Половые хромосомы Конфликт

Сначала было Слово. Слово обратило в свою веру доисто­рическое море и с его помощью стало беспрерывно копи­ровать себя. Слово нашло способ трансформировать хими­ческие соединения таким способом, чтобы зациклить и зафиксировать слабые завихрения в беспрерывном пото­ке энтропии, зародив жизнь. Слово преобразовало безжиз­ненную и пустынную поверхность планет в цветущий рай. И наконец, Слово вызрело в хитрую штуковину — мозг чело­века, который оказался способным постичь само это Слово.

Хитрая штуковина, которая находится в моей черепной коробке, каждый раз приходит в полное изумление, как только я начинаю думать о появлении и развитии жизни на Земле и о своем месте в этой жизни. Надо же было так случиться, что 4 млрд лет эволюции привели к тому, что в один счастливый день я появился на свет. Среди 5 млн ви­дов, населяющих Землю, мне посчастливилось родиться наделенным сознанием. Среди 6 млрд людей на планете я был удостоен чести родиться в стране, где впервые уда­лось постичь это Слово. Я был рожден всего пять лет спу­стя и всего в двух сотнях миль от того места, где два пред­ставителя моего вида установили структуру ДНК и тем са­мым раскрыли величайший и на удивление простой секрет Вселенной. Можете надсмехаться над моей восторженно­стью. Считайте меня смешным материалистом, молящимся перед трехбуквенным акронимом. Но спуститесь со мной к первоистокам появления жизни из мертвой материи, и мне, я уверен, удастся вселить в вас безмерное очарование этим Словом.

«Поскольку земля и океаны, по-видимому, были заселе­ны растительными организмами задолго до появления жи­вотных и многие семейства животных появились раньше других семейств, не можем ли мы заключить, что одна и только одна из нитей жизни была первоисточником всех остальных форм живых организмов на Земле?» — спраши­вал в 1794 году поэт, врач и разносторонне образованный человек Эразм Дарвин (Erasmus Darwin. 1794. Zoonomania: or the laws of organic life. Vol. II, p. 244. Third ed. 1801. J. Johnson, London). Это прозрение, с учетом времени, в которое оно произошло, поразительно не только потому, что было вы­сказано предположение о наличии единого источника всех органических форм жизни (эту идею через 65 лет разовьет в своей книге Чарльз — внук Эразма Дарвина), удивляет так­же использование странного словосочетания — «нить жиз­ни». В основе жизни действительно лежит нить.

Но как нить может сделать что-то живым? Жизнь — это весьма скользкое и неуловимое понятие для тех, кто хочет дать ему определение. Живые организмы обладают спо­собностью размножаться и способностью к упорядочению материи. У кролика рождаются кролики. Одуванчик дает жизнь одуванчику. Но кролик может делать другие не менее удивительные вещи. Он ест траву и преобразует хаос окру­жающего мира в собственные ткани, имеющие сложную ор­ганизацию. Но ведь второй закон термодинамики гласит, что в закрытых системах развитие происходит в направле­нии от порядка к беспорядку. Нарушения закона не проис­ходит, поскольку кролик не является закрытой системой. Кролику удается привести в порядок материю, из которой состоит его тело, только за счет расхода огромного количе­ства энергии. Как удачно заметил Эрвин Шредингер (Erwin Schrodinger), живые существа «пьют упорядоченность» из окружающей среды.

Эрвин Шредингер (1887-1961) — лауреат Нобелевской пре­мии в области физики. Он родился в Германии, долго жил в Австрии, но своими трудами прославился в Оксфорде (Англия), стоял у истоков открытия ДНК. Выше приводится цитата из его книги What is Life? (Что есть жизнь?).

Оба свойства живого реализуются только за счет нали­чия информации о том, как это делать. Способность к раз­множению становится возможной благодаря наличию пла­на построения нового организма. План построения кроль­чонка находится в яйцеклетке кролика. В свою очередь, способность к упорядочению материи с помощью метабо­лизма также основана на положительной информации — плане организации тканей и систем организма. Взрослый кролик с его способностями к размножению и метаболиз­му предопределен в нити ДНК яйцеклетки, точно так же, как пирог предопределен в рецепте поваренной книги. Эта идея перекликается с высказыванием Аристотеля в том, что «суть» цыпленка скрыта в яйце, а желудь наделен пла­ном будущего дуба. Туманные представления Аристотеля об информатике, погребенные под наслоениями следующих поколений физиков-механиков, были возвращены к жиз­ни в исследованиях современных генетиков. Как пошутил Макс Дельбрюк (Max Delbriick), греческих мудрецов следо­вало бы наградить Нобелевской премией посмертно за от­крытие ДНК (Campbell J. 1983. Grammatical man: information, entropy, language and life. Allen Lane, London).

Макс Дельбрюк (1906-1981) - родился в Берлине, но на­учную карьеру сделал в США. В 1969 году был удостоен Нобелевской премии за создание математической модели мутаций у микроорганизмов.

Нить ДНК — это письмо, записанное с помощью алфа­вита химических соединений, называемых нуклеотидами. Одна буква — один нуклеотид. Невероятно просто, даже не верится, что код жизни записан символами, которые мы можем свободно прочитать. Точно так же, как текст на английском языке, генетический код представляет собой строку символов. Так же, как в обычном тексте, символы ал­фавита совершенно равнозначны, а значение имеют лишь их комбинации. Более того, язык ДНК проще английско­го, так как генетический алфавит состоит лишь из четырех букв: А, С, G и Т.

Удивительно, как людям удалось постичь алфавит жиз­ни? В первую половину XX столетия вопрос «Что такое ген?» не давал покоя биологам. Казалось, что человечество никогда не найдет ответа на этот вопрос. Давайте вернем­ся даже не в 1953 год, когда была открыта симметричная структура ДНК, а еще на 10 лет назад, в 1943 год. Те, кому суждено будет через 10 лет раскрыть тайну жизни, в это время работали совсем над другими темами. Фрэнсис Крик (Francis Crick) разрабатывал морскую мину в лаборатории недалеко от Портсмута. В это же время Джеймс Уотсон (James Watson) только поступил в свои беспокойные 15 лет в Чикагский университет, решив посвятить свою жизнь ор­нитологии. Морис Уилкинс (Maurice Wilkins) участвовал в разработке атомной бомбы в США. Розалинда Франклин (Rosalind Franklin) изучала структуру каменного угля по программе правительства Великобритании.

В том же 1943 году в Освенциме Иозеф Менгеле (Josef Mengele) как гротескную пародию на научные исследова­ния ставит бесчеловечные эксперименты на близнецах. Менгеле пытается разобраться в наследственности, но его теория евгеники оказалась тупиковой и бесплодной вет­вью, отвергнутой будущей наукой.

В Дублине в 1943 году, бежавший от Менгеле и ему подоб­ных, великий физик Эрвин Шредингер (Erwin Schrodinger) выступает в колледже Тринити с серией лекций на тему «Что есть жизнь?». Он пытается обозначить проблему. Ему известно, что секрет жизни хранится в хромосоме: «Именно хромосомы... содержат что-то вроде кода, полно­стью определяющего будущее строение и развитие индиви­дуума, а также его функционирование в зрелом возрасте». Ген, по мнению Шредингера, настолько мал, что не может быть ни чем иным, как большой молекулой. Это прозрение затем вдохновит целое поколение ученых, включая Крика, Уотсона, Уилкинса и Франклин, на изучение проблемы, ко­торая оказалась вполне решаемой. Подойдя столь близко к ответу, Шредингер сворачивает в сторону. Он полагает, что секрет передачи наследственности с помощью молекул ле­жит в его любимой квантовой теории и, увлекаемый этим наваждением, заходит в тупик. Секрет жизни не имеет ни­чего общего с квантовой теорией. Физика здесь ни при чем (Schrodinger Е. 1967. What is life? Mind and matter. Cambridge University Press, Cambridge).

В Нью-Йорке в 1943 году шестидесятишестилетний ка­надский ученый Освальд Эйвери (Oswald Avery) завершает грандиозный эксперимент, доказывающий причастность ДНК к наследственности. Проведя серию сложных экспе­риментов, он показал, что бактерию, вызывающую пнев­монию, можно трансформировать из безвредной формы в агрессивную, обработав некоторыми химическими пре­паратами. Эйвери доказал, что передача признака связана исключительно с очищенной ДНК. В научной статье он из­ложил свое открытие в столь осторожной форме, что суть открытия смогли понять лишь немногие, и то значительно позже. Лишь в своем письме брату, написанном в 1943 году, Эйвери позволил себе говорить более открыто: «Если мы правы, что, безусловно, пока еще не доказано, то из этого следует, что нуклеиновая кислота (ДНК) не только струк­турно необходима, но и является функционально активной субстанцией, определяющей биохимическую активность и специфические характеристики клеток. Другими словами, становится возможным посредством определенной хими­ческой субстанции целенаправленно изменять клетки и де­лать эти изменения наследуемыми. Это именно то, о чем генетики мечтали долгие годы» (Judson Н. Е 1979. The eight day of creation. Jonathan Cape, London).

Эйвери почти удалось раскрыть секрет жизни, но он все еще мыслит категориями химии. «Вся жизнь — это хи­мия», — предположил в 1648 году Ян Баптист ван Гельмонт (Jan Baptista van Helmont). «По крайней мере часть жизни — это химия», — сказал Фридрих Велер (Friedrich Wohler) в 1828 году, когда ему удалось синтезировать мочевину из хлорида аммония и цианида серебра, разрушив тем самым священную стену, разделяющую миры химии и биологии. До этого считалось, что мочевина — это присущее только живой материи вещество, которое невозможно синтезиро­вать из обычных химических соединений. Представление о том, что жизнь — это химия, справедливо, но скучно, как и высказывание по поводу того, что футбол — это физика. Жизнь с некоторой натяжкой можно представить как хи­мию всего трех элементов — водорода, углерода и кисло­рода, на долю которых приходится 98% живой массы. Но биология изучает такие сложные проявления жизни, как наследственность, — вот что их интересует, а не химиче­ский состав. Эйвери не может понять, что такого есть в хи­мической молекуле ДНК, что могло бы объяснить явление наследственности. Ответ будет найден не в области химии.

В английском городе Блечли (Bletchley) в 1943 году засе­креченный великолепный математик Алан Тьюринг (Alan Turing) подошел к величайшему открытию — принципу ра­боты вычислительной техники. Разобравшись в работе не­мецкой военной шифровальной машины Лоренца, Тьюринг создает первый компьютер, названный им Colossus. В осно­ву универсальной вычислительной машины Тьюринга легла изменяемая и сохраняемая программа. Никто не осознал в то время, и даже сам Тьюринг, что он, вероятно, ближе всех подошел к раскрытию секрета жизни. Наследственность — это изменяемая и сохраняемая программа, а метаболизм — универсальная машина. Их связывает между собой код — си­стема абстрактных сообщений, которые могут быть записа­ны не важно в чем — в химических веществах, физических явлениях или даже в нематериальной форме. Основной секрет лежит в самовоспроизведении. Все, что может ис­пользовать ресурсы окружающего мира для копирования себя, — это форма жизни. А наиболее вероятной формой жизни может быть дижиталъное сообщение — число или слово (Hodges А. 1997. Turing. Phoenix, London).

Термин digital на русский язык переводится как число­вой код или сообщение, что не совсем верно, поскольку в основе кода могут лежать не только цифры, но любые дискретные символы - буквы, знаки, нуклеотиды.

В Нью-Джерси в 1943 году тихий и застенчивый фило­лог Клод Шеннон (Claude Shannon) раздумывает над иде­ей, которая ему пришла в голову в Принстоне (Princeton) несколько лет назад. Идея Шеннона состоит в том, что информация и энтропия являются обратными сторонами одной и той же монеты, и обе имеют тесную связь с энер­гией. Чем меньше энтропии в системе, тем больше в ней скрыто информации. Паровая машина может направить энергию угля в механическое вращение вала только пото­му, что машина имеет большое информационное содержание, переданное ей конструктором. То же самое с человече­ским телом. В голове Шеннона информационная теория Аристотеля соединилась с механикой Ньютона. Так же, как Тьюринг, Шеннон имел лишь базовые представления о био­логии. Но его идеи были гораздо ближе к секрету жизни, чем рассуждения химиков и физиков. Информационное со­держимое системы под названием человеческое тело — это ДНК (Campbell J. 1983. Grammatical man: information, entropy, language and life. Allen Lane, London).

Вначале было Слово, и это слово было не ДНК. ДНК поя­вилась позже, когда произошло разделение труда на биохи­мическую активность и хранение информации: метаболизм и репликацию. Но ДНК сохранила в себе отпечаток первого Слова, бережно пронеся его через все геологические эры до нашего дня.

Представим себе, что мы рассматриваем ядро человече­ской яйцеклетки под микроскопом. Давайте расположим 23 хромосомы генома человека в ряд по размеру от самой боль­шой слева до самой маленькой справа. Теперь максимально усилим увеличение микроскопа и сосредоточим внимание на самой большой хромосоме, которую мы исключительно ради удобства назовем первой. Все хромосомы имеют длин­ное и короткое плечо, разделенные перетяжкой центроме­ром. На длинном плече хромосомы 1 рядом с центромерой мы увидим многочисленные повторы из 120 букв (А, С, G и Т). Каждый повтор отделен участком случайно подобран­ных букв, за которым начинается новый повтор 120-буквен- ного текста. Всего таких повторов может быть около ста. Скорее всего, эти повторы как раз и являются остатками того самого первого Слова.

Данный повторяющийся «абзац» текста является малень­ким геном и в то же время наиболее активным из всех генов человека. 120 букв текста копируются в небольшую молеку­лу, известную как 5S РНК. Эта молекула объединяется еще с несколькими белками и молекулами РНК, тщательно подо­гнанными друг под друга, в результате чего образуется рибо­сома— машина трансляции генов в белки, в том числе в те белки, которые осуществляют репликацию ДНК. Можно сказать, что белки — это средство копирования генов в но­вые гены, а гены — средство копирования белков в новые белки. Рецепты используются, чтобы приготовить пищу, а пища нужна для написания новых рецептов. Жизнь — это бесконечная череда преобразований двух типов химиче­ских соединений — белков и ДНК.

Белки воплощают в себе такие проявления жизни, как метаболизм, дыхание и поведение, а ДНК — наследствен­ность, репликацию, размножение, пол — все, что биологи называют генотипом. Одно не может существовать без дру­гого. Точно так же, как в примере с яйцом и курицей. Что было первым, ДНК или белок? Вряд ли это была ДНК, по­скольку ДНК совершенно беспомощна, пассивный кусок компьютерной программы, неспособной к катализу хими­ческих реакций. Но это и не белок, поскольку белки — чи­стая химия, неспособная к самовоспроизведению. Так же трудно себе представить, чтобы ДНК могла самопроизволь­но породить белок, или наоборот. Этот вопрос так бы мог и остаться непостижимой загадкой, если бы Слово не остави­ло своего едва заметного следа на нити жизни — молекулы РНК. Как и в случае с яйцом и курицей, мы можем предполо­жить, что яйцо все же было раньше, поскольку динозавры, предки птиц, уже откладывали яйца. Так и в споре междуСк'лкч >м и РНК все больше свидетельств в пользу того, что РНК предшествовала белкам.

РНК — это та химическая субстанция, которая связыва­ет между собой ДНК и белки. Сейчас РНК используется в клетке главным образом как промежуточное сообщение для трансляции кода ДНК в последовательность аминокис­лот в белке. Но все меньше остается сомнений, что именно РНК была предшественницей обоих — белка и ДНК.

Слово было РНК. Существует пять свидетельств того, что РНК появилась раньше белков и ДНК.

1. Даже теперь химические ингредиенты молекулы ДНК получаются путем модификации ингредиентов моле­кулы РНК. Например, буква Т (тимин), относящаяся к ДНК, синтезируется из буквы U (урацила) — принад­лежащей РНК.

2. Многие ферменты для активации требуют присут­ствия небольших молекул РНК.

3. Кроме того, РНК в отличие от ДНК и белков способна к самокопированию без чьего-либо участия. Добавьте только в среду необходимые ингредиенты, и процесс пойдет.

4. Если внимательно рассмотреть биохимическую ак­тивность клетки, то окажется, что все основополага­ющие и реликтовые процессы происходят с участием РНК. Это РНК-зависимые ферменты считывают ин­формацию с ДНК, преобразуя ее в информационную РНК. Именно из РНК построены рибосомы, выпол­няющие трансляцию генетического кода в белок, при этом именно молекулы транспортных РНК вылавли­вают в цитоплазме аминокислоты и подносят их к ме­сту сборки.

5. И наконец, РНК в отличие от ДНК выступает в каче­стве катализатора химических процессов, разрушаю щих или синтезирующих другие химические соедине­ния, в том числе и саму РНК. РНК может вызывать собственное разрезание с последующим сшиванием

свободных концов, а также катализировать удлине­ние собственной цепи.

Открытие этих примечательных свойств РНК, сделан­ное Томасом Чеком (Thomas Cech) и Сидни Олтменом (Sidney Altman), изменило наше представление об истоках жизни. Теперь наиболее вероятным кажется то, что самым первым геном была молекула РНК, объединяющая в себе свойства репликации и катализа, — Слово, потребляющее вещества из окружающей среды для копирования самого себя. Возможно, если синтезировать случайным образом молекулы РНК прямо в пробирке, можно получить соеди­нение, которое по своим химическим свойствам будет со­ответствовать первоисточнику жизни. Примечательно, что молекулы РНК, отобранные в подобных эксперимен­тах, всегда были весьма похожи по своему содержанию на текст гена 5S РНК, который находится вблизи центромеры хромосомы 1.

В 1989 году за открытие свойств РНК Томас Чек и Сидни Олтмен были награждены Нобелевской премией.

Намного раньше первого динозавра, первой рыбы, первого червя, первого растения, первого гриба и первой бактерии на Земле царил мир РНК. Это было, вероятно, около 4 млрд лет тому назад. Нам неизвестно, как выглядел этот РНК-овый организм. Мы можем только предполагать, какой была химическая активность данного соединения, обеспечивающая его самовоспроизведение. Неизвестно, был ли прародитель у этого организма. Но мы можем быть уверены, что он был, поскольку на это указывают свойства современных молекул РНК (Gesteland R. Е, Atkins J. Е (eds). 1993. The RNA world. Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, New York).