Лев Мухин - Планеты и жизнь
Но ведь мало передать информацию. Клетка при делении дает потомство. Оно должно превратиться во взрослые, полноценные организмы. Пища в окружающем мире есть. Автотрофные организмы используют углекислый газ как источник углерода, микроорганизмы извлекают из окружающей среды необходимые для питания простые вещества. В любом организме эти простые вещества превращаются в сложные полимерные молекулы, среди которых центральное место занимают белки.
Не будь белков, клетка была бы мертва.
Представим себе на минуту клетку с нуклеиновыми кислотами, но без белков. Все, что нужно клетке для жизни, записано в молекуле ДНК. Но эта инструкция мертва. Некому открыть словарь нуклеиновых кислот, нет исполнителей инструкций.
Встречается ли такая ситуация в современной биологии? Конечно же. В мире вирусов. Маленький кусочек нуклеиновой кислоты мертв. Но стоит ему попасть в клетку, как начинаются удивительные процессы. Вторгаясь в клетку, вирус «приказывает» ей жить по-другому, нежели она жила до этой драматической встречи.
Но самое главное: в основе нормальной работы клетки и работы по «чужому приказу» лежит один и тот же механизм. Именно этот механизм в эволюционном плане — величайшая загадка и современной молекулярной биологии, и проблемы происхождения жизни. Речь идет о матричном синтезе белка и генетическом коде.
Глава VIII
ВЕЛИКАЯ ЗАГАДКА КОДА
15 миллиардов лет развивалась Вселенная. Из протокапли родились частицы, элементы, звезды, галактики.
Мысль человека сумела объяснить многие процессы, происходящие в неживой природе. Конечно, и в физике элементарных частиц, и в планетной космогонии, и в космологии остаются еще не решенные вопросы. Но мне кажется, что по своему удельному весу в истории развития научного мышления человека, по своему философскому и общенаучному значению среди нерешенных вопросов нет более крупной, притягательной и таинственной проблемы, чем проблема происхождения жизни.
В рамках этой проблемы наибольшее число вопросов вызывают эволюция генетического кода и процесс матричного синтеза белка. Видимо, именно на матричном синтезе замыкается весь круг проблем, связанных с происхождением живых систем. Как-то после семинара в Институте белка Академии наук СССР мы разговаривали с академиком А. Спириным в его лаборатории. Он демонстрировал созданные в институте модели рибосом — клеточных органелл, принимающих участие в постройке белковых молекул.
«Не могу представить себе, — сказал он, — чтобы рибосомы могли каким-нибудь образом эволюционировать.
Они столь совершенны, что должны были появиться сразу».
Эта полушутливая фраза одного из наших крупнейших специалистов по механизмам биосинтеза белка в полной мере отражает основную трудность задачи. Конечно же, и рибосомы и весь аппарат синтеза белков в клетке должны были эволюционировать. Но как?? Пока ученые не решат этого вопроса, проблема происхождения жизни будет оставаться столь же загадочной, как и вчера. А тут еще рибосомы. Да добро бы только рибосомы. Есть задача и посложнее.
В двадцатых годах нашего столетия профессор У. Астбюри начал изучать рентгенограммы человеческого волоса, Оказалось, что молекулы белка в человеческом волосе расположены строго упорядочение и независимо от того, у кого взят волос, у блондина или брюнета, дают одинаковую и строго определенную картину в потоке рентгеновских лучей.
Астбюри провел эксперимент, который, по его собственному признанию, был одним из самых волнующих в его жизни. Будучи страстным любителем музыки, он сумел раздобыть на время прядь волос Моцарта и снял их рентгенограмму. Расположение белковых молекул в волосах великого композитора ничем не отличалось от их расположений в волосах обычных людей.
Но здесь речь идет только об упорядоченности молекул, причем у организмов одного вида. А что можно сказать о химическом составе сходных белков, например известного всем гемоглобина, у различных биологических видов?
За многие миллионы лет эволюции живого мира в составе идентичных белков произошли определенные изменения. Гемоглобин лошади, выполняя те же функции, что и гемоглобин человека, несколько отличается от него по своей аминокислотной последовательности. Означает ли это, что у лошади механизм образования гемоглобина, да и любого другого белка иной, чем у человека?
Вопрос можно поставить глубже.
Каким образом происходит снятие копии живого организма? И как клетка делает белки, необходимые ей для нормальной жизни?
Мы видели, что первый $тап этого процесса — редупликация генетического материала клетки, молекул ДНК — Но, спрашивается, зачем это нужно клетке? Зачем ей передавать потомству точную копию своей нуклеиновой кислоты?
Процесс редупликаций генетического материала нельзя отделять от процесса образования дочерней клетки как целого.
Чтобы получилось полноценное потомство, недостаточно просто снять копию с ДНК. Нужно, чтобы дочерняя клетка имела такой же полный запас белков, мембрану, все необходимые клеточные органеллы, как и ее родитель.
В одной клетке кишечной палочки три тысячи типов различных белков. Именно в молекулах ДНК зашифрована вся информация, как их нужно делать. Поэтому-то великое таинство жизни — рождение потомства — и начинается с редупликации ДНК. и передачи копии генофонда «по эстафете», от родителей к детям.
Но генофонд сам по себе, в изоляции, ничего не может сделать. Находясь же в крохотном кусочке живой материи — клетке, он творит чудеса, вернее, клетка, используя генофонд, творит чудо, строя свою полную копию. Клетка «знает», как это делать.
В 1973 году в офисе известного в США журналиста, специализировавшегося на научно-популярных статьях, Д. Рорвика раздался телефонный звонок. Миллионер, имя которого Рорвик обещал держать в тайне, обратился к нему с просьбой, которая вполне могла бы послужить сюжетом научно-фантастического романа. Однако миллионер был полностью в курсе достижений современной молекулярной генетики; и, хотя его разговор с Рорвиком действительно слегка отдает фантастикой, беседа эта явилась еще одним подтверждением колоссальных успехов современной науки.
Миллионер попросил журналиста подыскать ученых, которые бы согласились сделать… его (миллионера) живую копию. Такие ученые нашлись.
За пределами США была создана секретная лаборатория, где в течение двух лет готовились к решающему опыту. Извлеченную из тела миллионера клетку слили в пробирке с яйцеклеткой, ядро которой предварительно разрушили, чтобы остались в «живых» только генетические признаки миллионера. «Оплодотворенную» яйцеклетку имплантировали (ввели) приемной матери, у которой через 9 месяцев родился нормальный ребенок — сын и в то же время брат-близнец миллионера, его абсолютно точная копия.
Эту поразительную историю поведал миру один из научно-популярных журналов. Выдумка это или действительный факт — неизвестно. Ясно лишь одно. В принципе такой эксперимент сделать можно. Современной науке это по плечу.
Не будем останавливаться сейчас на моральных аспектах подобных опытов. Ясно, что возможное «клонирование» людей идет вразрез с тысячелетними этическими нормами человечества. Но этот пример еще раз заставляет нас вернуться к вопросу о том, как клетка строит свою копию.
Процесс этот исключительно сложен. Гораздо легче обсуждать космические явления, образование планет.
Конечно, и здесь есть масса неясных моментов. Но тем не менее физика — гораздо более простая наука, чем молекулярная биология. Даже если считать, что современная физика началась с Ньютона, то наука эта весьма преклонного возраста. А молекулярной биологии (будем считать днем ее рождения открытие двойной спирали ДНК) нет еще и тридцати лет.
Физика проста потому, что она имеет дело с малым числом изучаемых объектов. Можно в рамках физических законов описать поведение материальной точки, можно описать взаимодействие двух тел. Знаменитая задача трех тел уже вызывает определенные трудности.
Когда физик хочет описать поведение молекул газа, ему трудно вычислить траекторию каждой отдельно взятой молекулы. В этом случае он пользуется законами статистической физики и описывает поведение коллектива молекул.
А в молекулярной биологии? Нам нужно знать, как ведет себя каждый из трех тысяч белков кишечной палочки, каждый фермент, каждая молекула нуклеиновой кислоты. Причем ясно, что в конечном итоге все процессы в клетке определяются законами физики. Но как с точки зрения физики описать полностью эти процессы, мы пока не знаем.
Сейчас в молекулярной биологии эпоха накопления фактического материала, и попытаемся пока просто на основании имеющихся данных поглядеть, каким же образом клетка печатает свои собственные копии, размножается.
