На главную страницу

Становление генетического кода

Гипотеза направленной панспермией Крика и Оргела логически следовала из того факта, что вероятность зарождения жизни на Земле чрезвычайно мала и "…обстоятельство, что код настолько единообразен, в небольшой степени подкрепляет гипотезу о направленной панспермии" ([1]). Для земного происхождения жизни единообразие кода побуждает искать его неслучайности. Такова гипотеза прогенов Альтштейна ([2]). Но почему бы не зародиться жизни на Земле и не быть коду случайным?
________________________________________________________________

Обезьяны печатают сонет Шекспира

"На самом деле существует ничтожно малая надежда, что миллиард обезьян на миллиарде пишущих машинок когда-либо правильно напечатают хотя бы один сонет Шекспира в течение нынешней жизни Вселенной". ([4], c.42).

Простые арифметические расчеты действительно подтверждают это. Но только для того случая, когда обезьяны колотят по клавиатуре безо всяких перерывов. Если же, как это делается в Природе, время от времени проводить отбор из того многообразия материала, который сотворен случайным образом, отбрасывая всякий мусор и оставляя только значащие слова, а затем менять клавиатуру, позволяя печатать обезьянам уже из значащих слов, то получим не только сонет Шекспира, меняя время от времени обезьянам клавиатуры.

Возможно, что обезьяны все же не смогут напечатать сонета, если проводить скрупулезные расчеты, но ведь пример с обезьянами не является математическим аналогом того, как осуществлялись химические процессы на Земле.

Многообразие случайностей до первого отбора

Набор химических элементов на Земле разнообразен по своим химическим свойствам: за малым исключениям все они готовы вступать в реакции соединения, преодолев некоторый порог "недоверия". Понижение температуры на планете обеспечивало устойчивость молекул. Сначала это были молекулы с сильными ковалентными связями, затем стали складываться и более "слабые". Потоки внешней энергии, проходя через слои молекул, разрушали одни связи и давали при этом рождаться новым. Это было время хаоса в мире молекул, когда нуклеотиды, аминокислоты, органические и неорганические молекулы связывались в странные и чудовищные агрегаты. Сегодня в природе после "наведения порядка" уже трудно или даже невозможно отыскать таких ископаемых.

Кое-что из такого набора обладало, наверняка и каталитическими свойствами, причем для каталитических свойств не было нужды в молекулах из сотен атомов, как это наблюдается сегодня в белковых молекулах: из линейной структуры непросто получить форму необходимой конфигурацией. Однако это не пригождалось до того времени, когда начал работать отбор.

Первый отбор

Речь пойдет не о первом, по-видимому, отборе, который обеспечивал существование более устойчивым (или кинетически совершенным ([3])) молекулам, а о том, который положил начало следующему шагу эволюции: отбор семейства молекул, способных обеспечивать свое воспроизводство.

В соответствии с теорией РНК-мира, которая пополняется все новыми и новыми примерами полезных каталитических свойств РНК (например, [7]), это должны быть полинуклеотиды, обладающие каталитическими свойствами. Возможно, что на первых порах им помогали случайные органические молекулы, в том числе и олигопептиды, прочие химически активные молекулы и атомы. Такие семейства, впрочем, были весьма многообразные, что обеспечивалось их малыми размерами на огромнейшей трехмерной территории планеты.

Обеспечивая свое воспроизводство семейство полинуклеотидов попутно обеспечивало и воспроизводство всех прочих молекул, представляющих собой матрицу из нуклеотидов , если только прочие ничем не отличались от "своих". Эта проблема, могла решаться наличием признаков отличия "своих" от "чужих", что было сигналом для начала репликации "своих" или для деградации "чужих".

Первые шаги синтеза белков

А теперь, собственно, о связи аминокислоты с кодоном.

Из последних научных публикаций: "Как протекает сам химический процесс формирования аминокодона, пока остается неясным – формируются ли вначале сами триплеты (кодоны), а затем к ним присоединяются "свои" аминокислоты, или аминокислоты также принимают участие в образовании триплетов, или в этом процессе участвуют какие-либо другие события – пока мы не знаем. ([2], стр.85).

Логика настаивает: если весь живой мир использует один и тот же генетический код (за небольшими отклонениями [5]), то этот код не мог сложиться случайным образом. Так рождается гипотеза прогенов: нуклеотид с прицепленной аминокислотой прицепляется к паре нуклеотидов, образуя связку из аминокислоты и триплета, если аминокислота имеет предпочтение к этой паре.

Возможно, что это присутствовало в становлении генетического кода. Однако, по мнению Крика: "Предпринимались смелые попытки предложить объяснения, как это могло произойти, но все они представляются неубедительными. По крайней мере, вполне правдоподобно, что все элементы кода, в основном, случайны".

Как случайное могло стать универсальным ? У Крика: "Код предполагает как раз то, что жизнь на некоем этапе прошла, по крайней мере, через одно узкое место, небольшую инбридинговую популяцию, из которой развилась вся последующая жизнь" ([4], c.135). Это соображение также в пользу панспермии. Но почему ?

Но прежде о случайности кода.

Наверное, не надо искать этот код на ранних этапах, до начала отбора. Более того, пожалуй, стоит подождать, пока не разовьется РНК-мир, не станут достаточно регулярными производства таких сложных молекул, как тРНК, субединиц аминоацил-тРНК-синтетазы и рибосомы. Конечно, не такой степени сложности, но способных уже выполнять, пусть очень медленно и с большой погрешностью, их функции. Например, аналог тРНК мог иметь существенно меньшую длину и иметь в качестве антикодона 2-5 нуклеотида. Или, некая РНК (назовем ее кРНК) несла в себе свойства и тРНК и аминоацил-тРНК-синтетазы.

Поскольку производство такой кРНК происходило с ошибками, появлялись разные кРНК, способные связывать одну и ту же аминокислоту с разными кодонами, и наоборот, с одним кодоном связывать разные аминокислоты. Это был жуткий хаос, в котором порядок мог навести только следующий отбор.

Второй отбор

Реализацией такого отбора могло послужить появление первых примитивных клеток, способных к размножению. Поскольку вероятность такого события очень низка, и на это могло уйти сотни миллионов лет, то весьма вероятность того, что следующая клетка со способностью размножаться появиться на планете через миллионы лет после первого удачного опыта. За это время первая популяция клеток вполне могла завоевать "обитаемое" пространство планеты.

Правда, к этому времени клетка должна уже отточить свой генетический код, который, наверняка был и недостаточен в одной части, избыточен в другой и противоречив в третьей. Полученный код стал в итоге полным и непротиворечивым. Он стал и экономным за счет вобблирования третьего нуклеотида, поскольку достаточным для него не полное соответствие нуклеотидов, а соответствие длинных и коротких нуклеотидов – пуриновых и пиримидиновых.

В заключение

Эволюция, в особенности на первых этапах, происходила в столь далекое время, что не сохранилось никаких данных о ее путях, а если учесть и то, что она осуществлялась сотни миллионов лет и на огромнейшем пространстве, то восстановить ее историю представляется сегодня невозможным. Тем не менее, она была. Она была у нас, на нашей Земле, от самого начала, с простых химических реакций.

В каком направлении идет эволюция сегодня ?

Источники, используемые в ссылках:


Дата публикации: 22 марта 2013 Источник: SciTecLibrary.ru
Made on
Tilda