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.