КАРТА САЙТА

OCR 2010 © Калясников Ю.А. Наноминералогия воды и биосферные процессы. Публикуется по тексту: Калясников Ю.А. Наноминералогия воды и биосферные процессы: 2-е изд., перераб. и доп. Магадан: СВНЦ ДВО РАН, 2000. 64 с. ВВЕДЕНИЕ. ВОДА И СИАЛЬ. ПОЧЕМУ ВОДА - АНОМАЛЬНАЯ ЖИДКОСТЬ. В поисках тайны строения обыкновенной воды. Структура жидкой воды глазами геолога || СТРУКТУРА ВОДЫ И ГРОЗОВАЯ АКТИВНОСТЬ. Обзор истории и состояния проблемы. Снежная симфония грозы. ОБ УНИВЕРСАЛЬНОСТИ ВОДОРОДНОЙ СВЯЗИ. ВОДА И ЖИЗНЬ. К тайне начала биопоэза. Что есть биополе. ЗАКЛЮЧЕНИЕ || ПРИЛОЖЕНИЯ. Что же такое - живая вода. Можно ли питаться святым духом. ЛИТЕРАТУРА. || Тайна генетического кода в структуре воды // Вестник Российской Академии Наук, том 63, №8. 1993. || На нагорье Корякском (газета «Дальневосточный ученый» от 11 января 1984 г.)

ТАЙНА ГЕНЕТИЧЕСКОГО КОДА В СТРУКТУРЕ ВОДЫ © Ю. А. Колясников (к. г.-м.н., научный сотрудник Северо-Восточного комплексного научно-исследовательского института ДВО РАН) Статья опубликована в "Вестнике Российской Академии Наук, том 63, №8. 1993г.

Вода - самое лучшее, что есть, все рождается из Воды, и все сущее - производное Воды! Фалес Милетский           Ангара возле Иркутска. Вода в Ангаре особая. Она устойчива к замерзанию, имеет особый голубоватый цвет. Возможно это свойство байкальской воды, а может быть пройдя сквозь турбины Иркутской ГЭС она теряет структуру полимера.

На основе собственной политетрамерной модели структуры воды автор строит сценарий самого раннего этапа развития жизни на Земле - синтеза предбиологической органики. Этот сценарий базируется на феномене случайности, который может служить хорошим щитом от вполне вероятной критики.

Одно из выдающихся научных открытий XX века - разгадка структуры ДНК Фр. Криком и Дж. Уотсоном. Однако тайна универсальности генетического кода, зашифрованного в структуре ДНК, до сих пор остается нераскрытой. Стержневой вопрос: как возникло кодовое соответствие между ДНК и белками?

Поразительно, но мало кто из исследователей обращал внимание на возможное участие воды в сценарии возникновения жизни (биопоэз, по Дж. Берналу [1]), причем в качестве не только универсального и единственно возможного растворителя [2], но и матрицы. Ведь способность аминокислот - строительных блоков белка - к некоторой самоорганизации и даже избирательности в ходе их экспериментального синтеза или полимеризации свидетельствует о том, что еще до появления собственно кода какое-то подобие матричного механизма уже существовало [3]. Однако кажущаяся простота состава воды в сравнении с органическими молекулами не давала повода всерьез обратиться к ней как непосредственному и, быть может, главному участнику кодирования белков через азотистые основания ДНК.

Недавно мне удалось графически выявить существование левых и правых водных тетрамеров, играющих в обычной воде роль молекул (рис. 1). Это позволило предположить, что зеркальная симметрия структурных единиц воды, или ее рацемичность, в подкритической области (почти кипящие бассейны первородного бульона на горячей поверхности юной Земли 4 млрд. лет назад), должна была как-то влиять на синтез предбиологической органики [4]. Такая особенность среды, в нашем случае водной, служила стимулом для отбора в процессе синтеза левых или правых форм. Более того, переход от надкритического мономерного пара Н2О к тетрамерной жидкой воде Н804 происходил скорее всего не мгновенно, а через промежуточное образование сначала зеркально-симметричных цепочек из четырех молекул Н20, которые позднее сворачивались влево и вправо в тетрамеры (см. рис. 1). Очевидно, что высокая концентрация компонентов будущей предбиологической органики в исходном бульоне юной Земли и дефицит в нем почти кипящей воды обусловливали связанное ее состояние [5]. В таком состоянии сворачивание молекулярных цепочек было явно затруднено, если вообще возможно.

Итак, на образующихся сначала зеркально-симметричных тетрамерных цепочках воды мог идти синтез хирально-чистой органики (все аминокислоты в живом веществе левые, а сахара правые). Это обстоятельство ставит под сомнение реальность так называемой "хиральной катастрофы" [6], хотя хиральная чистота признана главным условием биопоэза. Отметим еще, что первыми должны появляться аминокислоты как более термостойкие соединения [7].

Попытаемся представить, что происходило на еще горячей, медленно остывающей Земле буквально в первой капле ее водного бульона, поднявшейся из глубин мантии на поверхность планеты и не выкипевшей целиком. Наш сценарий предполагает, что в этой капле после некоторого охлаждения образовалась первая цепочка из четырех молекул воды, и совершенно случайно она оказалась левой. Но именно на ней была синтезирована первая аминокислота, которая уже не случайно получилась левой. Абсолютно с той же вероятностью она могла оказаться правой. Далее вступил в действие фактор преимущества [6], под влиянием которого все образующиеся аминокислоты также становились левыми, следуя за "лидером" [8], то есть синтезируясь на левых же цепочках водных молекул. Однако молекула аминокислоты со средним размером до 10 А (точнее, ее радикал) могла быть связана соразмерно лишь с тремя из четырех молекул первой водной цепочки. Поэтому отмеченная выше способность к отбору объясняется тем, что очередная молекула аминокислоты синтезировалась на последней, оставшейся свободной молекуле первой цепочки, и затем присоединяла к ней вторую, тоже левую цепочку молекул воды. И так последовательно включался в работу матрично-конвейерный механизм. Похоже, что параллельно с синтезом шла полимеризация, в процессе которой формировались полипептидные связи между молекулами левых аминокислот, что и породило в конечном счете белок. Одновременно с синтезом левых цепочек происходила конденсация и зеркальной половины рацемичной воды. Причем правым цепочкам в том концентрированном первородном бульоне пространственно и энергетически выгодно было располагаться параллельно левым цепочкам, сшиваясь с ними водородными Н-связями со сдвигом (в силу одинаковой заряженности) на одну молекулу (рис. 2). На правых цепочках при дальнейшем охлаждении начинался синтез сахаров, которые соединялись между собой остатками

фосфорной кислоты, формируя "скелет" будущей ДНК. К нему через сахара тут же присоединялись азотистые основания (соразмерные аминокислотным радикалам), образуя гены или нуклеотиды. Такой ход событий неумолимо вел к синтезу нуклеиновых кислот. В коде их оснований отражалась истинная матрица аминокислот, поскольку трем азотистым основаниям по размеру почти в точности соответствовали все те же исходные для синтеза аминокислоты три молекулы в цепочке воды с присущим каждой из них расположением положительных и отрицательных (донорных и акцепторных) концов Н-связей. При дальнейшей полимеризации и сворачивании в спирали полипептидных и полинуклеотидных цепей белков и нуклеиновых кислот, сопровождавшихся появлением свободной воды, матричным водным цепочкам становилось выгоднее разделяться и сворачиваться в одиночные поначалу левые и правые тетрамеры, пополняя запасы свободной воды. Получается, что матрица, закончив дело предбиологического синтеза хирально-чистой органики и набор генетического кода, просто-напросто свернулась, пряча концы этого таинственного действа в обычной воде! Реликтовые концы былых Н-связей органических молекул с матричной связанной водой соединяли потом соседние витки спиралей белков и нуклеиновых кислот, придавая им стабильность и вполне определенную конформацию [9]. Итак, мы проследили полностью синтез пред-биологической органики: аминокислоты—»полипептиды—»сахара—»нуклеотиды и их цепи вплоть до сворачивания знаменитой двойной спирали Уотсона-Крика. На протяжении всего синтеза вода конденсировалась в основном в связанной форме, только в этом состоянии она была матричной, способной чтото "штамповать". Не исключено, что примерно так возник генетический код земной жизни. Остается лишь рассмотреть, как конкретно осуществлялась запись кода и почему в строении белков участвуют именно 20 аминокислот. Можно предположить, что три азотистых основания отражали в своем составе и последовательности дипольные особенности и последовательность трех молекул воды в их тетрамерных цепочках, на которых до того шел синтез аминокислот. Но если в синтез каждой молекулы аминокислоты вовлечены лишь три водные молекулы из четырех, образующих полную тетрамерную цепочку, то число возможных комбинаций составит известные 43 = 64 [3, 8, 10]. Исключительно важно то, что при участии в синтезе аминокислоты неполной цепочки воды допустимы разные варианты задействованное ™ молекул соседних цепочек (3,1 и 2,2 и 1, затем снова 3, но уже в следующем нуклеотиде (см. рис. 2). Только в этом случае образуются четыре комбинации с тремя одинаковыми молекулами Н20 и, следовательно, с тремя однотипными основаниями. В четырех комбинациях все три молекулы оказываются разными, а в 12 - две молекулы одинаковые (рис. 3, блоки 1, 2 и 3 соответственно). При таком триплетном задействовании молекул воды на каждую аминокислоту, а также участии в ее синтезе то одной, то двух тетрамерных цепочек могли реализоваться лишь 20 различных сочетаний из трех молекул воды, в точности отвечающих 20 аминокислотам. (Другим, очень изящным путем это же предсказал Г. Гамов [10]). В нашем генетическом коде существуют триплетные наборы азотистых оснований - по три в определенной последовательности на каждую молекулу аминокислоты. Отсюда с очевидностью следует: остальные 44 варианта в земном сценарии просто не могли реализоваться ни в синонимах аминокислот, ни в точках конца синтеза [10], так как они относятся к триплетам из абстрактной четверки несвязанных в цепь молекул воды. Повидимому, общее число азотистых оснований (по четыре в строении ДНК и РНК) не случайно равно числу молекул в нашей уникальной водной матрице - ее тетрамерной цепочке. Вот уж поистине - вода всему начало!

 

Дальнейший сценарий эволюции жизни на Зем­ле разработан в мельчайших деталях в изумительной по глубине и ясности книге Дж. Бернала [1], в классических работах А.И. Опарина, Дж. Холдейна, Дж. Уотсона и других. Остается лишь заметить, что среди 20-ти аминокислот есть две правые формы, а две аминокислоты вообще не обладают хиральностью. Правые аминокислоты обнаружены в клеточных стенках некоторых микроорганизмов и в ряде антибиотиков [9]. Самая простая аминокислота глицин не имеет хирального атома углерода, а изолейцин, наоборот, имеет два таких атома, но противоположно симметричных (?), а потому практически компенсирующих друг друга. Причиной первого "сбоя" является наличие в блоке 1 (одинаковые триплеты на рис. 3) двух левых и двух правых комбинаций. Что касается второго отклонения, то в блоке 3 (см. рис. 3) два последних триплета как раз оказываются симметричными, то есть нейтральными по отношению к хиральности. Эти совсем уж не случайные совпадения подтверждают рассмотренный выше сценарий возникновения универсального генетического кода. В то же время остается много неясного в последовательности процессов синтеза нуклеотидов, в тонкостях репликации на них аминокислотно-матричных водных триплетов.

---

ЛИТЕРАТУРА

•  Бернал Дж. Возникновение жизни. М.: Мир, 1969.

•  Фиалков Ю.Я. И все же - вода // Природа. 1992. № 3. С. 74 - 77.

•  Мухин Л.М. Планеты и жизнь. М.: Молодая гвардия, 1980.

•  Колясников Ю.А. Политетрамерная модель структуры жидкой воды // Докл. АН СССР. 1990. Т. 315. С. 652 - 656.

•  Габуда С.П. Связанная вода. Факты и гипотезы. Новосибирск: Наука, 1982.

•  Морозов Л.Л. Поможет ли физика понять, как возникла жизнь? // Природа. 1984. № 12. С. 35 - 48.

•  Березин И.В., Савин Ю.В. Основы биохимии. М.: Изд-во МГУ. 1990.

•  Гросберг А.Ю., Хохлов А.Р. Физика в мире полимеров. М.: Наука, 1989.

•  Бейли Дж., Оллис Д. Основы биохимической инженерии. Ч. 1. М.: Мир, 1989.

•  Френкель В.Я., ЧернинА.Д. Возвращается Г.А. Гамов // Природа. 1989. № 9. С. 82 -102.