Айзек Азимов - Загадки мироздания
Чтобы понять, как такое возможно вообще, давайте рассмотрим химическое строение хромосомы или вируса.
Содержимое хромосомы или вируса представляет собой длинную, закрученную спиралью цепочку атомов, представляющую собой молекулу нуклеиновой кислоты. Разновидность нуклеиновой кислоты, содержащаяся как в хромосомах, так и в более сложных вирусах, называется «дезоксирибонуклеиновая кислота», сокращаемая обычно как ДНК. Молекулу ДНК окружает белковая оболочка.
Молекулы как ДНК, так и белка имеют чрезвычайно сложное строение и могут иметь бесчисленное множество вариантов (см. главу 2). О разнообразии белков биохимики знали на протяжении уже более века, а вот нуклеиновые кислоты попали в поле зрения ученых достаточно недавно. Кроме того, белки строятся из составных единиц более двадцати различных типов, а нуклеиновые кислоты — только из четырех. Поэтому до 1940-х годов считалось само собой разумеющимся, что именно белки, а не ДНК представляют собой самую важную часть хромосомы или вируса. Однако начиная с 1944 года стали накапливаться факты, говорящие в пользу именно ДНК.
В качестве примера можно привести эксперимент, который провел в 1955 году Хайнц Френкель-Конрат, занимаясь химическими исследованиями в Калифорнийском университете в Беркли. Френкель-Конрат сумел разделить белковую оболочку и нуклеиновокислотное ядро вируса. Ни одна из этих составляющих по отдельности, ни белок, ни нуклеиновая кислота, не могла заразить клетку — вирус казался мертвым. Тогда ученый смешал обратно белок с нуклеиновыми кислотами, и некоторая часть вирусов смогла снова объединиться и обрести способность заражать клетки.
Некоторое время этот эксперимент воспринимался как убийство живого организма с последующим его воскрешением. Хотя организм, о котором идет речь, и представлял собой простейшую из возможных форму жизни, новость о самой возможности воскрешения попала во все заголовки газет.
Впрочем, выяснилось, что никто в ходе эксперимента не умирал и не воскресал. Живым существом оказалась сама нуклеиновая кислота. В некоторых (очень редких) случаях ей удавалось заразить клетку и в отсутствие белковой оболочки. Белок помогает нуклеиновой кислоте проникнуть в клетку, как автомобиль помогает человеку добраться из Нью-Йорка до Чикаго, но в принципе нуклеиновая кислота может, хоть и с трудом, сделать это сама, так же как человек может в случае крайней необходимости добраться из Нью-Йорка до Чикаго пешком.
Оказалось, что и при заражении клетки целым, не разделенным, вирусом внутрь клетки проникает лишь нуклеиновая кислота. Белковая оболочка, выполнив свою задачу — облегчив проникновение, остается сброшенной снаружи. Нуклеиновая же кислота, попав внутрь клетки, не только размножается сама, но и обеспечивает формирование там же белковой оболочки (ведь составляющий ее белок не совпадает в точности ни с одним из белков, вырабатываемых клеткой самостоятельно).
На нуклеиновых кислотах, и в первую очередь на самой важной их разновидности — ДНК, — ученые сосредоточили свое внимание после 1944 года. Физик новозеландского происхождения Морис Уилкинс, один из британских разработчиков атомной бомбы во время Второй мировой войны, рассмотрел ДНК с помощью облучения молекул рентгеновскими лучами. Полученные им таким образом фотографии тщательно изучили британский коллега ученого биохимик Фрэнсис Крик и американец доктор Джеймс Уотсон. В 1953 году эти двое установили строение ДНК, выяснив, что это двойная спираль из четырех различных, но очень похожих между собой структурных единиц, получивших название «нуклеотиды».
В зависимости от распределения нуклеотидов между собой возможных вариантов строения всей молекулы ДНК получается несчетное множество. Уотсон и Крик установили, что молекула ДНК может формировать новые молекулы, являющиеся точной копией ее самой.
Другие биохимики долго и кропотливо выясняли и наконец установили, каким именно образом последовательность элементов ДНК приводит к образованию белка с конкретной, единственно соответствующей ей последовательностью аминокислот. Отдельные участки ДНК способны производить каждый свой фермент, и именно таким образом ДНК и управляет всей внутриклеточной химией. Система соответствий последовательности нуклеиновой кислоты и последовательности аминокислот в белке называется генетическим кодом.
Теперь очевидно, что главной химической реакцией живой материи является способность молекулы ДНК воспроизводиться. Эта реакция — основной закон жизни, все остальное — лишь комментарии. Следовательно, если мы сможем образовать молекулу ДНК из простых, неживых химических соединений, то это и будет синтезом изначальной жизни. Конечно, между этим достижением и синтезом человека может лежать еще целая пропасть научной работы, но все же синтез ДНК стал бы первым настоящим шагом по мосту через эту пропасть. А граница между живой и неживой материей была бы пересечена раз и навсегда.
А как же пересекла эту границу в свое время сама природа? Ведь это произошло миллиарды лет назад, когда не было еще ни ферментов, которые могли бы облегчить работу, ни других нуклеиновых кислот, которые могли бы послужить шаблоном.
Скорее всего, на доисторической, безжизненной еще Земле лишь достаточно простые по строению молекулы могли присутствовать в большом количестве в океане, который принято считать колыбелью жизни, и в атмосфере. Состав этих молекул можно приблизительно высчитать по общему составу молодой Земли (а его, в свою очередь, по известному нам составу Солнца и всей Вселенной в целом) с применением известных нам химических законов.
Итак, предположим, что мы взяли исходные молекулы воды, аммиака, метана, синильной кислоты и прочих и стали подвергать их энергетическому воздействию в виде ультрафиолетового и радиоактивного излучения, потоков электронов и электрических разрядов (молний). Всего этого в условиях доисторической Земли было предостаточно. Что же произойдет?
Чарлз Дарвин, основатель теории эволюции путем естественного отбора, задался этим вопросом еще сто лет назад. Его интересовало, не мог ли химический состав живых существ самостоятельно зародиться из такой системы; не имела ли место некая химическая эволюция, аналогичная эволюции биологической.
Первым, кто попытался с помощью эксперимента найти ответ на этот вопрос, стал Мелвин Кальвин из Калифорнийского университета. В 1951 году он стал подмечать, что под воздействием энергонесущего излучения из простых веществ могут образовываться сложные.
В 1952 году Стэнли Миллер из Чикагского университета продвинулся еще дальше в этом вопросе. Он поместил простые химические вещества вроде тех, что присутствовали на доисторической Земле, в камеру, совершенно лишенную какой бы то ни было живой материи, и на протяжении недели подвергал их воздействию электрических разрядов. Через неделю в смеси обнаружилось достаточно много гораздо более сложных веществ, в том числе четыре аминокислоты, аналогичные встречающимся в составе природных белков.
С тех пор целый ряд других химиков, в их числе Филипп Абельсон из Института Карнеги и Джоан Ото из Хьюстонского университета, проводили подобные же эксперименты. Под воздействием энергии в различных формах из простых веществ во всех проводимых экспериментах образовывались сложные, а из этих сложных — еще более сложные. И все получаемые сложные вещества оказывались сходными с теми, что обнаруживаются в составе живых тканей. Видимо, когда-то давно и естественный путь зарождения жизни был таким же — вслепую и наугад, но неуклонно вперед.
В частности, цейлонско-американский биохимик Сайрил Поннамперума во время работы в Научно-исследовательском центре Эймса при НАСА продемонстрировал процесс пошагового производства молекул нуклеотидов — строительного материала для нуклеиновых кислот. В нуклеотиде содержится атом фосфора. Следовательно, в исходный состав были добавлены простые фосфорсодержащие соединения. Совместно с такими учеными, как Карл Саган и Руфь Маринер, Поннамперума провел серию экспериментов, в результате которых была получена полноценная нуклеотидная молекула. К 1963 году уже удалось синтезировать нуклеотиды в особо энергетически насыщенной форме, из которых можно создавать и сами нуклеиновые кислоты.
И вот в сентябре 1965 года Поннамперума объявил о том, что ему удалось продвинуться еще на шаг — объединить два нуклеотида в динуклеотид, в котором оба нуклеотида были соединены с помощью той же самой химической связи, что объединяет нуклеотиды и в естественных нуклеиновых кислотах.
Теперь в распоряжении химиков оказалась непрерывная цепь поэтапного синтеза, начиная с самых простых веществ, существующих на нашей планете с тех пор, как она впервые обрела современный вид, и заканчивая молекулами, из которых состоят уже сами нуклеиновые кислоты. В этой цепи нет ни одного недостающего звена.
