Чтение онлайн

Дать краткое определение «жизни» или «живого» не просто. Конечно, под «живым» я не обязательно имею в виду думающее или чувствующее существо, поскольку для биолога растения несомненно являются живыми, а некоторые люди (не считая немногих легковерных индивидуумов без научной подготовки) верят, что растения думают и чувствуют, как мы и другие животные. Бактерии — сколь ни мало они должны ощущать, хотя бы могут «чувствовать запах» молекул пищи и плыть к ним, — конечно же следует считать живыми. С вирусами дело обстоит сложнее. Здесь мы вплотную приближаемся к границе живого и неживого. Возможно, лучший способ подойти к решению задачи — это описать то, что мы знаем об основных процессах жизни, снимая шелуху с луковицы до тех пор, пока останется совсем немногое или вообще ничего, и затем обобщить то, что мы узнали.

Когда мы делаем это, то не можем не поражаться очень высокой степени организованной сложности, которую находим на каждом уровне, а особенно на молекулярном уровне, так как у нас есть все основания считать, что структуры, легко видимые невооруженным глазом, а также структуры, видимые только в микроскоп, — все созданы путем сложных взаимодействий своих молекулярных составляющих. Насколько сложны эти макромолекулы и как именно они образованы?

Самый выдающий пример молекулярной архитектуры, найденный в живых организмах, — без сомнения, белковое семейство. Даже относительно простой белок может насчитывать до двух тысяч атомов, образуя Довольно точную трехмерную структуру (при этом каждый атом находится на предназначенном ему месте), если ее не нарушили постоянные столкновения, вызванные тепловым движением. Более того, эта сложная трехмерная форма жизненно важна для его функции. Если молекула в растворе воды нагревается, то в большинстве случаев увеличившаяся температура сначала ослабит, а затем разорвет непрочные связи, соединяющие лежащую в ее основе цепочку и ее правильную складку, настолько, что ее структура придет в беспорядок и расстроится. На ее поверхности уже не будет правильных впадин с соответствующими химическими группами, и поэтому она больше не сможет выполнять свою первоначальную функцию. Если в растворе есть другие молекулы белка, также находящиеся в этом дезорганизованном состоянии, то они могут слипнуться друг с другом и свернуться, так что даже в случае охлаждения раствора сплетенная масса не может вновь распутаться. Сварите яйцо, и толстая суспензия белков превратится в безнадежно перемешанную массу, став механически твердой там, где прежде она была мягкой и текучей.

На первый взгляд, задача создания точной копии неповрежденной трехмерной структуры белка с ее хорошо организованной естественной складкой может показаться очень трудной. Ее можно было бы представить как создание молекулярного слепка с поверхности, как, например, его можно снять со скульптуры. Но как скопировать внутреннее строение молекулы? Природа решила эту проблему с помощью изящного приема. Полипептидная цепь синтезируется как вытянутая, довольно одномерная структура, а затем свертывается. Процесс свертывания направляется по точному образцу боковых цепочек, которые взаимодействуют друг с другом и с остовом, используя многочисленные, слабые взаимные связи. Молекула исследует постоянные благоприятные возможности, предложенные тепловым движением до тех пор, пока не найдет оптимальную складку. Затем различные сегменты молекулы аккуратно стягиваются воедино, столь точно соответствуя друг другу, что дальнейшее тепловое движение оставляет молекулу относительно спокойной.

Все, что нужно клетке для создания этого чуда молекулярного строения, — это связать воедино аминокислоты (которые образуют поли пептидную цепь) в правильном порядке. Это очень сложный биохимический процесс, молекулярный сборочный конвейер, где используются инструкции в виде ленты нуклеиновой кислоты (так называемая информационная РНК), которую в общих чертах мы опишем в главе 5. Здесь нам лишь необходимо задать вопрос: сколько же существует возможных белков? Если конкретная последовательность аминокислот выбрана случайно, то какова вероятность этого события?

Для комбинаторики эта задача не представляет трудности. Предположим, что длина цепи около двухсот аминокислот; то есть она, во всяком случае, намного короче средней длины белков всех типов. Так как мы имеем только двадцать возможностей на каждом месте, то количество возможностей — это двадцать, умноженное на само себя около двухсот раз. Это удобно записать как 20200, и оно приблизительно равняется 10260, то есть единице с 260 нулями!

Это число всецело находится за пределами наших обычных представлений. Для сравнения возьмем количество фундаментальных частиц (проще говоря, атомов) во всей видимой Вселенной, не только в нашей галактике с ее 1011 звездами, но во всех миллиардах галактик, вне пределов видимого пространства. Это число, которое по оценке должно составить 1080, действительно незначительно по сравнению с 10260. Более того, мы лишь рассмотрели полипептидную цепь довольной средней длины. Если бы мы также рассмотрели более длинные цепи, то эта цифра оказалась бы еще более необъятной. Можно доказать, что с тех пор как на Земле появилась жизнь, количество различных полипептидных цепей, которые могли бы быть синтезированы за все это долгое время, составляет только незначительную долю вообразимого их числа. Значительное большинство последовательностей вообще никогда не могло быть синтезировано, ни в какое время.

Эти подсчеты учитывают только последовательность аминокислот. Они не принимают во внимание тот факт, что многие последовательности не сворачивались удовлетворительным образом в устойчивую компактную форму. Какая часть всех возможных последовательностей сделала это — неизвестно, хотя есть предположение, что она явно невелика.

Поясним это с помощью свободной аналогии. Возьмем абзац текста, написанный на английском языке. В нем используется набор символов, состоящий примерно из тридцати знаков (буквы и знаки препинания, без учета заглавных букв). В типичном абзаце примерно столько же букв, сколько в типичном белке аминокислот. Таким образом, подсчет, подобный описанному выше, покажет, что количество различных последовательностей букв соответственно огромно. На самом деле существует ничтожно малая надежда, что миллиард обезьян на миллиарде пишущих машинок когда-либо правильно напечатают хотя бы один сонет Шекспира в течение нынешней жизни Вселенной. Многое из того, что было напечатано, окажется совершенно невразумительным. Если мы поинтересуемся какая часть возможных абзацев будет иметь хоть какой-то смысл, то обнаружим, что она также окажется весьма незначительной.

Тем не менее, количество полных смысла абзацев также очень значительно, даже если у нас нет простого способа вычислить это число. Точно также, количество возможных, различных, компактных устойчивых белков может быть очень большим.

Как мы узнали, даже на этом самом основном уровне, существуют сложные структуры, которые встречаются во множестве совершенно идентичных копий — то есть те, которые организовали сложность и которые не могли возникнуть по чистой случайности. Жизнь, с этой точки зрения, является бесконечно маловероятным событием, и все же мы видим, что она кишит вокруг нас во всех проявлениях. Как же такие маловероятные явления могут быть столь распространенными?

Лишенный многих своих очаровательных сложностей основной механизм очень прост. Его предложили как Дарвин, так и Уоллес, каждый из которых понял его принцип, прочитав Мальтуса. Живые организмы обязательно должны бороться за пищу, самца или самку, жизненное пространство, особенно с другими особями своего вида. Они должны избегать хищников и других опасностей. В силу всех этих различных причин некоторые оставляют больше потомства, чем другие, и последующим поколениям будут преимущественно передаваться генетические характеристики именно таких, получивших преимущество репликаторов. На более специальном языке, если ген наделяет повышенной «приспособляемостью» своего обладателя, то такой ген, вероятнее, обнаружится в генофонде следующего поколения. В этом состоит сущность естественного отбора. На первый взгляд, это кажется почти тавтологией; однако здесь имеют значение не слова, а лежащие в основе всего механизмы. Можем ли мы выразить самыми абстрактным терминами, какими они должны быть?

Первое очевидное требование касается репликации и к тому же довольно точной репликации. Нам необходимо передать значительное количество информации в качестве инструкций, чтобы создать ту сложность, которая характеризует жизнь, и если эта информация не копируется с приемлемой точностью, то механизм будет разрушаться под накопившимся грузом ошибок. С другой стороны, абсолютная точность не требуется. Несомненно, всем копиям не следует быть абсолютно тождественными. Многие ошибки копирования окажутся помехой, но некоторые из них, вероятно, приведут к улучшению, позволяющему гену функционировать более эффективно. Они нам необходимы для того, чтобы заработал естественный отбор. Таким образом, нам нужны мутации, как называются эти генетические ошибки, но их не должно быть слишком много. На практике необходим исключительно низкий процент ошибок, действительно столь низкий, что клетка обычно должна принимать особые меры предосторожности, чтобы исправить большинство этих ошибок, оставляя только некоторые для создания нужного разнообразия, если вид должен в дальнейшем сохранить свои позиции и развиваться.

Важно отметить, что сами мутации должны копироваться с помощью механизма репликации. Те ошибки, которые нельзя скопировать, бесполезны, так как они только запутают всю систему. Подобные ошибки каким-то образом должны быть устранены. Столкнувшись с такой химической ошибкой, система копирования может пропустить ее и поместить наугад в одну из стандартных букв. Для того, чтобы заработал естественный отбор, не имеет большого значения, какая сделана ошибка, пока конечным результатом не станет изменение, которое можно точно скопировать в последующих поколениях.

Репликация и мутация — это два важнейших требования. Отсюда вытекает, что ген может быть более или менее «приспособлен». Самое минимальное преимущество, которое он может иметь, заключается в том, что его можно быстрее и чаще копировать по сравнению с его собратьями. Обычно он получает эту способность более опосредованными путями. Он может направлять создание информационной РНК, которая кодирует белок, имеющий некоторое особое и желательное свойство с тем, чтобы организм, который им обладает, получил некоторое преимущество в борьбе за появление более многочисленного и лучшего потомства На научном языке, улучшенный ген обычно непременно изменяет не только генотип (совокупность генов в организме), но также свой фенотип (приблизительно, свойства, которые он демонстрирует миру.) Как правило, это непременно основывается на свойствах или избытке одного или более белков, так как белки управляют большей частью химических процессов, происходящих в теле, тогда как нуклеиновая кислота, особенно ДНК, выполняет немного функций, за исключением репликации и кодирования белков, а также некоторых структурных молекул РНК.