть бумагу, то проступающее через нее изображение не изменится.

Теперь рассмотрим молекулу посложнее – глицин, самую простую аминокислоту. Атом углерода в центре его молекулы соединен с карбоксильной группой, аминогруппой и, что самое важное, с двумя водородами. Несмотря на более замысловатую структуру, глицин тоже имеет всего одну форму молекулы – никаких “правых” и “левых” разновидностей и поворота поляризованного света. Причиной тому являются два водорода. Имея две молекулы глицина, их всегда можно повернуть так, чтобы их структуры совпали. То же произойдет и в случае, если вы повторите трюк с бумагой: изображения окажутся идентичны.

А теперь рассмотрим аланин – аминокислоту покрупнее. В аланине один из водородов заменен на атом углерода в окружении водородов. Это означает, что атом углерода в центре аланина находится в окружении четырех разных соседей и что эксперимент с бумагой не сработает. На сей раз, перевернув лист и сравнив оба изображения, мы увидим, что две из четырех соседних с углеродом групп поменялись местами.

Молекулу аланина и другие молекулы, имеющие эти немного различающиеся формы, называют “хиральными”. Помимо эффекта на поляризованный свет, различий они почти не имеют: выглядят одинаково, плавятся при близкой температуре и участвуют в одних и тех же химических реакциях. Эти альтернативные версии молекул часто называют лево- и правовращающими^[423].

Живые существа состоят исключительно из левовращающих аминокислот и правовращающих нуклеотидов. Непонятно, что лежало в основе такого распределения. Не исключено, что жизнь могла с тем же успехом остановиться на правовращающих аминокислотах и левовращающих нуклеотидах или на том и другом в левовращающей версии. Думаю, это можно сравнить с правосторонним либо левосторонним движением в разных странах. Не так важно, какой вариант предпочтет та или иная страна, – важно лишь, чтобы все придерживались общего правила. Безусловно, если вы скормите какому-нибудь организму не ту аминокислоту, у него возникнут проблемы. Скажем, изящная структура двойной спирали ДНК может сформироваться только из правовращающих нуклеотидов. Всего один левовращающий мономер вызовет деформацию дуплекса и, как следствие, сложности при прочтении последовательности ДНК, а то и невозможность ее прочтения. Затруднения возникают и при попытке удлинить имеющуюся “правую” РНК с помощью “левых” нуклеотидов, поскольку весь процесс при этом застопорится^[424].

Для исследователей зарождения жизни это стало еще одной дополнительной проблемой. Молекулам вроде нуклеотидов необходимо было не только возникнуть на юной Земле – должен был также запуститься некий процесс, обеспечивающий их “правильную” хиральность.

Первым этим вопросом всерьез занялся физик Фредерик Франк^[425]. Во время Второй мировой войны он, служа в разведке, работал над распознаванием замаскированных радаров и информировал британское правительство о секретном ракетном вооружении нацистов. Остальную же часть своей карьеры Франк посвятил исследованию кристаллов^[426].

В 1953 году (напомним: это год публикации результатов Миллера и структуры ДНК) Франк описал собственное решение проблемы одностороннего вращения. В статье он дает понять, что считает эту проблему совершенно тривиальной^[427]. В то время как другие полагали “асимметричный синтез” биологических молекул серьезным затруднением, Франк “долгое время считал, что тут все совершенно понятно”.

Его решение было основано на размножении, то есть на способности всего живого воспроизводить себе подобное. Франк предположил, что и химические вещества также способны создавать свои копии, катализируя их образование. Мы уже обсуждали некоторые из этих так называемых автокатализаторов. По мысли Франка, первые появившиеся на Земле биологические молекулы были именно саморепликаторами. Также он допустил, что эти саморепликаторы умели создавать свои копии с сохранением хиральной формы, одновременно подавляя образование второй разновидности. Франк заканчивает статью воодушевляющим утверждением: “не исключена возможность лабораторного подтверждения”. Эта возможность стала реальностью лишь 42 года спустя.

Проблему окончательно решил японский химик Кэнсо Соаи. Он и трое его коллег изучали хиральное соединение под названием “алканол”, основой которого является шестиугольное кольцо из атомов^[428]. В начале этого эксперимента в смеси присутствовал небольшой избыток одной из двух форм – такая ситуация может с легкостью возникнуть и сама по себе. Далее исследователи добавили еще два вещества и тем запустили реакцию. В итоге обе версии алканола начали создавать свои копии. После нескольких циклов реакции то вещество, которого исходно было немного больше, постепенно начало заметно преобладать и подавлять образования другого. В итоге от того почти ничего не осталось^[429]. Данный процесс теперь носит название реакция Соаи.

То, как именно это работает, оставалось загадкой на протяжении шести лет – до тех пор, пока американский химик-инженер Донна Блэкмонд не рассмотрела процесс поподробнее. Блэкмонд добилась признания как создатель каталитических конвертеров – это устройства, используемые в транспортных средствах для уменьшения выхлопов. В 1990-е биотехнологический гигант “Мерк” обратился к ней с предложением провести системные исследования поведения органических веществ. Блэкмонд занялась изучением органической химии и в результате увлеклась проблемой “одностороннего вращения” (или хиральности, как это обозначают химики)^[430]. Блэкмонд помогало то, что она имела опыт в исследовании механизмов химических реакций. Короче говоря, с 2001 года Блэкмонд – участница целого ряда основополагающих исследований хиральности, нередко сотрудничающая со многими отдельными учеными и научными группами.