Когда-то Земля была жёстокой лабораторией. В атмосфере — почти нет кислорода, значит, нет озонового щита. На поверхность льётся жёсткий ультрафиолет, способный разрушать самые разные молекулы. В таких условиях «генетический алфавит» мог состояться только из тех оснований, что выдерживают ультрафиолет, воду и время. Отбор беспощадный, но простой!
выживает не самое «красивое», а самое стабильное и воспроизводимое
Озона нет, но вы держитесь...
Геологические маркёры (массо-независимое фракционирование серы) показывают: от ~2,4 млрд лет назад и ранее атмосфера Земли была бескислородной и УФ свободно проникал в нижние слои. УФ-нагрузка на поверхности была существенно выше нынешней. Любой носитель наследственности должен был быть фотоустойчивым — иначе его просто «сжигало» солнцем.
Химия тёплых грязевых ванн
Существует несколько основных гипотез о месте зарождения первых нуклеиновых кислот. Подводные гидротермальные источники (“чёрные курильщики” и щелочные выходы) обеспечивают постоянный приток химической энергии и минералов, но страдают от разбавления мономеров водой и разрушающего действия высокой температуры на нуклеотиды. Ледяные и снежные поверхности в условиях низких температур могли стабилизировать нуклеотиды и концентрировать их в микроканалах между кристаллами льда, однако скорость реакций там крайне мала. Существуют также гипотезы о глубоких подземных породах и об изначальном внеземном заносе органики, но они не объясняют полной цепочки синтеза и перехода к самокопирующимся полимерам. Наиболее правдоподобной на сегодняшний день выглядит модель поверхностных вулканических или геотермальных луж с чередующимися циклами концентрации и разбавления. Поверхностные геотермальные зоны с грязевыми или глинистыми лужами возле вулканов дают циклы осушение/увлажнение, способствующие полимеризации, и минералы (монтмориллонит), ускоряющие образование цепей, но уязвимы к интенсивному ультрафиолету при отсутствии озонового слоя.
В геотермальных «грязевых ваннах» испаряющаяся вода и глинистые минералы могли концентрировать ключевые прекурсоры — формамид и HCN; формамид накапливается за счёт высокой температуры кипения и хорошо адсорбируется на монтмориллонитах, а также может дополнительно концентрироваться термоконвекцией. На таких минеральных поверхностях и при сочетании тепло/УФ реализуемы несколько пребиотических путей к целевым азотистым основаниям: (1) HCN-маршрут — пентамеризация через промежуточный 4-аминоимидазол-5-карбонитрил (AICN) с заметным ускорением в присутствии молекул воды/аммиака (к аденину). (2) Формамид-маршруты — термический и радикальный: нагрев или облучение формамида в присутствии метеоритного материала дают весь набор оснований; в сценариях с ударной/протонной активацией ключевыми инициаторами выступают радикалы •NH₂ и •CN. (3) Фотокатализ на TiO₂ позволяет получать все пять оснований прямо из формамида под действием УФ. (4) В смесях формамид/вода на FeS и FeCuS минералах образуются, среди прочего, аденин и цитозин, причём выходы падают при росте доли воды. В сумме такая «грязевая» среда действует как реакционный котёл: минералы концентрируют и катализируют, а тепло, УФ и высокоэнергетические события запускают самые разные превращения, которые могут дать A, G, C и T.
всё это лабораторные демонстрации правдоподобных путей, и «единственного» природного маршрута пока достоверно не установлено
Почему не шесть и не восемь?
Расширенный алфавит — это не «больше смысла», а больше шансов сделать фатальную ошибку. Каждую «букву» нужно: (1) надёжно синтезировать в доступной среде, (2) точно комплементарно спаривать с одинаковой геометрией в двойной спирали, (3) быстро и безошибочно копировать ферментами, (4) иметь иммунитет к жёсткому ультрафиолету на первородной Земле.
Выигрыш в информационной ёмкости меркнет на фоне усложнения аппаратуры, роста частоты промахов и фоточувствительности.
А именно пурины и пиримидины чем понравились эволюции?
На практике устойчивую, изостерическую геометрию даёт один класс пар: пурин и пиримидин.
Важен диаметр двойной спирали!
- Пурины — бициклические (аденин и гуанин), пиримидины — моноциклические (тимин и цитозин) азотистые гетероциклы.
- При спаривании пурин–пиримидин дистанция между C1′ атомами сахаров (~1,08 нм) получается одинаковой по всей длине ДНК.
- Пурин–пурин → слишком широкая пара → локальное выпячивание, искажение спирали.
- Пиримидин–пиримидин → слишком узкая пара → сжатие, провал соседних оснований.
Важна равномерность укладки (π–π стэкинг) !
Регулярная геометрия нужна для плотного «стэкинга» гетероароматических колец, что даёт ключевой вклад в стабильность двойной спирали. Разная ширина пар разрушает этот эффект и снижает термостабильность.
Важна корректная работа ферментов!
ДНК-полимеразы, репарационные комплексы и белки-«читалки» ориентированы на стабильную, одинаковую геометрию. Нерегулярная спираль с пурин–пурин или пиримидин–пиримидин парами создавала бы ошибки в распознавании.
4. Водородные связи
Канонические пары A–T и G–C формируют двойные и тройные водородные связи с оптимальной ориентацией доноров/акцепторов. Пурин–пурин или пиримидин–пиримидин чаще не могут образовать такую стабильную, строго направленную систему связей в нужной ориентации.
Итог: комбинация «большое + маленькое» (пурин–пиримидин) даёт одинаковую ширину пар, стабильную укладку и корректное считывание — это ключ для долговечной, воспроизводимой спирали.
Фотоустойчивость: молекулы, которые легко «сбрасывали» возбуждение
Канонические основания ДНК умеют сбрасывать энергию поглощённого УФ за ультракороткое время (субпикосекунды) — через внутреннюю конверсию в основное состояние. Все возбуждение уходит в нагрев окружающей среды. Это резко снижает шанс фотохимического повреждения. У многих других пуринов и пиримидинов, которые могли образоваться в тех абиогенных условиях, эти каналы хуже, и молекулы «застревают» в возбуждённых состояниях, где растёт химический хаос и шанс разрушится или превратится в другую неподходящую молекулу для таких соединений очень высок в условиях постоянного «УФ-ливня».
Фотостабильность — не роскошь, а условие выживания на безозонной Земле.
Почему именно A–T и G–C ?
Аденин (A), тимин (T), гуанин (G) и цитозин (C) образуют две комплементарные пары с близкой геометрией и повторяемыми водородными связями (A–T — 2 связи, G–C — 3). Именно такая изостеричность делает диаметр спирали постоянным, а распознавание — быстрым. «Гладкая» физика укладки (стэкинг ароматических колец) + единая ширина пар = быстрое чтение и копирование с минимальными структурными ловушками. В купе с фотостабильностью A, T, G и C законно выиграли гонку на выживание на безозоновой Земле.
Кроме того, помимо A, G, C и T, в правдоподобных пребиотических условиях могли образовываться гипоксантин, ксантин, 2,6-диаминопурин, 2-аминопурин, изогуанин, оротат, изоцитозин, 2,4-диаминопиримидин, 2-тиоуроцил и 2-тиоцитозин, а также молекулы вроде барбитуровой кислоты, меламина и циануровой кислоты. Но все они не «состоялись» в составе нуклеотидов по совокупности причин: часто фотонестабильны (длинные времена жизни возбужденных состояний → фотоповреждения), дают неправильную изостерию пар (пурин–пурин слишком широки, пиримидин–пиримидин узки; многие аналоги также дают цепь с морфологическими недостатками), склонны к таутомерии и неспецифичному спариванию (высокая ошибка), химически хрупки в воде (гидролиз, дезаминирование), формируются с малыми выходами и требуют специфических условий , а также плохо совместимы с последующей биохимией (распознавание полимеразами/ремонт). В итоге на ранней безозонной Земле эволюционное преимущество закрепилось за A, G, C и T как за наиболее фотоустойчивыми, изостеричными и доступными.
Почему в ДНК — тимин, а не урацил?
Цитозин спонтанно дезаминируется в урацил. Если бы урацил был «легальным» компонентом ДНК, ремонт отличал бы его от «ошибочного» урацила крайне плохо. Метилирование урацила даёт тимин (5-метилурацил) — маркированную версию «под A», которую ферменты ремонта не путают с продуктом дезаминирования C. Это простое химико-ферментное решение снижает фон ошибок и делает ДНК долговечнее.
«А может быть по-другому?» — да, но это исключения, а не правило
Мы знаем природные и искусственные «варианты»: у цианофага S-2L аденин частично заменён на 2-аминоаденин (Z), образующий Z–T-пару из трёх водородных связей. Да, в лабораториях работают расширенные алфавиты. Но такие системы требуют специальной ферментной настройки и не показывают общебиологического преимущества в естественных условиях. Канонический набор выглядит как компромисс, отшлифованный миллиардами лет: минимум химического и структурного риска при достаточной информационной ёмкости.
Ради своего благополучия мы пытаемся разгадать химические основы жизни и понять их логику всего несколько веков, а жизни торопится было некуда и она не думала а просто перебирала варианты свои миллиарды лет.
Всё это результат молекулярного отбора на ранней, безозонной Земле по нескольким критериям одновременно: (1) готовность к фотонагрузке, (2) стабильность в воде и доступность синтеза, (3) изостерическая геометрия пар «пурин–пиримидин» для регулярной спирали, (4) ремонтопригодность (включая выбор тимина вместо урацила), (5) достаточная информёмкость без излишнего усложнения аппарата копирования и чтения. Шесть «букв» дали бы больше вариантов, но в тех условиях выиграли именно те четыре, которые лучше всех выдерживали ультрафиолет, воду и ошибки.
Четыре основания ДНК, которые мы привыкли видеть в живых системах — не «минимализм ради минимализма». Надеюсь у меня получилось об этом рассказать.
Литература:
1. Sutherland, J. D. The Origin of Life—Out of the Blue. Angewandte Chemie International Edition, 55(1), 104–121 (2016).
2. Patel, B. H., Percivalle, C., Ritson, D. J., Duffy, C. D., & Sutherland, J. D. Common origins of RNA, protein and lipid precursors in a cyanosulfidic protometabolism. Nature Chemistry, 7, 301–307 (2015).
3. Ferus, M., et al. High-energy chemistry of formamide: A unified mechanism of nucleobase formation. Proceedings of the National Academy of Sciences, 112(3), 657–662 (2015).
4. Saladino, R., Crestini, C., Pino, S., Costanzo, G., & Di Mauro, E. Formamide and the origin of life. Physics of Life Reviews, 9(1), 84–104 (2012).
5. Šponer, J. E., et al. Prebiotic synthesis of nucleic acids and their building blocks: A combined experimental and theoretical perspective. Physical Chemistry Chemical Physics, 18(30), 20047–20066 (2016).
6. Callahan, M. P., et al. Carbonaceous meteorites contain a wide range of extraterrestrial nucleobases. Proceedings of the National Academy of Sciences, 108(34), 13995–13998 (2011).
7. Middleton, C. T., de La Harpe, K., Su, C., Law, Y. K., Crespo-Hernández, C. E., & Kohler, B. DNA excited-state dynamics: From single bases to the double helix. Annual Review of Physical Chemistry, 60, 217–239 (2009).
8. Cadet, J., Sage, E., & Douki, T. Ultraviolet radiation-mediated damage to cellular DNA. Mutation Research/Fundamental and Molecular Mechanisms of Mutagenesis, 571(1–2), 3–17 (2005).
9. Watson, J. D., & Crick, F. H. C. Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid. Nature, 171, 737–738 (1953).
10. Powner, M. W., Gerland, B., & Sutherland, J. D. Synthesis of activated pyrimidine ribonucleotides in prebiotically plausible conditions. Nature, 459, 239–242 (2009).