Норман Хоровиц - Поиски жизни в Солнечной системе
Откуда же информация поступает в гены? Непосредственный источник ее — гены родителей. Первичным же источником этой информации являются случайные мутации — произвольные изменения отдельных нуклеотидов, а иногда более значительные перестройки ДНК, отобранные и закрепленные в процессе естественного отбора. Мутантные гены реплицируются[2] так же, как и все другие, но при трансляции[3] они дают начало белкам с новой последовательностью аминокислот и новыми свойствами или вызывают образование измененных генетических программ развития. В большинстве случаев возникшие мутации либо вредны, либо бесполезны и поэтому отсеиваются в процессе естественного отбора. Однако иногда мутация приводит к синтезу нового полезного белка или изменению процесса индивидуального развития, что дает то или иное преимущество особи, обладающей им. Такая мутация сохраняется и распространяется благодаря естественному отбору, так как несущие ее особи оставляют в среднем больше потомства, чем не имеющие ее. В конце концов мутантный тип может стать доминирующим в популяции.
Возникновение у насекомых и клещей вновь приобретенной устойчивости к инсектицидам — явление, наблюдаемое во всем мире, — объясняется именно такой эволюцией белка и последующим распространением новой формы. У некоторых видов насекомых синтезируется мутантная форма ацетилхолинэстеразы (фермента, необходимого для жизнедеятельности нервных клеток), которая нечувствительна к органическим фосфатам, специально предназначенным для ее уничтожения. Недавно у них возник новый мутантный фермент дегидрохлориназа, который разрушает ДДТ, что обеспечило устойчивость мух и москитов к этому химическому препарату. Вполне естественно, что новые белки создаются не только у насекомых, но и у бактерий, у которых устойчивость к антибиотикам вырабатывается настолько часто, что это ставит серьезные проблемы перед здравоохранением. Исследования показали, что инсектициды и антибиотики сами по себе не вызывают мутаций, приводящих к возникновению устойчивости. Очевидно, что подобные мутации присутствуют в популяциях, еще не подвергавшихся воздействию препаратов, однако там они встречаются довольно редко. Неоднократное воздействие токсического вещества уничтожает особей, чувствительных к этому веществу, тогда как устойчивые мутанты, размножаясь, приходят на смену исходному типу.
Приведенные примеры касаются случаев небольших эволюционных изменений, которые произошли сравнительно недавно. Вся же генетическая информация, заложенная в организмах того или иного вида, является результатом очень длительной истории таких изменений. Таким образом, всю совокупность генов можно рассматривать как "летопись" случаев полезных мутаций, идущую из далекого прошлого.
Теперь мы можем ответить на вопрос: "Что такое жизнь?". Характерным генетическим признаком живых существ является способность к саморепликации и мутациям, лежащая в основе эволюционного развития всех структур и функций, которыми и отличаются живые объекты от неживых. В таком случае на наш вопрос можно ответить примерно так: жизнь равнозначна наличию генетических свойств. Любая система, способная к свободным мутациям и их последующему воспроизведению, почти неизбежно должна развиваться по пути, обеспечивающему ее выживание. За свою долгую эволюцию она достигает той степени сложности, разнообразия и целесообразности в своем строении, которую и принято обозначать словом "живое". Таким образом, тот "творец", следы деятельности которого мы находим повсюду в живом мире, есть не что иное, как естественный отбор, влияющий на спонтанные мутации на протяжении длительного времени.
Взгляд на природу жизни в генетическом аспекте был впервые изложен одним из основателей современной генетики американским ученым Г.Дж. Мёллером (1890–1967), открывшим мутагенное воздействие рентгеновского излучения. Задолго до того, как была выяснена химическая природа генов и их связи с белками, Мёллер написал работу "Ген как основа жизни", которую представил на международном конгрессе, состоявшемся в 1926 г. В ней отмечалось, что в основе феномена жизни лежат саморепликация и мутабильность. Мы не можем здесь подробно излагать его тщательно аргументированные доводы, но приведем хотя бы небольшой отрывок из резюме статьи, где отражены логика и стиль автора.
Замечено, что процесс роста включает в себя механизм "специфического аутокатализа", без которого существование жизни невозможно. Известно, что ген, находясь в окружении протоплазмы, обладает подобным свойством. Еще более удивительно, что ген может мутировать, не теряя своей специфической аутокаталитичсской способности. Благодаря такому исключительному свойству его возможности превышают уровень, соответствующий простому функционированию, а это вызывает невероятные предположения, что любая другая часть протоплазмы независимо от гена также обладает аутокаталитической активностью, ибо в действительности "рост" остальной части протоплазмы, вероятно, следует рассматривать как побочный результат генной активности. Точно так же невероятно трудно предположить, что за аутокатализ ответственна основная часть простейшей живой материи, высокоорганизованного ("протоплазменного" по своей природе) вещества, связанного с геном. Следуя этой логике, приходим к выводу, что простые по своей структуре гены, по-видимому, и сформировали основу первичной живой материи. Возможность мутировать без потери способности к росту, присущая только живым организмам, позволила им эволюционировать в более сложные формы с образованием таких побочных продуктов, как протоплазма, сома и т. д., которые в наибольшей степени способствовали их выживаемости. Таким образом, вероятно, именно гены и составляют основу жизни.
Подобный генетический подход признается сейчас практически всеми учеными. Негенетические определения жизни обычно выглядят слишком расплывчатыми либо чересчур ограниченными. Например, если пользоваться ими, то кристаллы или пламя трудно исключить из разряда "живого". Ведь кристаллы обладают высокой степенью упорядочения и способностью к росту, так как зародыши кристаллизации могут воспроизводить самих себя. Пламя способно не только к росту и самовоспроизведению в виде искр — благодаря активному "метаболизму" оно может поддерживаться.
Генетическое определение жизни позволяет нам сделать чрезвычайно важное заключение общего характера: поскольку все гены и белки построены из одних и тех же нуклеотидов и аминокислот, а генетический код (за небольшими исключениями) также универсален, все земные организмы в своей основе одинаковы. Несмотря на всю загадочность феномена жизни, на Земле существует только одна ее форма, и она должна была зародиться лишь однажды.
Жизнь и химия углерода
Генетический подход к эволюции подразумевает, что жизнь связана с химическим составом живой материи. Об этой связи и пойдет речь. Вопрос о химическом строении биологических форм, безусловно, интересен сам по себе, но представление о химической структуре внеземных организмов особенно важно для каждого, кто занимается поисками жизни на Марсе. Жизнь на нашей планете определяется химическими свойствами углерода. Компоненты генетической системы образованы соединениями углерода с небольшим числом других, главным образом легких элементов: водорода, азота, кислорода (см. табл. 2). А может ли какой-то другой химический элемент заменить углерод в биохимических процессах? Хотя писатели — фантасты нередко отвечают на этот вопрос утвердительно, это отнюдь не означает, что подобная замена действительно возможна.
Химики не раз отмечали, что характерной особенностью атомов углерода является способность к формированию, по-видимому, безграничного числа больших, сложных, но вместе с тем достаточно стабильных молекул. Прежде всего атом углерода обладает уникальной способностью образовывать четыре сильные химические связи — называемые ковалентными — с другими атомами, включая атомы самого углерода. Поскольку ковалентные связи имеют пространственную ориентацию, атомы углерода могут создавать скелеты гигантских трехмерных структур определенной архитектуры, подобные белкам и нуклеиновым кислотам.
Другая важная особенность соединений углерода — их химическая инертность. В условиях, господствующих на земной поверхности, органические соединения термодинамически нестабильны. Они не находятся в равновесии с окружающей средой, а подобно камню, лежащему на склоне горы, под действием любого достаточно сильного внешнего толчка "скатываются" вниз к равновесному состоянию. Так, при нагревании или в присутствии катализаторов активированные органические вещества соединяются с кислородом атмосферы: многие органические соединения взаимодействуют также с водой или испытывают ряд других изменений. Но, несмотря на свою термодинамическую нестабильность, соединения углерода химически инертны, т. е. с трудом вступают в реакции.
