Элементарное событие в процессе кроссинговера — перекрест хромосом, или образование полной хиазмы, — с молекулярной точки зрения представляет довольно сложную последовательность реакций, включающую суммарно разрыв четырех одноцепочечных молекул ДНК и затем их соединение в новых комбинациях.
Насколько реалистичной в связи с этим выглядит биологическая эволюционная аксиома как постулат, утверждающий, что генетический обмен должен быть неизменным атрибутом жизни с момента ее зарождения?
Разумеется, зарождение жизни здесь следует рассматривать в аспекте генетической концепции, в которой основным проявлением жизни считается способность реплицировать биологическую информацию, и соответственно за первооснову жизни принимается ген, т. е. молекула ДНК. Отсюда в генетической концепции происхождения жизни подразумевается, что появлению клеточного уровня биологической организации предшествует период «молекулярной» эволюции.
Представить себе существование генетического обмена на ранних этапах молекулярной эволюции можно в том случае, если допустить, что молекула ДНК как материал наследственности и в том виде, как нам известна на сегодня, может быть относительно поздним эволюционным «приобретением». Кэйрнс-Смит, обсуждая вопрос о происхождении первого примитивного гена и о его свойствах, подчеркивал, что способность к репликации вовсе не свойственна линейным органическим полимерам, а характерна для кристаллов, т. е. природным аналогом репликации является процесс кристаллизации. Сам Кэйрнс-Смнт предположил, что репликация нуклеиновых кислот некоторым образом происходит от процесса кристаллизации кремнезема, т. е. глины. Альтернативная гипотеза в рамках такого представления утверждает, что на самых первых этапах молекулярной эволюции азотистые основания, входящие ныне в состав нуклеиновых кислот, а также аминокислоты существовали не в виде полимеров, а как свободные молекулы, образуя упорядоченные жидкие кристаллы в окружении молекул углеводородов.
Согласно данной гипотезе, кристаллические ассоциаты из оснований на каком-то этапе органической эволюции трансформируются в молекулу ДНК. Отсюда можно было бы утверждать, что основу жизни составляют кристаллические агрегаты из оснований, поддерживающих определенную структуру благодаря (как это имеет место в ДНК) «стэкинг»-взаимодействиям и водородным связям, но претерпевших некогда полимеризацию. С этой точки зрения, появление сахарофосфатных моделей и образование молекулы ДНК когда-то было результатом очередного эволюционного «синтеза».
Очевидно, было бы легче представить себе обмен гомологичными элементами наследственных структур без участия специальных ферментов происходящим между ассоциатами из отдельных молекул оснований, хотя и в этом случае остается вопрос о том, что именно репарировалось в таких ассоциатах путем обменов. Но прежде, чем обсуждать этот вопрос, стоило бы упомянуть здесь о том, какие собственно данные послужили основанием для гипотезы о предбиологической эволюции с участием кристаллоподобных структур из оснований и аминокислот.
Эти данные — генетический код, т. е. строение триплетов оснований, которые служат кодом для аминокислот в процессах белкового синтеза на РНК-матрицах. Практически код универсален, т. е. одинаков у всех организмов, и по мнению большинства авторов отражает некоторое исходное структурное соответствие между аминокислотами и основаниями кодонов. Несомненно также, что генетический код претерпел некоторые изменения в эволюции, о чем можно судить, например, на основании отклонений от универсального кода, обнаруженных в митохондриях грибов и млекопитающих.
Предположение о том, что основания и аминокислоты некогда существовали как свободные молекулы, образуя гетерогенные кристаллические ассоциаты, может быть сделано, исходя из того, что аминокислоты и соответствующие им основания в таблице кода (точнее, только по два первых основания кодонов) образуют определенную систему по параметрам, характеризующим эти соединения как свободные молекулы, в частности по их кислотно-основным свойствам, а также по, казалось бы, формальному критерию — числу атомов водорода, приходящемуся на молекулу. Последний показатель, раскрывающий наличие определенной системы по числу атомов водорода на молекулу, оказался важным потому, что в упоминаемых гетерогенных кристаллах, включавших основания и аминокислоты, на каждый стандартный компартмент структуры приходилось определенное число протонов, т. е. атомов водорода.
Хотя мы не ставили себе целью обсуждать доводы в пользу гипотезы о кристаллической предыстории жизни, читатель может сам убедиться в том, что распределение общих аминокислот по числу атомов водорода на молекулу является неслучайным. В нижней части приведены также наборы молекул, соответствующие стандартным ячейкам гипотетического кристалла, установленные исходя из таблицы генетического кода.
В указанной работе предполагается, что гипотетические кристаллы (состоявшие только из оснований) — предшественники нуклеиновых кислот — строились из свободных пар А—Т(У) и Г—Ц, причем основания Т и У правильно чередовались друг с другом. Естественно ожидать, что кристаллические ассоциаты из оснований, как и любые кристаллы, были бы очень строго уравновешены в отношении электрохимических, или кислотно-основных, свойств составляющих молекул. Известно, например, что для устойчивости ионных кристаллов очень важное значение имеет строго равномерное распределение зарядов «+» и «-».
В отношении кислотно-основных свойств особенно сильно разнятся пиримидины. Так, наиболее выраженными основными свойствами характеризуется цитозин. Это основание имеет константы щелочной и кислотной диссоциации, т. е. соответственно рК1 — 4,45 и рК2 — 12,2, и отсюда значение изоэлектрической точки pI = рК1 + рК2/2 (= 8,32) сдвинуто в щелочную сторону. Другими словами, при нейтральных значениях pH цитозин имеет относительно большую вероятность присоединить протон и приобрести положительный заряд.
Наиболее выраженными кислотными свойствами характеризуются тимин, а также урацил. Тимин имеет рК1 = 0 и рК2 = 9,9, а урацил — рК1 = 0,5 и рК2 = 9,5. Таким образом, pI ≈ 5 для обоих оснований, т. е. для них при нейтральных значениях pH более вероятно потерять протон и приобрести отрицательный заряд. Что касается пуринов, то по своим кислотно-основным свойствам они занимают как бы «промежуточное» положение в отношении пиримидиновых оснований, а именно: аденин является лишь немного более основным (pK1 = 4,15; рК2 = 9,80; pI = 6,97) по сравнению с гуанином (рК1 = 3,3; рК2 = 9,2; pI = 6,25).
Разумеется, сама по себе вероятность ионизации каждого отдельно взятого основания невелика. Исходя из приведенных значений pI, можно ожидать, что число заряженных пиримидиновых оснований, вероятно, не превысит нескольких процентов, а пуриновых оснований — сотых долей процента. Но при этом весьма многозначителен тот факт, что пурины и пиримидины в среднем характеризуются одинаковым сродством к протону. Поэтому с точки зрения взаимной электростатической нейтрализации в кристаллических структурах должны быть «комплементарны» пары Ц—Т(У) и А—Г. Другими словами, в отношении электрохимических свойств цитозин уравновешивает тимин (или урацил), а аденин уравновешивает гуанин (разумеется, в том случае, когда основания не участвуют в образовании водородных связей).
Итак, приведенное равенство показывает, что в области pH 6,6 вероятность ионизации тимина или урацила (заряд «-») примерно равна вероятности ионизации цитозина (заряд «+») и точно так же вероятность ионизации гуанина равна таковой, но с обратным знаком, аденина. Напомним, что указанное равенство характеризует свойства свободных оснований. Насколько сильно выражена ионизация оснований в ДНК, остается неизвестным. Не исключено, что в ДНК уровень ионизации оснований может быть выше благодаря своего рода «отталкиванию» между основаниями, находящимися в составе одной молекулы (имеется в виду одноцепочечная ДНК). Интересно, что у нуклеозидов расхождение между константами рК1 и рК2 увеличивается.
Заметим, что электростатическая комплементарность оснований типа Ц—Т(У) и А—Г фактически проявляется в строении молекул РНК (и соответственно в строении кодирующих их одноцепочечных последовательностей оснований в ДНК). Еще в 50-е годы американским ученым Чаргафом для молекул РНК было выведено одно важное статистическое правило, касающееся их нуклеотидного состава, а именно, что число оснований, несущих 6-аминогруппу (А и Ц) в РНК, примерно равно числу оснований, несущих 6-карбонильную группу (Г и У), т. е. А + Ц = Г + У.
Молекула РНК не является двойной спиралью, хотя некоторые участки цепи РНК «слипаются» благодаря тому, что происходит такое же, как в ДНК, специфическое («уотсон-криковское») спаривание оснований А—У и Г—Ц. Указанное правило Чаргафа (вообще его смысл раньше никто не обсуждал), вероятно, — следствие того, что основания, не вступающие в специфическое спаривание по Уотсону—Крику, должны подчиняться правилу электростатической комплементарности, т. е. Ц = У и А = Г. Эти «электростатические» равенства в сумме с уотсон— криковскими отношениями А = У и Г = Ц дают правило А + Ц = Г + У.
Вероятно, электростатическая комплементарность оснований имеет важное значение и для ДНК. Следует обратить внимание на то, что гетерокаталитическая функция ДНК сводится к матричной активности только одной — «значащей» или «смысловой» цепи нуклеотидов. Для эффективного функционирования этой одной цепи в каких-то ее участках может быть особенно важным поддержание электростатического равновесия, т. е. равенства в наборах Т и Ц, а также А и Г, как и в случае одноцепочечных молекул РНК.
Разумеется, и в РНК и в одноцепочечных ДНК как молекулах-полимерах равенство А + Ц = Г + У(Т) соблюдается лишь как суммарная статистическая закономерность, а в принципе в каждом отдельном участке молекул возможна намного большая вариабельность в наборах оснований, чем это было бы допустимо в кристаллических ассоциатах из оснований. Вообще в последних вероятнее имело бы место правильное чередование Ц относительно Т(У) и А относительно Г. Но если иметь в виду кристаллические ассоциаты из оснований — предшественники нуклеиновых кислот, уже вступившие на путь биологической эволюции, то для них было бы неизбежным столь характерное для биологических форм разнообразие даже среди структур одного типа.
Упоминаемые структуры — аналоги будущих организмов — в дополнение к способности реплицировать информацию о своем строении должны были еще обладать и собственно биологической информацией, т. е. качествами, способствующими их «выживанию». Коль скоро такое случается, становятся неизбежными отбор, дивергенция и в результате разнообразие форм. Но если отбор поощряет появление разнообразных отклонений от исходной кристаллической организаций, то был бы «нелишним» (и, видимо, появляется) некоторый дополнительный механизм, периодически устраняющий неизбежные в этом случае нарушения стабильности ассоциатов из-за образования электростатически неблагоприятных конфигураций оснований. В качестве механизма, разрушающего электрохимически неравновесные наборы оснований в кристаллических ассоциатах, возможно, и появляется кроссинговер.
Таким образом, кроссинговер при своем зарождении предположительно имел «утилитарную» функцию — восстановление стабильности кристаллических ассоциатов из оснований за счет обменов, т. е. путем рекомбинации. Обмены между кристаллическими ассоциатами могли происходить спонтанно, так как продукты рекомбинации оказывались более устойчивыми в окружающей среде.
В некоторых редких случаях рекомбинация сводилась к объединению взаимодействующих ассоциатов, т. е. фактически происходило то, что выше мы называли рекомбинационным «синтезом». В этом контексте, как мы уже подчеркивали выше, прогрессивная эволюция могла бы рассматриваться как побочный результат рекомбинационного обмена.