Удивительна не только хиральность

Ситуации, когда загадка кажется неразрешимой, встречаются не только в науке. В таких случаях пытаются подойти к проблеме с иной стороны. Например, криминалисты спрашивают себя – а кому это выгодно? Не задать ли такой же вопрос и нам? Может ли случиться, что любой, но один вариант хиральности биологических молекул чем-то лучше, выгоднее, чем одновременное существование двух вариантов?

Конечно, выгоднее! Однотипная хиральность молекул, объединяющая всю биосферу, ускоряет темпы эволюции по сравнению с развитием двух переплетающихся, но чуждых, не взаимодействующих вариантов жизни, уменьшающих каждому среду обитания вдвое.

Интересно, а нет ли других похожих явлений? Не просматривается ли более широкая тенденция к стандартизации фундаментальных основ земной жизни, к повышению её внутреннего родства, уменьшению изоляции между разными группами организмов, а в итоге – к повышению скорости эволюции?

Оказывается, да! Факты подтверждают такое предположение. Ряд известных закономерностей складывается в чёткую тенденцию. Существование одного, а не двух вариантов хиральности биологических молекул – лишь частный случай более общего явления – стандартизации, сокращения вариантности земной биохимии в целом. Например, ещё заметнее ограничение вариантности, заметнее стандартизация в использовании набора аминокислот.

Известно, что наиболее важным классом биологических соединений являются белки. Они служат и строительным материалом, и высокоактивными, строго избирательными катализаторами всех биохимических реакций, и преобразователями одних видов энергии в другие, и проч., и проч. Они настолько важны, что Ф. Энгельс даже саму жизнь определял как способ существования белковых тел.

Особенностью белков является то, что при поразительном многообразии строения и свойств, все они синтезируются одними и теми же молекулярными машинами – рибосомами – и по совершенно одинаковой технологии – соединением в цепочку заданной последовательности аминокислот. „Голова” одной аминокислоты соединяется с „хвостом” предыдущей и процесс продолжается, пока ни поступит сигнал о завершении синтеза данной белковой молекулы. Затем начинается синтез следующей молекулы.

„Известны сотни аминокислот, но в белках обнаружено только 20.” [Айала, Кайгер, 1988] В метеорите, упавшем в 1969 году в Австралии (и по месту падения названном „Мэрчисон”) обнаружено свыше семидесяти разных аминокислот. Но во всех организмах, известных на Земле, и даже в оболочках вирусов, не считающихся организмами, для построения белков используется один и тот же набор из 20-ти аминокислот, перечисленных в таблице F.

Таблица F.

Аминокислота	Трёхбуквенное обозначение	Однобуквенное обозначение
Аланин	Ala	A
Аргинин	Arg	R
Аспарагин	Asn	N
Аспарагиновая кислота	Asp	D
Валин	Val	V
Гистидин	His	H
Глицин	Gly	G
Глутамин	Gln	Q
Глутаминовая кислота	Glu	E
Изолейцин	Ile	I
Лейцин	Leu	L
Лизин	Lys	K
Метионин	Met	M
Пролин	Pro	P
Серин	Ser	S
Треонин	Thr	T
Триптофан	Trp	W
Тирозин	Tyr	Y
Фенилаланин	Phe	F
Цистеин	Cys	C

Если предположить, что из сотен известных аминокислот, кроме 20-ти использованных, ещё как минимум 5 потенциально пригодны для включения в состав белков, то возможность замены в стандартном аминокислотном наборе только одной аминокислоты позволила бы появиться ещё сотне вариантов аминокислотного набора. При замене двух аминокислот – появилось бы приблизительно 10'000 вариантов, трёх – миллион вариантов и т.д.

Увеличение количества аминокислот в наборе свыше 20-ти (а имеющийся генетический код мог бы закодировать 64 объекта или, за вычетом сигналов „старт” и „стоп”, 62 аминокислоты) тоже резко увеличило бы число возможных вариантов. Однако что-то не пропустило эти варианты в реальную жизнь.

Нет причин думать, будто другие варианты аминокислотного набора сразу же, изначально не возникали в ходе предбиологической эволюции. На каком же этапе и почему жизнь отмела их, строго ограничила себя именно этими двадцатью аминокислотами?

Интересную ситуацию создаёт в этом смысле упоминавшееся обнаружение свыше семидесяти разных аминокислот в метеорите „Мэрчисон”. С одной стороны, это может свидетельствовать о существовании в каком-то другом мире организмов с несколькими вариантами биохимии и различными наборами аминокислот или, как минимум, с одним, но не таким, как на Земле, а другим вариантом, использующим более семидесяти аминокислот. С другой стороны, это может говорить просто о способности абиогенных процессов создавать все эти аминокислоты как исходные вещества для биологической эволюции. Но в обоих случаях этот факт ставит под вопрос любые „естественные” ограничения аминокислотного набора земной биохимии. Даже в свете одного этого факта наши всеобщие 20 аминокислот выглядят совершенно противоестественно.

Здесь ещё нагляднее, чем в картине хиральности молекул, проявилось непонятное ограничение возможностей естественных процессов. Как ни подумать, что и в этом случае действовал таинственный механизм, ограничивший хаотичность, преследовавший определённую цель, при чём преследовавший её с самого начала земной биологической эволюции?!

4.2.4. Гипотеза о „бутылочном горлышке”

Серьёзные раздумья вызывают также генетический алфавит и генетический код. Например, трудно допустить, чтобы в природе не существовали другие „буквы” для записи генетической информации кроме четырёх нуклеотидов ДНК (и РНК). Надо думать, это не единственный возможный способ хранения информации на молекулярном уровне.

Даже если ограничиться только рибонуклеиновыми и дезоксирибонуклеиновыми кислотами, то и тогда трудно поверить, что кроме аденина, гуанина, тимина (или урацила) и цитозина не могли быть использованы какие-то другие молекулярные „буквы”. Например, кроме аденина и гуанина могло бы использоваться другое пуриновое основание – ксантин (2,6-диоксипурин). Гипоксантин, образующий уотсон-криковскую пару с цитозином, мог бы служить для записи информации в ДНК вместо гуанина. Экспериментально показано, что урацил можно заменить 5-фторурацилом. Наконец, показано, что вместо ДНК в качестве матрицы для синтеза РНК могли бы быть использованы остатки тимидиловой кислоты и т.п. [Страйер, 1985]. Хотя возможность иных вариантов подтвердилась в ряде редких аномалий, ни один из них не проявился в качестве самостоятельной ветви жизни.

Д. Ледерберг в своей нобелевской лекции говорил:

„Во всём живом мире мы видим один и тот же набор структурных единиц, из которых строится каждый организм, – аминокислот, коферментов, нуклеотидов, углеводов и т.д. То же самое имеет место и в отношении основных процессов биосинтеза и энергетического обмена. Особый интерес представляют поэтому исключения из общего правила – полные смысла признаки биологической индивидуальности, например, замещение цитозина оксиметилцитозином в ДНК фага Т2 [Cohen, 1956; Гершкович, 1968].”

К настоящему времени в нуклеиновых кислотах (в частности, в так называемых транспортных РНК), кроме оксиметилцитозина, обнаружен и ряд других редко встречающихся оснований, которые по этой причине названы минорными. К ним можно отнести псевдоуридин (гликозидная связь находится не в первом, а в пятом положении), N-диметилгуанин, 2- и 4-тиоуридин, дигидроуридин и другие основания [Мусил и др., 1984].

Возможно, минорные основания как раз и являются слабыми отголосками других, существовавших когда-то (а может, существующих где-то и поныне) „алфавитов” генетического кода. Однако здесь редкие исключения лишь подчёркивают силу общего правила. Ни один из известных организмов (фаги не считают организмами) не имеет существенных отклонений от единого, распространённого на Земле варианта генетического кода.

Интересно, что если бы вместо двух комплементарных пар нуклеотидов применялись три пары (вместо четырёх „букв” – шесть), то на запись генетической информации затрачивалось бы в полтора раза меньше вещества (каждая аминокислота кодировалась бы не триплетом нуклеотидов, а двумя нуклеотидами).

В ходе предбиологической эволюции неминуемо должны были возникать варианты жизни не только с другой хиральностью молекул и с другими наборами аминокислот, но и с другими „алфавитами” генетического кода. Тот факт, что среди известных биологических видов нет других вариантов кода, исключительно важен для правильного понимания развития Жизни во Вселенной. Он означает, что существуют неизвестные нам ограничивающие факторы, что в развитие известной нам Жизни где-то оказался вклиненным процесс выбора единственного варианта из множества возможных!

Характерно, что был выбран не самый простой, но далеко и не самый совершенный из возможных вариантов. Например, как отмечено, компактность генетической памяти могла быть повышена в полтора раза при использовании шести нуклеотидов вместо четырёх, но такая возможность не использована. Не использована также возможность расширения набора аминокислот свыше 20-ти. Почему? Это нужно понять и оценить!

Чтобы не слишком затруднять восприятие читателями этого сложного материала, автор не рассматривает возможность существования иных, более экзотических вариантов биохимии, например, таких, в которых место аминокислот занимают другие радикалы, соединённые в цепочки, наподобие белков.

Известно, что РНК способны образовывать двухцепочечную структуру, проявляющуюся в многочисленных шпильках палиндромов РНК и в двухцепочечной РНК (вместо ДНК) некоторых вирусов [Страйер, 1985]. Не являются ли такие вирусы слабыми отголосками другой жизни, в которой роль ДНК выполняет двухцепочечная РНК?

Наконец, возможность гибридизации одноцепочечных нитей РНК и ДНК в двойную спираль [Страйер, 1985] указывает на принципиальную возможность существования форм жизни и с таким смешанным типом наследственного материала, хотя, как и при других отличиях, это, конечно, требует иных ферментов, иной организации ряда биохимических процессов.

* * *

Принципиальное ограничение вариантов симметрии молекул, набора аминокислот и генетического алфавита производят очень сильное впечатление. Но они бледнеют по сравнению с аналогичной проблемой единства генетического кода. Ведь даже в рамках существующего алфавита и набора аминокислот, генетический код мог иметь фантастическое количество вариаций. Только их нет! Всё живое на Земле, от вирусов до человека, пользуется одинаковым генетическим кодом. По словам удивлённого Ф. Крика, „единообразие генетического кода выглядит так, будто жизнь входила через узкое бутылочное горлышко”.

(Выражение „бутылочное горлышко” не является для биологов художественным образом. В генетике популяций оно служит устоявшимся термином, обозначающим период, когда многочисленная в прошлом популяция сократилась до небольшого числа особей, ставших затем основой возрождения популяции.)

Каждая из аминокислот закодирована в РНК тройками („триплетами”) из четырёх отобранных нуклеотидов – урацила (U), цитозина (C), аденина (A) и гуанина (G), как это показано в таблице G. Код метионина AUG одновременно является частью сигнала инициации белкового синтеза или сигнала „старт” (т.е. на кодирование сигнала ”старт” затрачивается более чем один триплет.). Таким образом, код обслуживает 22 информационные позиции – 20 аминокислот и два служебных сигнала – „старт” и „стоп”. Поскольку из четырёх типов нуклеотидов можно сложить 64 комбинации по три, то код получился избыточным. Соответственно, многие аминокислоты (и сигнал „стоп”), как видно из таблицы, могут кодироваться разными триплетами. Однако это не нарушает однозначности кодирования.

Таблица G.

Дата добавления: 2015-07-08