Возникновение ионной и хиральной асимметрий в предбиологической эволюции тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.02, доктор физико-математических наук Яковенко, Леонид Владимирович

• Яковенко, Леонид Владимирович
• доктор физико-математических наук
• 2006

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Яковенко, Леонид Владимирович

Введение. Проблемы перехода от геохимической эволюции к биологической и возникновения ионной и хиральной асимметрий в предбиологических системах.

1. Ионная асимметрия в живых системах.

1.1. Механизмы поддержания ионного гомеостаза клетки.

1.1.1. Na-Hacoc.

1.1.2. Взаимодействие мембраносвязанных белков.

1.1.3. Роль конформационных изменений макромолекул в кинетике ферментативных реакций.

1.2. Принцип параметрического разделения веществ и ионов.

1.2.1. Микроскопическое рассмотрение. Молекулярная модель параметрического ионного насоса.

1.2.2. Макроскопическая реализация параметрического насоса.

2. Хиральная асимметрия в живых системах.

2.1. Стереоизомеры биологически важных хиральных органических соединений.

2.2. Гомохиральность белков и нуклеиновых кислот - необходимое условие матричного синтеза биополимеров.

2.3. Роль D-аминокислот в обеспечении жизнедеятельности клеток и организмов.

2.4. Физико-химические свойства энантиомеров аминокислот и сахаров

2.5. Изменения структуры и функций полипептидов при замене остатков L-аминокислот на остатки D-аминокислот без изменения первичной структуры.

3. Физико-химические свойства неравновесной границы раздела раствор-воздух.

3.1. Формирование неравновесного тонкого поверхностного слоя на границе раздела раствор-воздух и его физические характеристики.

Фракционирование катионов в неравновесном тонком поверхностном слое раствора и устойчивость границы раздела раствор-воздух в сильных неоднородных электрических полях.

3.2.1. Экспериментальные исследования в лабораторных условиях

3.2.2. Модели перераспределения катионов между тонким поверхностным слоем и объемной фазой раствора с учетом диффузии и конвекции в гомогенной среде.

3.2.3. Феноменологическая модель фракционирования катионов в тонком поверхностном слое раствора.

3.4. Фракционирование энантиомеров хиральных соединений в неравновесном тонком поверхностном слое раствора.

3.4.1. Фракционирование энантиомеров аминокислот при образовании аэрозоля.

3.4.2. Исследование фракционирования энантиомеров аминокислот и Сахаров на границе раздела фаз методом генерации второй оптической гармоники.

3.4.3. Фракционирование энантиомеров лейцина в неравновесном тонком поверхностном слое раствора при образовании пен.

4. Физико-химические факторы предбиологической эволюции.

4.1. Геофизические и геохимические процессы и условия на Земле на ранних стадиях ее эволюции.

4.2. Абиогенный синтез биологически важных органических соединений.

4.3. Ионная и хиральная асимметрии в моделях предбиологических систем.

4.4. Спонтанное возникновение предшественников протоклеток на неравновесной границе раздела океан-атмосфера.

5. Проблема хиральных загрязнений в экологической безопасности.

5.1. Антропогенные хиральные загрязнения.

5.2. роль границы раздела океан-атмосфера в аккумуляции и Распространении загрязнений.

5.3. Моделирование процессов очистки в двумерных экологических системах.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Возникновение ионной и хиральной асимметрий в предбиологической эволюции»

ВОЗНИКНОВЕНИЯ ИОННОЙ И ХИРАЛЬНОЙ АСИММЕТРИЙ В ПРЕДБИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

К одной из важнейших проблем теоретической биологии и биофизики относится происхождение жизни. Как и всякая глобальная проблема, она состоит из ряда частных проблем, без решения которых невозможно получить обоснованного ответа на основной вопрос: как появилась жизнь на Земле, или, другими словами, каким образом произошел переход от геохимической эволюции Земли к биохимической.

Среди частных проблем важнейшими на наш взгляд являются проблемы абиогенеза, т.е. синтеза органических соединений без участия организмов, а также возникновения дискретных предшественников клеток, или пробионтов, обладавших основными их свойствами. К таким основным свойствам относятся относительное постоянство внутренней среды и существенное отличие ее состава от состава окружающей среды, способности к реагированию на изменения внешней среды, перемещению, самовоспроизведению. Указанные свойства обусловлены разнообразными процессами, происходящими на границе раздела между пробионтом и окружающей средой. Следовательно, эта граница раздела - наружная мембрана пробионта - должна была обладать структурой и свойствами, обеспечивающими возможность выполнения необходимых для существования пробионта функций. О том, какими могли быть структура и свойства мембран пробионтов и как возникли первичные мембранные структуры можно судить лишь по косвенным данным, опираясь, в основном, на принцип актуализма.

Эволюция предшественников клеток привела к появлению современных организмов, обладающих многими признаками, которых не было у их примитивных предков. С точки зрения физики такой процесс связан с увеличением содержания доступной для нас информации в эволюционирующей системе [1, 2, 3, 14]. В то же время, возникает вопрос, связано ли наблюдаемое увеличение количества информации с созданием новой информации или же с выявлением скрытой информации [4]. В последнем случае возникновение новых признаков предопределено физико-химическими свойствами эволюционирующей системы, т.е. система определенного типа, будучи проведена через последовательность одних и тех же внешних условий, в большинстве случаев приобретет вполне определенный набор признаков. Возможность предсказания этих признаков зависит от понимания сути процессов, приводящих к изменениям компонентов системы, поэтому в отношении более или менее сложных систем существует не всегда.

Во всех случаях изменение количества информации в системе связано с процессами запоминания [4, 13, 14]. Эти процессы могут реализоваться с помощью разных носителей информации и поэтому имеют разную точность. Конечная точность запоминания, особенно у пробионтов, приводит к тому, что вместо строго определенного набора признаков в системе возникают распределения наборов признаков - возникает квазивид [8]. В ходе эволюции квазивида изменялась и точность запоминания. Дрейф квазивида в виртуальном пространстве признаков происходит под действием условий окружающей среды. Выживание особей определяется их селективными преимуществами перед другими особями, а сами селективные преимущества - возможностью протекания и интенсивностью физико-химических процессов, обусловливающих жизнедеятельность особи, и возможностью воспроизведения их у потомства (запоминания). Таким образом, выявление факторов селективного преимущества и механизмов их действия в предбиологических системах на разных стадиях эволюции позволяет ответить и на вопрос о природе изменения количества информации в ходе эволюции.

Поскольку естественный отбор в современных популяциях осуществляется на уровне фенотипа, а запоминание - на уровне генотипа, возникает вопрос о механизмах такой двусторонней связи. Исторически сложились два, обычно противопоставляемых, подхода к его решению -дарвинизм и ламаркизм. Здесь мы отметим только, что полученные за последние годы данные в области молекулярной биологии позволяют согласовать оба эти подхода между собой: второй (гистоновый) генетический код, регулирующий экспрессию генома, изменяется в зависимости от факторов окружающей среды [9,10].

До возникновения генетического кода пробионтам при размножении приходилось более или менее точно воспроизводить все свои структуры, а не только их коды. Поскольку факторы среды обитания непосредственно влияли на эти структуры, не было проблемы с кодированием этого влияния, и приобретенные пробионтом признаки непосредственно передавались потомству. В некотором смысле ламаркизм и дарвинизм по отношению к предбиологическим системам приводят к одинаковым следствиям.

Эволюция предбиологических систем описывается общими закономерностями эволюции сложных иерархических систем. Для того чтобы эволюция системы дискретных элементов могла приводить к возникновению других систем с отличными от исходных элементами, необходимо, чтобы ее элементы системы обладали следующими свойствами [8,15]:

-изменчивостью (элементы системы отличаются друг от друга по свойствам);

-способностью к конвариантному самовоспроизведению (потомки не обязательно являются точными копиями родителей);

-определенной, хотя и неодинаковой, продолжительностью жизни и интегральной продуктивностью (т.е. способностью оставлять разное количество потомков, имеющих разную продуктивность);

- индивидуальным селективным преимуществом (эффективностью использования ресурсов, шириной нормы реакции гомеостаза, которые конвариантно воспроизводятся в потомстве).

Применение перечисленных выше принципов дарвиновской эволюции к предбиологическим системам позволило получить весьма продуктивные модели гиперциклов, сайзеров и квазивидов [8, 11], позволившие определить необходимые условия возникновения пробионтов.

В традиционной теории эволюции предполагается, что биоразнообразие изменяется за счет выживания организмов, наиболее адаптированных к изменяющимся условиям окружающей среды, а хуже адаптированные организмы вымирают. Тогда на филогенетических деревьях, отражающих этот процесс, современному состоянию биосферы должны соответствовать только самые верхние ветви, а несущие их более крупные ветви должны были бы соответствовать вымершим организмам. На самом деле биота представлена всеми основными группами организмов, когда-либо существовавших на Земле [5, 6], и эволюция основана на отборе организмов с уже сформировавшимися признаками, предоставляющими их обладателям какие-то селективные преимущества по сравнению с другими сходными организмами. Так, одни из первых организмов, появившихся на Земле более 2,5 млрд лет назад, цианобактерии, прекрасно чувствуют себя в современных условиях и не вымирают, несмотря на то, что окружены гораздо более «высокоразвитыми» видами. Это один из парадоксов, возникающих при упрощенном применении принципов дарвиновской эволюции к естественным системам.

Эволюция иерархических систем происходит, по-видимому, по общим для всех таких систем законам [12, 13]. Эволюционные изменения высших уровней системы представляют собой различные комбинации изменений ее низших уровней, которые происходят более или менее автономно. При этом, конечно, надо учитывать характерные времена тех или иных изменений, как на отдельных уровнях системы, так и во внешних условиях. Предбиологическая эволюция является одним из компонентов эволюции Земли, а вместе с ней - эволюции солнечной системы, галактики, вселенной. Комбинаторный принцип образования новых элементов эволюционирующих систем прослеживается на всех ярусах эволюции вселенной, от элементарных частиц до скоплений галактик [16-19]. Это приводит к тому, что компоненты вновь образующихся систем наследуют многие характеристики предковых форм соответствующих уровней, что служит некоторым оправданием принципа актуализма.

Следуя этой логике, мы можем предположить, что свойства, общие для наружных мембран всех современных клеток, должны были в той или иной степени проявляться и у их предшественников. Таким образом, исследование универсальных свойств и функций мембран современных клеток необходимо для понимания того, какими должны были быть мембраны пробионтов.

Для решения проблем, связанных с возникновением предшественников клеток, обладавших наблюдаемыми в настоящее время у их потомков наиболее общими свойствами - неравновесностью, определенным ионным составом, хиральной чистотой белков, Сахаров и липидов, аппаратом конвариантного матричного синтеза, способностью к самовоспроизведению, возбудимостью и подвижностью - необходимо согласование двух подходов: экстраполяции свойств известных неравновесных систем на все более сложные иерархические системы и реконструкции возможного пути эволюции наиболее простых живых систем и их подсистем. При движении «снизу», т.е. от геохимических систем к биохимическим, необходимо выяснить, какие именно системы обладали свойствами, достаточными для возникновения предшественников клеток, а при движении «сверху» - какие свойства систем были необходимы для реализации того или иного пути эволюции пробионтов. Таким образом, могут быть получены необходимые и достаточные условия возникновения предшественников клеток.

Для всех живых клеток характерно неравномерное и неравновесное распределение веществ и ионов между клеткой и окружающей средой. Среди этих распределений особое место занимают распределения неорганических катионов - натрия, калия, кальция и магния - и энантиомеров хиральных соединений - аминокислот и Сахаров. Ввиду общности характера этих распределений для всех живых клеток, их следует считать двумя фундаментальными асимметриями в живых системах - ионной и хиральной. Всеобщность ионной и хиральной асимметрий порождает вопрос об их возникновении - возникли ли они в ходе биологической эволюции, или их возникновение было предопределено физико-химическими факторами предбиологической эволюции.

В клетках существуют специальные механизмы обеспечения ионной и хиральной асимметрий. Изучение их структурной организации и физических принципов функционирования позволяет сформулировать минимальные требования к таким механизмам, выявить факторы селективного преимущества у систем, которые могли участвовать в предбиологической эволюции, а также необходимые условия для возникновения этих систем -предшественников клеток.

Предлагавшиеся механизмы возникновения асимметричных распределений ионов и энантиомеров аминокислот и Сахаров либо содержали внутренние противоречия, либо были метафизическими и умозрительными, т.е. не были подтверждены хотя бы косвенными экспериментальными данными. В частности, наиболее распространенные представления о происхождении пробионтов основаны на свойствах равновесных гетерогенных термодинамических систем, в то время как живые клетки -существенно неравновесные системы.

Представление о том, что в ходе эволюции происходил не синтез новой информации, а реализация скрытой информации, уже содержащейся в системе, приводит к выводу о том, что в неживой природе должны быть системы, в которых, по крайней мере в принципе, могли бы наблюдаться явления и процессы, характерные для живых систем. При этом в ходе эволюции, химической, а затем и биологической, происходило «усиление» проявления свойств, обеспечивающих какие-либо селективные преимущества эволюционирующей системе, а механизмы усиления создавались в ходе той же эволюции из «предсуществующих» физико-химических механизмов1 соответствующих процессов. Тогда неживые системы, обладающие свойствами, сходными со свойствами живых систем, могли бы претендовать на роли предшественников живых систем.

Большинство важнейших процессов в клетках происходит на границах разделов фаз, чаще всего с участием липидных мембран. Но даже ферментативные реакции, которые иногда рассматривают как гомогенные каталитические реакции, на самом деле правильнее рассматривать как гетерогенные, протекающие на сложной границе раздела фаз белок-раствор. Это наводит на мысль, что клеточная биохимия сложилась в ходе предбиологической эволюции систем, включавших границы разделов фаз.

На ранних стадиях развития Земли фактором, в наибольшей степени ограничивавшим возможности возникновения жизни, была, по-видимому, высокая температура. Поэтому интересующий нас период относится ко времени, когда Земля уже достаточно остыла, чтобы произошла конденсация воды. Формирование земной коры также относится к этому периоду, поэтому обычно считается, что рельеф земной поверхности в то время был относительно выровненным.

Проблеме происхождения жизни в последние годы стали уделять все большее внимание различные научные организации. Это связано с тем, что поиски жизни на других планетах солнечной системы и вне ее стоят слишком дорого и необходимо как-то сузить область этих поисков. Так, например, в солнечной системе основными объектами исследования с последние годы стали Марс, Титан (спутник Сатурна) и Европа (спутник Юпитера). Вне солнечной системы обнаружено более 130 планетных систем, для исследования возможности существования разумной жизни на которых созданы специальные научные группы.

1 Под механизмами мы, как правило, понимаем совокупности элементарных процессов, составляющих наблюдаемые процессы или явления.

В 2006 г. Фонд исследования происхождения жизни (The Origin-of-Life Foundation, Inc.) объявил конкурс на лучшую гипотезу о спонтанном возникновении механизма передачи наследственной информации, достаточного для возникновения жизни. Победители конкурса будут получать по 50 тыс. долларов ежегодно в течение 20 лет. В тему конкурса входят гипотезы абиогенеза, самовоспроизведения, самоорганизации, возникновения пробионтов и протоклеток, проблемы гомохиральности, коэволюции и множество других частных задач, связанных с основной проблемой.

В стратегический план NASA (США) входят всего три миссии: исследование и защита Земли, исследование вселенной и поиски жизни, подготовка нового поколения исследователей. Один из проектов этой организации называется «Origins» и включает изучение проблемы происхождения жизни и поиски ее на других планетах.

Процессы, приведшие к возникновению ионной и хиральной асимметрий в ходе геохимической эволюции, идут и в современных условиях. Следствием этого является то, что некоторые вещества, в частности, не свойственные природным экосистемам, могут накапливаться в различных их частях и влиять на их устойчивость. Так, например, для антропогенных загрязнений экосистем антиподами естественных стереоизомеров хиральных веществ механизмы деградации обычно отсутствуют, что может приводить к их накоплению и переносу на значительные расстояния. Это - новая проблема, без эффективного решения которой возможны экологические кризисы с непредсказуемыми последствиями.

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы было выявление и изучение физико-химических факторов, обусловивших возникновение ионной и хиральной асимметрий в ходе предбиологической эволюции и сохранение этих асимметрий в живых системах.

В ходе работы были поставлены следующие задачи:

• исследование физико-химических механизмов поддержания ионного гомеостаза в живых системах, построение моделей одноионного канала и Na-Hacoca клеточных мембран;

• исследование роли внутримембранных взаимодействий и самоорганизации мембран в обеспечении ионного гомеостаза клетки;

• теоретическое описание кинетики ферментативной реакции с явным учетом медленных стадий конформационных перестроек фермента;

• разработка макроскопического аналога Ыа-насоса -параметрического насоса, осуществляющего разделение ионов натрия и калия в макроскопических системах;

• формирование общих представлений о гомохиральности белков и нуклеиновых кислот как основы сопряжения важнейших процессов жизнедеятельности клетки;

• выявление природных систем, в которых возможны процессы, приводящие к нарушению симметрии в распределении ионов и энантиомеров хиральных соединений между их подсистемами, и изучение их физических характеристик;

• изучение эффектов фракционирования ионов и энантиомеров хиральных соединений на неравновесных границах раствор-воздух (океан-атмосфера);

• теоретическое описание процессов фракционирования ионов и энантиомеров хиральных соединений в неравновесном тонком поверхностном слое раствора;

• развитие представлений об экологической безопасности с учетом природных процессов перераспределения ионов и энантиомеров хиральных соединений в гетерогенных системах.

Достоверность полученных результатов исследований и обоснованность положений, выводов и рекомендаций подтверждается адекватностью использованных экспериментальных подходов и методик, соответствием следствий теоретических описаний наблюдаемым в экспериментах и естественных условиях явлениям и процессам.

Научная новизна теоретических подходов и полученных результатов состоит в следующем.

Впервые в едином рассмотрении выполнено теоретическое и экспериментальное исследование физико-химических факторов, обусловивших возникновение двух фундаментальных асимметрий в живых системах - хиральной (аминокислоты, углеводы, липиды) и ионной - в ходе предбиологической эволюции.

Предложена, разработана и экспериментально обоснована новая гипотеза, касающаяся происхождения жизни на Земле, согласно которой возникновение исходно термодинамически неравновесных дискретных предшественников живых клеток обусловлено физико-химическими процессами в неравновесном тонком поверхностном слое мирового океана, образующемся в результате тепломассообмена между океаном и атмосферой. Экспериментально показано, что повышение концентраций солей в неравновесном тонком поверхностном слое раствора сопровождается изменением их относительных концентраций (фракционированием): поверхностный слой обогащается ионами калия и кальция относительно ионов натрия и магния, а также одним из энантиомеров рацемической смеси аминокислот или Сахаров.

Впервые показано, что устойчивость границы раздела раствор-воздух в сильных неоднородных электрических полях коррелирует с величинами энтальпии гидратации катионов. На основании изучения характеристик разряда между воздушным электродом и поверхностью раствора в различных условиях предложена феноменологическая модель фракционирования ионов в неравновесном тонком поверхностном слое раствора.

Показано, что при наличии на поверхности морской воды монослоя амфифильных молекул, например, липидов, разрушение воздушных пузырей у поверхности воды приводит к образованию аэрозольных капель, покрытых слоем амфифила и содержащих компоненты раствора, сконцентрированные в тонком поверхностном слое океана. Таким образом могли возникнуть предшественники клетки с асимметричным и неравновесным распределением катионов между внутренней и внешней средами, а также хиральной поляризацией состава аминокислот и углеводов. Обнаружено сопряжение процессов перераспределения катионов натрия и калия и энантиомеров аминокислоты (лейцина) в неравновесном тонком поверхностном слое раствора. Общность механизмов и сопряжение процессов перераспределения ионов и энантиомеров хиральных веществ в тонком поверхностном слое раствора предопределила ионный состав и хиральную поляризацию внутренней среды предшественников клеток, образовавшихся на границе раздела океан-атмосфера, и в ходе предбиологической эволюции привела к общим для всех живых систем ионной и хиральной асимметриям. С использованием кинетической модели Франка, описывающей спонтанное нарушение хиральной симметрии в химических реакциях, показано, что эффекты хиральной поляризации в тонком поверхностном слое достаточны для формирования хирально чистых предшественников клеток.

Совместно с коллективом исследователей разработан и экспериментально реализован новый метод изучения соотношения концентраций энантиомеров хиральных соединений (аминокислот и углеводов) в тонком поверхностном слое водного раствора по характеристикам второй оптической гармоники, генерируемой при отражении лазерного излучения от границ разделов фаз. С помощью этого метода показано, что энантиомеры аминокислот и углеводов неравномерно распределяются между тонким поверхностным слоем и объемной фазой раствора.

Предложена универсальная молекулярная модель ион-транспортных систем клеток - ионных насосов и каналов, позволяющая учесть влияние белково-липидных взаимодействий и флексоэлектрического эффекта, обусловленного деформацией липидного бислоя при конформационных перестройках мембраносвязанного белка. С использованием этой модели рассмотрено функционирование Na-Hacoca плазматических мембран клеток. Развита теория параметрического разделения ионов в модельных системах, а также параметрическая теория Na-Hacoca. В численных экспериментах продемонстрировано существенное изменение структуры и ионной специфичности мембранных каналов при полной замене L-аминокислотных остатков на их D-энантиомеры.

Развита модель Дещеревского-Сидоренко, описывающая кинетику реакций с учетом медленных конформационных изменений ферментов. Полученное уравнение для скорости реакции позволяет описывать практически все типы ферментативных реакций (в пределе это уравнение сводится к эмпирическому уравнению Каменского-Подрабинека) и учитывать влияние на скорость реакции различных внешних воздействий.

Развиты новые представления о хиральной безопасности биосферы. Биосфера сталкивается с мощным потоком хиральных соединений, формируемым химической, перерабатывающей, фармацевтической, аграрной, пищевой промышленностью. Эффективное использование одних энантиомеров в медицине или агрокомплексе сопровождается токсическим и даже мутагенным действием их зеркальных энантиоморфов. Отсутствие системы глобального биосферного мониторинга и регламентирующих норм ПДК для хиральных соединений, не утилизируемых биосферой или промышленностью, в условиях антропогенного пресса приводит к их неконтролируемому накоплению в окружающей среде и может иметь непредсказуемые последствия.

Предложена нелинейная математическая модель утилизации хиральных соединений бактериями в поверхностном водном слое, выявляющая автоволновой режим работы «двумерного реактора» и позволяющая в перспективе управлять процессом утилизации поллютанта.

Практическая значимость работы. Теоретические и экспериментальные результаты работы могут найти практическое применение в следующих областях:

• при разработке новых методов диагностики поверхности океана;

• при изучении механизмов воздействия различных физико-химических факторов на биологические системы, в частности, при выяснении особенностей действия хиральных фармакологических препаратов, инсектицидов и гербицидов и при их разработке;

• при разработке методов разделения смесей веществ;

• при разработке новых методов очистки окружающей среды от антропогенных загрязнений;

• при разработке норм экологической безопасности с учетом перераспределения антропогенных хиральных загрязнений биосферы; а также как материалы в курсах лекций по биофизике, биохимии, молекулярной биологии, фармакологии, экологии для студентов соответствующих специальностей. Основные положения, выносимые на защиту:

1. Ионная и хиральная асимметрии биологических систем возникли в ходе предбиологической эволюции при формировании предшественников клеток в результате общих процессов на неравновесных границах разделов фаз океан-атмосфера-литосфера.

2. Формирование бислойных липидных мембран у пробионтов обеспечило необходимое разделение фаз и образование дискретных элементов эволюционирующих предбиологических систем, а также возникновение дополнительных факторов селективного преимущества, обусловленных электро-механо-химическим сопряжением неравновесных процессов в мембранах, которые в ходе эволюции привели к формированию систем обеспечения гомеостаза у современных клеток.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 82 печатные работы, из них в рецензируемых журналах по списку ВАК 20, в международных рецензируемых журналах 5, монография 1, статьи в других журналах, изданиях и тематических сборниках 21, в материалах конференций 35.

Заключение диссертации по теме «Биофизика», Яковенко, Леонид Владимирович

выводы

1. Распределение ионов и энантиомеров изученных хиральных соединений между объемной фазой и неравновесным тонким поверхностным слоем раствора соответствует характерным для живых систем ионной и хиральной асимметриям и фиксируется при образовании аэрозоля. Формирование замкнутых липидных везикул из аэрозольных капель могло привести к возникновению предшественников клеток.

2. Формирование бислойных липидных мембран у пробионтов обеспечило необходимое разделение фаз и образование дискретных элементов эволюционирующих предбиологических систем, а также возникновение дополнительных факторов селективного преимущества, обусловленных электро-механо-химическим сопряжением неравновесных процессов в мембранах, которые в ходе эволюции привели к формированию систем обеспечения гомеостаза у современных клеток.

3. Разработанный и экспериментально реализованный принцип параметрического разделения компонентов физико-химических систем играл существенную роль в обеспечении условий возникновения пробионтов, а затем в под держании ионного гомеостаза клеток.

4. Ионная и хиральная асимметрии между тонким поверхностным слоем и объемной фазой раствора сформировались не независимо. Обогащение неравновесного тонкого поверхностного слоя раствора ионами калия способствовало увеличению его хиральной поляризации.

5. На ранних стадиях геохимической эволюции Земли на неравновесных границах раздела океан-атмосфера, океан-атмосфера-литосфера реализовались физико-химические условия, необходимые и достаточные для возникновения пробионтов. На всех стадиях эволюции предшественников клеток, включая появления хирально чистых систем, действовали факторы селективного преимущества именно для тех систем, эволюция которых привела к возникновению клеток.

6. Разработанные и экспериментально реализованные новые методы изучения перераспределения молекул энантиомеров хиральных соединений (аминокислот и углеводов) в тонком поверхностном слое раствора по оптическим свойствам второй гармоники лазерного излучения, а также с помощью отбора проб пены, сформированной на поверхности раствора в неравновесных условиях, позволили получить новые данные о перераспределении компонентов системы между тонким поверхностным слоем и объемной фазой раствора и могут быть использованы для мониторинга загрязнений поверхностного слоя океана.

7. Разработан новый подход к экологической безопасности с учетом процессов перераспределения ионов и энантиомеров хиральных соединений в природных гетерогенных системах.

Автор с искренней признательностью выражает глубокую благодарность сотрудникам кафедры биофизики физического факультета А.К. Кукушкину,

B.И. Лобышеву, Т.А. Преображенской, Э.К. Рууге, М.К. Солнцеву,

C.В. Тульскому, С.Э. Шнолю и особенно В.А. Твердислову за их участие в моем обучении в университете, а в последующем за внимание к моей работе, помощь, как советом, так и непосредственным участием на разных ее этапах. Искренне благодарю сотрудников кафедры Ф.И. Атауллаханова,

A.А. Бутылина, П.С. Иванова, В.Н. Леонову, А.Н. Тихонова, Г.Б. Хомутова за дружеское отношение и помощь в работе на протяжении многих лет. Я признателен молодым сотрудникам кафедры А.Н. Сергееву-Черенкову, Е.Ю. Романовой, Т.В. Юровой, а также студентам и аспирантам кафедры за стремление сохранить на кафедре биофизики дружественную и теплую атмосферу, значительно способствующую научной работе, и за помощь и участие в работе в разные годы. Выражаю также глубокую благодарность Г.Г. Хунджуа, Е.В.Караваевой, Е.Г.Андрееву, А.П. Шкуринову и другим сотрудникам физического факультета в значительной мере способствовавшим выполнению настоящей работы на разных ее стадиях. Я благодарен профессорам А.А. Болдыреву, В.А. Аветисову, Е.Б. Бурлаковой,

B.В. Асееву, A.M. Рубцову, О.Д. Лопиной, А.В. Дмитриеву, всем своим многочисленным друзьям в университете и других научных учреждениях, перечислить которых здесь поименно нет возможности, за внимательное и уважительное отношение к развивавшимся в ходе работы идеям, дружескую критику и советы, а также руководству физического факультета Московского университета им. М.В. Ломоносова за многолетнюю всестороннюю поддержку выполненного исследования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. НЕОБХОДИМЫЕ И ДОСТАТОЧНЫЕ УСЛОВИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ИОННОЙ И ХИРАЛЬНОЙ АСИММЕТРИИ В ХОДЕ ПРЕДБИОЛОГИЧЕСКОЙ

ЭВОЛЮЦИИ

Проблема происхождения жизни - одна из самых сложных в теоретической биологии. Рассмотренные в настоящей работе подходы к ее решению, данные наблюдений, результаты экспериментов, гипотезы охватывают лишь очень малую ее часть - только часть вершины айсберга. Скудность фактических данных и обилие спекуляций делают обобщения в этой области крайне неустойчивыми, способными рассыпаться при появлении новых, даже незначительных фактов.

Приведенные в настоящей работе экспериментальные результаты и теоретические модели свидетельствуют, что высказанная ранее гипотеза о спонтанном возникновении жизни в результате необратимых процессов в поверхностном слое океана в тех местах, где было достаточное количество абиогенно синтезированных органических соединений и где другие стадии предбиологической эволюции также могли иметь место, является вполне обоснованной. Последовательность событий, приведших к возникновению предшественников протоклетки могла бы быть следующей: абиогенный синтез органических соединений, включая нуклеиновые основания, аминокислоты и липидоподобные молекулы; образование и эволюция бинарных протоферментных глобул с гетерохиральной комплементарностью их компонентов; этот процесс мог происходить в тех участках поверхности первичного океана, коорые содержали хирально чистые компоненты и были обогащены калием, кальцием и магнием; захват бинарных протоферментных глобул, способных к самовоспроизведению, везикулами с бислойной липидной мембраной, образовавшимися из капель аэрозоля; дальнейший захват (и синтез) биологически важных макромолекул протоклетками.

Преимущества развиваемой модели перед существующими состоят в следующем:

1) возникновение протоклеток с соответствующим распределением ионов происходит в результате естественного процесса формирования морского аэрозоля, который происходит столько времени, сколько существует океан;

2) предшественники клетки, будучи достаточно стабильными, могли легко включать в себя абиогенно образовавшиеся биологически важные молекулы и их комплексы, которые могли эволюционировать до тех пор независимо;

3) предшественник клетки мгли обеспечивать захваченным биомолекулярным комплексам хирально чистую среду с подходящим ионным составом, что могло давать таким комплексам преимущество с точки зрения кинетики, а следовательно и эволюции;

4) асимметричное (неравновесное) распределение ионов между липосомой и окружением могло служить первичным источником свободной энергии для протоклетки, а также для контроля за целостностью ее мембраны;

5) альтернативным источником энергии могли быть фоотопроцессы с участием неорганических полупроводниковых частиц, захваченных протоклеткой при ее образовании.

Хорошо известно, что в случае неравновесных фазовых переходов в системе «водный раствор - лед» генерируются очень сильные элетрические поля и наблюдается значительное фракционирование ионов [124]. Поэтому можно предполагать, что процессы образования везикул, сходные с описанными выше, могли бы происходить и при замерзании морской воды и последующем таянии образовавшегося льда. Однако предположение, что жизнь спонтанно возникла в полярных районах Земли (которые, к тому же, образовались значительно позже океана), а не в тропиках, кажется менее привлекательным.

Список литературы диссертационного исследования доктор физико-математических наук Яковенко, Леонид Владимирович, 2006 год

1. Кастлер Г. Возникновение биологической организации. Пер. с англ. Под ред J1.A. Блюменфельда. // М.: Мир, 1967, 90 с.

2. Шредингер Э. Что такое жизнь? С точки зрения физика. // М.: Атомиздат, 1972, 88 с.

3. Блюменфельд J1.A. Проблемы биологической физики. Изд. 2-е. //М.: Гл. ред. физ.-мат. лит.изд-ва «Наука», 1977,336 с.

4. Чернавский Д.С. Проблемы происхождения жизни и мышления с точки зрения современной физики. // УФН. 2000, т. 170, №2, с. 157-183.

5. Заварзин Г.А. Недарвиновская область эволюции. // Вестн. РАН. 2000, т. 70, №5, с. 403-411.

6. Заварзин Г.А. Становление биосферы. // Вестн. РАН. 2001, т. 71, № 11, с. 988-1001.

7. Расе N.R. Origin of life facing up to the physical setting. // Cell. 1991, v. 65, p. 531-533.

8. Эйген M., Шустер П. Гиперцикл. Принципы самоорганизации макромолекул. // М.: Мир, 1982,270 с.

9. Martienssen R.A., Colot V. DNA methylation and epigenetic inheritance in plants and filamentous fungi. // Science. 2001, v. 293, No. 5532, p.1070-1074.

10. Jenuwein Т., Allis C.D. Translating the histone code. // Science. 2001, v. 293, No. 5532, p. 1074-1080.

11. Лима-деФариа А. Эволюция без отбора. Автоэволюция формы ифункции. //М.: Мир, 1991, 455 с.

12. Volkenstein M.V. Physical approaches to biological evolution. // Berlin, Heidelberg, New York, London, Paris, Tokyo, Hong Kong, Barcelona, Budapest: Springer Verlag, 1994, 399 p.

13. Романовский Ю.М., Степанова H.B., Чернавский Д.С. Математическая биофизика. // М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1984, 304 с.

14. Меклер Л.Б. Общая теория биологической эволюции. Новый подход к старой проблеме. // Ж. Всес. хим. об-ва им. Д.И. Менеделеева. 1980, т. 25, с. 333-344.

15. Титаев А.А. Эволюция органических соединений на Земле. От углерода до биополимеров. // М. Наука. 1974.143 с.

16. Дорофеева В.А., Макалкин А.Б. Эволюция ранней солнечной системы. Космохимические и физические аспекты. // М.: Едиториал УРСС, 2004.264 с.

17. Введение в мембранологию. Под ред. А.А. Болдырева. // М.: Изд-во МГУ, 1990,208 с.

18. Твердислов В.А., Тихонов А.Н., Яковенко JI.B. Физические механизмы функционирования биологических мембран. // М.: Изд-во МГУ, 1987,189 с.

19. Wilhelm R.H. Parametric pumping a model for active transport. // In: Intracellular transport. Ed. K.B.Warren. Symposium of International Society for Cell Biology. N.Y.-London: Acad. Press. 1966, v. 5, p. 199220.

20. Wilhelm R.H., Rice A.W., Rolke R.W., Sweed N.H. Parametric pumping -a dynamic principle for separating fluid mixtures. // Ind. Eng. Chem. Fundamentals. 1968, v. 7, No 3, p. 337-349.

21. Намиот B.A., Яковенко JI.B., Ходоров Б.И. Реконструкция энергетических барьеров и их флуктуаций в модели одноионного канала. // Биофизика, 1988, т. 33, №2, с. 303-309.

22. Справочник по специальным функциям. Под ред. М.Абрамовича и И.Стиган. // М.: Наука, Гл. ред физ-мат. лит., 1979, 832 с.

23. Антонов В.Ф., Черныш A.M., Пасечник В.И., Вознесенский С.А., Козлова Е.К. Биофизика. // М.: Арктос-Вика-пресс, 1996, 256 с.

24. Чернавский Д.С., Чернавская Н.М. Белок-машина. Биологические макромолекулярные конструкции. // М.: Изд-во МГУ, 1999,248 с.

25. Чизмаджев Ю.А., Пастушенко В.Ф., Блюменфельд JI.A. О динамической теории ферментативного катализа. // Биофизика. 1976, т. 21, вып. 2, с. 208-213.

26. Болдырев А.А. №,К-зависимая АТФаза как олигомерная система. // В сб.: Итоги науки и техники. Биологическая химия. Т. 17, с. 75-146. М.: ВИНИТИ, 1982, 282 с.

27. Твердислов В.А., Яковенко JI.B., Резаева М.Н. Механизм сопряжения транспорта ионов и гидролиза АТФ в Na-Hacoce. // Молекулярная биология, 1979, т. 13, №2, с. 377-382.

28. Твердислов В.А., Яковенко JI.B. Принцип параметрического разделения ионов в молекулярной модели натриевого насоса. // Биофизика, 1980, т. 25, №5, с. 815-820.

29. De Ortiz C.Z. The selective permeability of sodium and potassium channels in nerve: orbital control hypothesis. // J. Theor. Biol. 1979, v. 78, p. 1-10.

30. Albers R.W. Biochemical aspects of active transport. // Annu. Rev. Biochem. 1967, v. 36, p. 727-756.

31. Post R.L., Toda G., Rogers F.N. Phosphorylation by inorganic phosphate of sodium plus potassium ion transport adenosine triphosphatase. Fourreactive states. // J. Biol. Chem. 1975, v. 250, No. 2, p. 691-701.

32. Блюменфельд Jl.A. О некоторых физических аспектах внутриклеточной трансформации энергии. // Биофизика. 1976, т. 21, вып. 5, с. 946-957.

33. Blumenfeld L.A., Tikhonov A.N. Biophysical thermodynamics of intracellular processes. Molecular machines of the living cell. Springer-Verlag, 1993.

34. Блюменфельд Jl.A., Гросберг А.Ю. Парадокс Гиббса и понятие конструкции системы в термодинамике и статистической физике. // Биофизика. 1995, т. 40, №3, сю 660-666.

35. Blumenfeld L.A., Grosberg A.Yu., Tikhonov A.N. Fluctuations and mass action law breakdown in statistical thermodynamics of small systems. // J. Phys. Chem. 1991, v. 95, p. 7541-7547.

36. McClare C.W.F. Chemical machines? Maxwell's demon and living organisms. //J. Theor. Biol. 1971, v. 30, p. 1-34.

37. McClare C.W.F. A «molecular energy» muscle model. // J. Theor. Biol. 1972, v. 35, p. 569-595.

38. Блюменфельд Jl.A. Решаемые и нерешаемые проблемы биологической физики. // М.: Едиториал УРСС, 2002, 160 с.

39. Whittam R., Chipperfield A.R. The reaction mechanism of the sodium pump. //Biochim. Biophys. Acta. 1975, v. 415, No. 2, p. 149-171.

40. Jardetzky O. Simple allosteric model for membrane pumps. // Nature. 1966, v. 211, p. 969-970.

41. Petrov A.G., Tverdislov V.A., Derzhanski A. Flexoelectric aspects of lipid-protein interaction in biomembranes. // Ann. Phys. 1978, v. 3, No. 2-3-4, p. 273-274.

42. Де Жен П. Физика жидких кристаллов. // М.: Мир, 1977,400 с.

43. Rich Т.С., Fagan К.А., Nakata Н., Schaack J., Cooper D.M.F., Karpen J.W. Cyclic nucleotide-gated channels colocalize with adenylyl cyclase in regions of restricted cAMP diffusion. // J. Gen. Physiol. 2000, v. 116, p. 147-161.

44. Gruler H., Sackmann E. Long range protein-protein interaction in membranes. // Croatica Chem. Acta. 1977, v. 49, No. 2, p. 379-388.

45. Намиот В.А. Дальнодействующие взаимодействия между макромолекулами в упорядоченных средах. // Биофизика. 2003, т. 48, №3, с. 389-399.

46. Намиот В.А. Дальнодействующие взаимодействия между макромолекулами, введенными в смектический жидкий кристалл. // Биофизика. 2003, т. 48, №5, с. 937-939.

47. Markin V.S., Tsong Т.Y. Reversible mechanosensitive ion pumping as apart of mechanoelectrical transduction. // Biophys. J. 1991, v. 59, p. 1317-1324.

48. Markin V.S., Sachs F. Thermodynamics of mechanosensitivity. // Phys. Biol. 2004, v. 1, No. 1-2, p. 11-124.

49. Гианик Т., Квасничка П., Твердислов В.А. О взаимодействии макромолекул в двумерной среде. // Биофизика. 1986, т. 31, №3, с. 533-534.

50. Тимирязев А.К. Введение в теоретическую физику. // M.-JI.: ГТГИ, 1933,440 с.

51. Felderhof B.U. Dynamics of free liquid films. // J. Phys. Chem. 1968, v. 49, No. l,p. 44-51.

52. Miller I.R. Energetics of fluctuation in lipid bilayer thicknes. // Biophys. J. 1984, v. 45, p. 643-646.

53. Maldarelli C., Jain R.K., Ivanov I.B., Ruckenstein E. Stability of symmetric and unsymmetric thin liquid films to short and long wavelength perturbations. // J. Colloid and Interface Sci. 1980, v. 78, p. 118-143.

54. Ивков В.Г., Берестовский Г.Н. Динамическая структура липидного бислоя. II Мл Наука, 19816 296 с.

55. Helfrich W. Elastic properties of lipid bilayers: theory and possible experiments. // Z. Naturforsch. 1973, В. C28, S. 693-703.

56. Kim K.S., Neu J., Oster G. Curvature-mediated interactions between membrane proteins // Biophys. J. 1998, v. 75, p. 2274-2291.

57. Park J.-M., Lubensky T.C. Interactions between membrane inclusions on fluctuating membranes. // Journal de Physique 1.1996, v. 6, p. 1217-1235.

58. Rich T.C., Fagan K.A., Nakata H., Schaack J., Cooper D.M.F., Karpen J.W. Cyclic Nucleotide-gated Channels Colocalize with Adenylyl Cyclase in Regions of Restricted cAMP Diffusion // J. Gen. Physiol. 2000, v. 116, p. 147-161.

59. Hladky S.B., Gruen D.W.R. Thickness fluctuations in black lipid membranes. Biophys. J. 1982, v. 38, p. 251-258.

60. Petrov A.G., Pavloff Y.V. A new model for flexoelectric polarization of bilayer membranes at blocked «flip-flop». // Journal de Physique. 1979, Colloque C3, suppl. au no. 4, T. 40, p. C3-455-C3-457.

61. Кадочникова B.B., Яковенко JI.B. Режимы функционирования ансамбля дискретных активных элементов в мембране. // Биофизика, 1995, т. 40, №3, с. 563-568.

62. Eyring Н., Eyring Е.М. Modern chemical kinetics. // New York, London: Reynhold, 1963,114 p.

63. Курганов Б.И. Аллостерические ферменты. // M.: Наука, 1978,248 с.

64. Шайтан К.В., Рубин А.Б., Чернавский Д.С. Кинетика конформационных переходов в белках. // Биофизика. 1985, т. 30, №1, с. 31-35.

65. Хургин Ю.И., Чернавский Д.С., Шноль С.Э. Молекула белка-фермента как механическая система. // Мол. биол. 1967, т. 1, с. 419-426.

66. Сидоренко Н.П., Дещеревский В.И. Обобщенная форма кинетическихуравнений ферментативного катализа как следствие учета релаксации белковой макромолекулы. // Биофизика. 1970, т. 15, №5, с. 785-792.

67. Блюменфельд J1.A. Об элементарном акте ферментативного катализа. // Биофизика. 1972, т. 17, вып. 5, с. 954-959.

68. Блюменфельд J1.A., Тихонов А.Н. Возможный механизм образования АТФ в энергопреобразующих биологических мембранах. // Биофизика. 1987, т. 32, вып. 5, с. 800-815.

69. Бурлакова Е.Б., Конрадов А.А., Мальцева E.J1. Сверхслабые воздействия химических соединений и физических факторов на биологические системы. // Биофизика. 2004, т. 49, №3, с. 551-564.

70. Блюменфельд JI.A. Параметрический резонанс как возможный механизм действия сверхмалых концентраций биологически активных веществ на клеточном и субклеточном уровнях. // Биофизика. 1993, т. 38, №1, с. 129-132.

71. Лобышев В.И., Твердислов В.А., Фогель Ю., Яковенко Л.В. Активирование Ка,К-АТФазы малыми концентрациями D20, ингибирование большими. // Биофизика, 1978, т. 23, №2, с. 390-391.

72. Лобышев В.И., Фогель Ю., Яковенко Л.В., Резаева М.Н. D20 как модификатор ионной специфичности Ка,К-АТФазы. // Биофизика, 1982, т. 27, №4, с. 595-603.

73. Твердислов В.А., Клейменов А.Н., Яковенко Л.В. Параметрическое разделение ионов возможный принцип активного транспорта. // Биофизика. 1973, т. 18, №2, с. 251-257.

74. Яковенко Л.В., Салов Д.В., Твердислов В.А. Принцип параметрического разделения компонентов жидких смесей в периодических полях. // В сб.: Нелинейные явления в открытых системах. С. 67-78. М.: ГосИФТП, 1995.

75. Гельферих Ф. Иониты. //М.: ИЛ, 1962,490 с.

76. Бурбаев Д.Ш., Блюменфельд Л.А. // Биофизика. 1986, т. 29, №3, с. 506

77. Блюменфельд J1.A., Плешанов П.Г. Одиночные циклы прямой и обратной ферментативной реакции на примере малатдегидрогеназы. // Биофизика. 1986, т. 31, №5, с. 760-763.

78. Блюменфельд Л.А., Плешанов П.Г. Биофизика. 1990, т. 35, №1, с. 16082. Блюменфельд Л.А., НамиотВ.А., Яковенко Л.В. Конформационнаярелаксация белковой глобулы после быстрого локального возмущения. // Биофизика, 1986, т. 31, №4, с. 572-577.

79. Ермаков С.М., Михайлов Г.А. Статистическое моделирование. // М.: Наука, 1982,296 с.

80. Нейман Дж фон. Теория самовоспроизводящихся автоматов. // М.: Мир, 1971,326 с.

81. Тремийон Б. Разделение на ионообменных смолах. // М.: Мир, 1967, 431 с.

82. Синицын А.П., Ларионова Т.Б., Яковенко Л.В., БерезинИ.В. Ферментативный гидролиз целлюлозы в электрическом поле. // Доклады АН СССР, 1987, т. 293, №2, с. 481-484.

83. Синицын А.П., Ларионова Т.Б., Яковенко Л.В. Адсорбция целлюлаз и ферментативный гидролиз целлюлозы в электрическом поле. // Биотехнология, 1988, т. 4, №4, с. 476-486.

84. Синицын А.П., Ларионова Т.Б., Яковенко Л.В., Твердислов В.А. Способ ферментативного осахаривания целлюлозы и устройство для его осуществления. // Авторское свидетельство №1381995 (А) от 15.11.87 с приоритетом от 18.06.86.

85. Хунджуа Г.Г., Гусев A.M., Андреев Е.Г., Гуров В.В., Скорохватов Н.А. О структуре поверхностной холодной пленки океана и теплообмене с атмосферой. // Известия АН СССР, ФАО. 1977, т. 13, №7, с. 753-758.

86. Хунджуа Г.Г., Твердислов В.А., Аксенов В.Н., Андреев Е.Г., Вытяганец В.Ю., Караваева Е.В., Нелепо А.Б., Романченко А.Н.

87. Зайцев Ю.П. Жизнь морской поверхности. // Киев, Наукова Думка, 1974,108 с.

88. Савенко B.C. Химия водного поверхностного микрослоя. // JL: Гидрометеоиздат, 1990, 180 с.

89. Безбородов А.А., Еремеев В.Н. Физико-химические аспекты взаимодействия океана и атмосферы. // Киев: Наукова Думка, 1984, 192 с.

90. Хентов В.Я. Физико-химия капельного уноса. // Ростов-на-Дону: Изд-во Рост, ун-та, 1979,127 с.

91. Морозов Л.Л. Несохраняющаяся четность в молекулярном мире организмов // Природа. 1977, №1, с. 32-45.

92. Гольданский В.И., Кузьмин В.В. Спонтанное нарушение зеркальной симметрии в природе и происхождение жизни. // Усп. физич. наук. 1989, т. 157, №1, с. 3-50.

93. Аветисов В.А., Гольданский В.И. Физические аспекты нарушения зеркальной симметрии биоорганического мира. // Усп. физич. наук. 1996, т. 166, №8, с. 873-891.

94. Потапов В.М. Стереохимия. Изд. 2-е. // М.: Химия, 1988,464 с.

95. Кривдин Л.Б. Оптическая изомерия в биохимии. // Сорос, образ, журн. 2001, т. 7, №11, с. 32-38.

96. Кантор Ч., Шиммел П. Биофизическая химия. В 3-х т. Пер. с англ. // М.: Мир, 1984.

97. Элиот В., Элиот Д. Биохимия и молекулярная биология. // М.: МАИК Наука/Интерпериодика, 2002,444 с.

98. Woese C.R. Bacterial evolution. // Microbiol. Revs. 1987, v. 51, No. 2,p. 221-271.

99. Кабачник М.И., Морозов JI.Л., Федин Э.И. Переходы порядок-беспорядок в растворах оптических антиподов и условия разделения рацематов при кристаллизации. Квазихимическое рассмотрение. // ДАН СССР. 1976, т. 120, №5, с. 1135-1138.

100. Оро Дж. Этапы и механизмы предбиологического органического синтеза. В сб: Происхождение предбиологических систем. Пер. с англ. Под ред. А.И. Опарина. С. 144-177. //М.: Мир. 1966, 462 с.

101. Шноль С.Э. Физико-химические факторы биологической эволюции. // М.: Наука, 1979,261 с.

102. Wong J.T. A coevolution theory of the genetic code. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1975, v 72, p. 1909-1912.

103. Di Giulio M. The coevolution theory of the origin of the genetic code. // Phys. of Life Rev. 2004, v. 1, p. 128-137.

104. Smith J.V. Biochemical evolution. I. Polymerization on internal, organophilic silica surfaces of dealuminated zeolites and feldspars. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1998, v. 95, p. 3370-3375.

105. Baily M.J. RNA-directed amino acid chirality. // FASEB J. 1998, v. 12, p. 503-507.

106. Katsaros K.B., Liu W.T., Businger J.A., Tillman J.A. Heat transport and thermal structure of the interfacial boundary layer measured in an open tank of water in turbulent free convection. // J. Fluid Mech. 1977, v. 83,part 2.

107. Гинзбург А. И., Дикарев С. И., Зацепин А. Г., Федоров К. Н. Феноменологические особенности конвекции в жидкости со свободной поверхностью // Изв. АН СССР. ФАО. 1981, т. 21, №4, с. 100-107.

108. Гинзбург А.И., Федоров К.Н. Охлаждение воды с поверхности при свободной и вынужденной конвекции. // Изв. АН СССР, ФАО. 1978, т. 14, №1.

109. Гинзбург А.И., Федоров К.Н. Термическое состояние пограничного слоя охлаждающейся воды при переходе от свободной конвекции к вынуденной. // Изв. АН СССР, ФАО. 1978, т. 14, №7.

110. Буравцев В. Н. Периодический фазовый переход в растворе аммиака // Журн. физ. химии. 1983, т. 57, с. 1822-1824.

111. Буравцев В.Н., Васильев В.А., Маломед Б.А. Теория периодического фазового перехода в растворе // Журн. физ. химии. 1984, т. 58, №41, с. 827-832.

112. Buravtsev V. N., Botin A. S., Malomed В.А. The autowave phenomena on the surface of crystallizing solution // In: Self-Organization. Autowaves and structures far from equilibrium. Ed. V. Krinsky. Springer-Verlag, 1984. P. 59-63.

113. Твердислов B.A., ЯковенкоЛ.В. Электрические эффекты в интерфазном осцилляторе Буравцева. // В сб.: Нелинейные явления в открытых системах. М.: ГосИФТП, 1995, с. 59-66.

114. Хакен Г. Синергетика. Иерархии неустойчивостей в самоорганизующихся системах и устройствах. //М.:Мир. 1985, 419 с.

115. Теорелл Т. Явления возбудимости на искусственных мембранах // Вопросы биофизики. // М.: Мир, 1964, с. 29-48.

116. Kawakubo Т., Fukunaga К. A model simulation of self-sustained electrical oscillation across a water/oil inteiface // Ferroelectrics. 1988, v. 86, p. 257267.

117. Заикин А. Н. Автоколебания и автоволны в модели интерфазного осциллятора Буравцева // Журн. физ. химии. 1989, т. 63, №2, с. 483-486.

118. Мельникова А. М. Разделение зарядов при кристаллизации // Кристаллография. 1970, т. 14, №3, с. 548-563.

119. Пригожин И., Кондепуди Д. Современная термодинамика. От тепловых двигателей до диссипативных структур. Пер. с англ. // М.: Мир, 2002,461 с.

120. Pohl Н.А. Some effects of nonuniform fields on dielectrics. // J. Appl. Phys. 1958, v.29,p.l 182-1188.

121. Мищенко К.П., Полторацкий Г.М. Вопросы термодинамики и строения водных и неводных растворов электролитов. // М.: Химия, 1968.352 с.

122. Яковенко Л.В., Твердислов В.А. Поверхность Мирового океана и физические механизмы предбиологической эволюции. // Биофизика. 2003, т. 48, №6, с. 1137-1146.

123. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. Теоретическая физика. Т. 6. ИМ., Наука. 1986.

124. Pollack G.H. Cells, gels, and engines of life. A new, unifying approach to cell function. // Seattle: Ebner and Sons Publishers, 2001.320 p.

125. Аксенов С.И. Вода и ее роль в регуляции биологических процессов. // Москва, Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2004, 212 с.

126. Kimmel G.A., Petrik N.G., Dohnalek Z. Crystalline ice growth on Pt(l 11): observation of a hydrophobic water monolayer. // Phys. Rev. Lett. 2005, v. 95, p. 166102.

127. Toba Y. Drop production by bursting of air bubbles on the sea surface. // J. Meteorol. Soc. Japan. 1962, v. 40, p. 13-17.

128. Смирнов A.H., Лапшин В.Б., Балышев A.B., Лебедев И.М., Гончарук В.В., Сыроешкин А.В. Структура воды: гигантские гетерофазные кластеры воды // Химия и технология воды. 2005, т. 27, №2, с. 111-137.

129. Смирнов А.Н., Сыроешкин А.В. Супранадмолекулярные комплексы воды. // Росс. Хим. Ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева). 2004, т. 48, №2, с. 125-135. .

130. Аксенов С.И. Вода и ее роль в регуляции биологических процессов. // Москва, Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2004,212 с.

131. Зацепина Г.Н. Физические свойства и структура воды. // М.: Изд-во Моск. ун-та, 1998, 185 с.

132. Самойлов О.Я. Структура водных растворов электролитов и гидратация ионов. //М.: Изд-во АН СССР, 1957,182 с.

133. Твердислов В.А., Кузнецова М.Р., Яковенко Л.В. Хиральная селективность неравновесной границы раздела фаз раствор/воздух. // Биофизика. 1992, т. 37, №2, с. 391-392.

134. Balakin A.V., Goncharov A.A., Koroteev N.I., Nazarov M.M., Shkurinov

135. А.Р., Boucher D., Masselin P. Chiral sensitive second harmonic generation enhanced by surface electromagnetic waves. // Nonlin. Opt. 2000, v. 23, p. 331-346.

136. Viswanathan R., Zasadzinski J.A., Schwartz D.K. Spontaneous chiral symmetry breaking by achiral molecules in a Langmuir-Blodgett film. // Nature. 1994, v. 368, p. 440-443.

137. Канн К.Б. Капиллярная гидродинамика пен. // Новосибирск: «Наука» (Сиб. отд.), 1989.167 с.

138. Dobson С.М., Ellison G.B., Tuck A.F., Vaida V. Atmospheric aerosols as prebiotic chemical reactors. // Proc. Nat. Acad. Sci. 2000, v. 97, p. 1186411868.

139. Шноль С.Э. Физико-химические факторы биологической эволюции. // М.: Наука, 1979,261 с.

140. Хильчевская Р.И. Роль асимметрии симметрии в процессах происхождения жизни на Земле. // Журнал Всесоюзного химического общества им. Д.И.Менделеева. 1980, т. 25, №4, с. 418^124.

141. Заварзин Г.А. Лекции по природоведческой микробиологии. // М.: Наука, 2004,348 с.

142. Watanabe A., Yoshimyra Т., Mikami В., Hayashi Н., Kagamiyama Н., Esaki N. Reaction mechanism of alanine racemase from Bacillus stearothermophilus. II J. Biol. Chem. 2002, v. 277, No. 21, p. 1916619172.

143. Matsumoto M, Homma H, Long Z, Imai K, Iida T, Maruyama T, Aikawa Y, Endo I, Yohda M. Occurrence of free D-amino acids and aspartate racemases in hyperthermophilic archaea. // J Bacteriol. 1999 Oct; 181 (20):65 60-6563.

144. Friedman M. Chemistry, nutrition, and microbiology of D-amino acids. // J Agric Food Chem. 1999, v. 47, No. 9, p. 3457-3479.

145. Мог A., Amiche M., Nicolas P. Enter a new post-translational modification: D-amino acids in gene-encoded peptides. // Trends Biochem. Sci. 1992, v. 17, No. 12, p. 481-485.

146. Химическая энциклопедия. В 5-и томах. // М.: Советская энциклопедия, 1988.

147. Merck Index, 11-th ed. // Rahway, USA: Merck&Co., Inc. 1989.

148. Справочник химика. Под ред. Потехина. // Д.: Химия, 1971.

149. Саго G.M.M., Meierhenrich U.J., Schutte W.A., Barbier В., Segovia А.А., Rosenbauer Н., Thiemann W.H.-P., Brack A., Greenberg J.M. Amino acids from ultraviolet irradiation of interstellar ice analog. // Nature. 2002, v. 416, p. 403-406.

150. Rikken C.L.J.A., Raupach E. Enantioselective magneto-chiral photochemistry. //Nature. 2000, v. 405, p. 932-935.

151. Canary J.W., Zahn S. Electron-driven chirality switch. // US Patent № US 6,541,645 Bl, Apr. 1,2003.

152. Petsko G.A., Ringe D. Protein structure and function. // New Science Press Ltd. 2004.195 pp.

153. HyperChem computational chemistry. // Canada: Hypercube, Inc., 1996, 350 p.

154. Эйген M., Шустер П. Гиперцикл. Принципы самоорганизации макромолекул. // М.: Мир, 1982,270 с.

155. Abelson Р.Н. Chemical events on the primitive earth. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1966, v. 55, p. 1365-1372.

156. Bada J.L. How life began on Earth: a status report. // Earth Planet. Sci. Lett. 2004, v. 226, p. 1-15.

157. Cairns-Smith A.G. The origin of life and the primitive gene. // J. Theor. Biol. 1966, v. 10, No. l,p. 53-88.

158. Cavalier-Smith T. Cells evolving. Nature. 1991, v. 351, p. 110.

159. Dyson F.J. A model for the origin of life. // J. Mol. Evol. 1982, v. 18, p. 344-350.

160. Halliday A.N. In the beginning. // Nature. 2001, v. 409, p. 144-145.

161. Horowitz N.H. On the evolution of biochemical syntheses. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1945, v. 31, No. 6, p. 151-157.

162. Kuhn H. Selbstorganization molekularer Systeme und die Evolution des genetischen Apparatus. // Angew. Chem. 1972, B. 84, Nr. 18, S. 838-862.

163. Nisbet E.G., Sleep N.H. The habitat and nature of early life. // Nature. 2001, v. 409, p. 1083-1091. , *

164. Spiegelman S. An approach to experimental analysis of precellular evolution. //Quart. Rev. Biophys. 1971, v. 4, No. 2-3, p. 213

165. Weiss A. Replication and evolution in inorganic systems. // Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1980, v. 20, p. 850-860.

166. Багоцкий C.B. О возможном механизме предбиологической эволюции. // Известия академии наук. Серия биологическая. 1994, в. 2, с. 181-189.

167. Медников Б.М. Происхождение и эволюция нуклеиновых кислот. // Ж. Всес. хим. об-ва им. Д.И. Менеделеева. 1980, т. 25, №4, с. 425-430.

168. Меклер Л.Б. О происхождении живых клеток: эволюция биологически значимых молекул переход химической эволюции в биологическую. Новый подход к проблеме. // Ж. Всес. хим. об-ва им. Д.И. Менеделеева. 1980, т. 25, с. 460-473.

169. Происхождение предбиологических систем. Пер. с англ. Под ред. А.И. Опарина. //М.: Мир. 1966, 462 е.

170. Руттен М. Происхождение жизни (естественным путем). Пер. с англ.

171. Под ред. А.И. Опарина. М.: Мир, 1973.411 с.

172. Чайковский Ю.В. Эволюция. Вып. 22. «Ценологические исследования». // М.: Центр системных исследований ИИЕТ РАН, 2003. 472 с.

173. Schopf J.W. Micro fossils of the Early Archean Apex chert: new evidence of the antiquity of life. // Science. 1993, v. 260, p. 640-646.

174. Schopf W.J., Kudryavtsev A.B., Agresti D.G., Wdowiak T.J., Czaja A.D. Laser-Raman imagery of Earth's earliest fossils. // Nature. 2002, v. 416, p. 74-76.

175. Schopf J.W., Packer B.M. Early Archean (3.3-billion to 3.5-billion-year-old) microfossils from Warrawoona Group, Australia. // Science. 1987, v. 237, p. 70-73.

176. Fedo C.M., Whitehouse M.J. Metasomatic origin of quartz-pyroxene rock, Akilia, Greenland, and implications for earth's earliest life. // Science. 2002, v. 296, No. 5572, p. 1448-1452.

177. Barrell B.,G., Bankier A.T., Drouin J. A different genetic code in human mitochondria. //Nature. 1979, v. 282, p. 189-194.

178. Фолсом К. Происхождение жизни. Маленький теплый водоем. // Пер с англ. Под ред Г.А. Деборина. // М.: Мир, 1982. 158 с.

179. Костицын В.А. Эволюция атмосферы, биосферы и климата. Пер. с франц. Под ред Н.Н. Моисеева. // М.: Наука, Гл. ред физ.-мат. лит., 1984. 96 с.

180. Озима М. История Земли. // М.: Знание, 1983, 204 с.

181. Дорофеева В.А., Макалкин А.Б. Эволюция ранней солнечной системы. Космохимические и физические аспекты. // М.: Едиториал УРСС, 2004.264 с.

182. Башкин В.Н., Касимов Н.С. Биогеохимия. // М.: Научный мир, 2004, 648 с.

183. Трухин В.И., Показеев К.В., Куницын В.Е., Шрейдер А.А. Основы экологической геофизики. // М.: Физический факультет МГУ, 2000,292 с.

184. Хаин В.Е., Короновский Н.В., Ясаманов Н.А. Историческая геология. // М.: Изд-во МГУ, 1997, 448 с.

185. Bernal J.D. Biochemical evolution. In: Horizons in Biochemistry. M.Kasha and B.Pullman, eds. P. 11-22. // Academic Press. New York -London. 1962, 604 p.

186. Dyson F.J. A model for the origin of life. // J. Mol. Evol. 1982, v. 18, p. 344-350.

187. Huber C., Wachterhauser G. Peptides by activation of amino acids by CO on (Ni,Fe)S surfaces: implications for the origin of life. // Science. 1998, v. 281, p. 670-672.

188. Morowitz H.J. A hardware view of biological organization. In: Self-organizing systems. The emergence of order. Ed. by F.E. Yates. P. 53-64. // N.Y.&London: Plenum Press, 1981, 661 pp.

189. Orgel L.E. The origin of self replicating molecules. In: Self-organizing systems. The emergence of order. Ed. by F.E. Yates. P. 65-74. // N. Y.&London: Plenum Press, 1981, 661 pp.

190. Lohrman R., Bridson P.K., Orgel L.E. Efficient metal-ion catalyzes template-directed oligonucleotides synthesis. // Science. 1980, v. 208, p. 1464-1465.

191. Inoue Т., Orgel L.E. Oligomerization of (guanosine 5'-phosphor)-2-methylimidazolide on poly(C). An RNA polymerase model. //J.Mol.Biol. 1982, v. 162, p. 201-217.

192. Inoue Т., Orgel L.E. A nonezymatic RNA polymerase model. // Science. 1983, v. 219, p. 859-862.

193. Inoue Т., Joyce G.F., Grzeskowiak K., Orgel L.E., Brown J.M., Reese C.B. Template directed synthesis on the polynucleotide CpCpGpCpC. // J.Mol.Biol. 1984, v. 178, p. 669-676.

194. Orgel L.E. Mini review: RNA catalysis and the origins of life. // J. Theor. Biol. 1986, v. 123, p. 127-149.

195. Ленинджер А. Биохимия. // М.: Мир, 1974, 328 с.

196. Handbook of lipid research. The physical chemistry of lipids. From alkanes to phospholipids. Ed. D.M. Small. New York-London: Plenum Press. 1986,672 p.

197. Геинис P. Биомембраны: молекулярная структура и функции. Пер. с англ. // М.: Мир, 1997, 624 с.

198. Avetisov V.A., Kuz'min V.V., Anikin S.A. Sensitivity of chemical chiral systems to weak asymmetric factors. // Chem. Phys. 1987, v. 112, p. 179-187.

199. Твердислов B.A., Яковенко Л.В. Фракционирование ионов и хиральных молекул на границе раздела океан-атмосфера. К вопросу о происхождении жизни. // Физическая мысль России. 1995, №1, с. 3137.

200. Dobson С.М., Ellison G.B., Tuck A.F., Vaida V. Atmospheric aerosols as prebiotic chemical reactors. // Proc. Nat. Acad. Sci. 2000, v. 97, p. 11864— 11868.

201. Donaldson D.J., Tervahattu H., Tuck A.F., Vaida V. Organic aerosols and the origin of life: an hypothesis. // Orig. Life Evol Biosph. 2004, v. 34, p. 57-67.

202. Tuck A.F. The Role of atmospheric aerosols in the origin of life. // Surv. Geophys. 2002, v. 23, p. 379-409.

203. Tervahattu H., Hartonen K., Kerminen V.-M., Kupiainen K., Aarnio P., Koskentalo Т., Tuck A.F., Vaida V. New evidence of an organic layer on marine aerosols. // J. Geophys. Res., 2002, v. 107, 10.1029/2000JD000282.

204. Tervahattu H., Juhanoja J., Kupiainen K. Identification of an organic coating on marine aerosol particles by TOF-SIMS. // J. Geophys. Res. 2002, v. 107,10.1029/2001JD001403.

205. Donaldson D.J., Tuck A.F., Vaida V. Spontaneous fission of atmospheric aerosol particles. // Phys. Chem. Chem. Phys. 2001, v. 3, p. 5270-5273.

206. Регистр лекарственных средств России. Под ред. Ю.Ф.Крылова. // М.: Ремако, 1997-1998,879 с.

207. Лекарственные препараты в России. Справочник Видаль. М.: АстраФармСервис, 1995,1168 с.

208. Нейрохимия. Под ред И.П.Ашмарина. // М.: Изд. Ин-та биомедицинской химии РАМН. 1996,470 с.

209. Zuckerkandl Е., Pauling L. Molecular desease, evolution, and genie heterogeneity. In: Horizons in Biochemistry. M.Kasha and B.Pullman, eds. P. 189-228. // Academic Press. New York London. 1962, 604 p.

210. Экология, охрана природы, экологическая безопасность. Под ред. А.Т.Никитина, С.А.Степанова. // М.: Изд. МНЭПУ. 2000,648 с.

211. Horizons in Biochemistry. M.Kasha and B.Pullman, eds. // Academic Press. New York London. 1962, 604 p.

212. Твердислов B.A., Сидорова B.B., Яковенко Л.В. Хиральная асимметрия биомолекул и экологическая безопасность. // Технологии живых систем. 2005, т. 2, №1-2, с. 69-74.

213. Безопасность России. Правовые, социально-экономические и научно-технические аспекты. Экологическая диагностика. Под ред. В.В. Клюева. // М.: МГФ Знание, Машиностроение, 2000.

214. Безопасность России. Правовые, социально-экономические и научно-технические аспекты. Экологическая безопасность, устойчивое развитие и природоохранные проблемы. Под ред. В.В.Клюева. // М.: МГФ Знание, 1999.

215. Ивлев JI.C. Химический состав и структура атмосферных аэрозолей. // JL: Изд-во Ленингр. ун-та, 1982,368 с.

216. Кондратьев К.Я., Москаленко Н.И., Поздняков Д.В. Атмосферный аэрозоль. //Л.: Гидрометеоиздат, 1988,224 с.

217. Сыроешкин А.В., Шокина О.Н., Исаков В.А., Матвеева И.С., Коршенко А.Н. Химическое загрязнение восточной части Финского залива и проблема токсичности морских аэрозолей. // В сб.: Труды ГОИН. 2002, вып. 208, с. 260-276.

218. Дерпгольц В.Ф. Мир воды. // Л.: Недра, 1979. 253 с.

219. Джейкок М., Парфит Дж. Химия поверхностей раздела фаз. Пер. с англ. // М.: Мир, 1984.269 с.

220. Твердислов В.А., Кузнецова М.Р., Яковенко Л.В. Геофизические факторы возникновения асимметрии в предшественниках биологических систем. // Вестн. Моск. ун-та. Сер.З. Физика. Астрономия. 1992, т. 33, №5, с. 56-62.