Читать книгу: «Нереальная реальность. Вся трилогия в одной книге», страница 8
Глава 27. ДНК
Внутри каждого клеточного ядра находится 46 спутанных пучков – хромосом, из которых 23 материнские и 23 отцовские. В них содержатся все необходимые инструкции по созданию и дальнейшему поддержанию жизни организма.
Хромосомы, в свою очередь, сделаны из длинных нитей дезоксирибонуклеиновой кислоты – ДНК. Одна нить нуклеиновой кислоты обернута вокруг другой, образуя сплетённую пару.
ДНК – самая важная и самая необычная молекула на Земле, основа нашей жизни.
В вашем организме насчитывается 100 000 000 000 000 клеток. В каждой клетке содержится почти 2 метра плотно упакованных нитей ДНК. В объёме, равном точке над буквой «i», спрессовано около 400 метров ДНК. Подсчитано, что общая длина этих нитей в теле человека составляет 20 000 000 000 000 километров. Это половина расстояния от Солнца до ближайшей звезды. Только вдумайтесь, внутри вас находятся тончайшие жизнеобразующие нити такой протяжённости, которую свет, летящий со скоростью 300 000 км/с, преодолевает целых два года.
Каждая нить ДНК содержит 3 200 000 000 знаков кодирования. Можно посчитать общее число возможных комбинаций кодировки ДНК, обеспечивающих вашу уникальность. Получается поистине грандиозная цифра – единица с 1 миллиардом и 900 миллионами нулей на конце. Чтобы записать такое число на бумаге, потребуется отпечатать примерно 2 тысячи книг наподобие этой.
Самое удивительное, но мы совсем не вершина земной сложности. Если в ДНК человека содержится около 3-х миллиардов пар оснований, то, например, у тритона их около 20-и миллиардов.
По своей форме молекула ДНК походит на винтовую лестницу. Спираль – это нуклеиновая кислота. Вертикальные «стойки» состоят из разновидности сахара рибозы, кислорода и фосфора. Ключевая информация записана на перекладинах – «ступеньках», состоящих из двух молекул, каждая из которых крепится к одной из вертикальных стоек «лестницы».
«Ступеньки» – это химические компоненты, попарно сцепившиеся четыре буквы генетического алфавита. Последовательность, в которой эти буквы появляются, если двигаться вверх или вниз по лестнице, составляет наш генетический код. Их обозначают начальными латинскими буквами соответствующих химических оснований:
Аденин – A
Цитозин – C
Гуанин – G
Тимин – T
Различная комбинация букв полностью кодирует всю генетическую структуру живого.
А является парным основанием с Т и только совместно они могут создать «ступеньку лестницы». Аналогично G является парным основанием с С.
Соответственно, существует всего четыре возможных вида «ступенек»: А-Т, Т-А, С-G, G-С.
В очень простом понимании ДНК представляет собой сценарий действий на все случаи жизни, закодированный в ядре живой клетки. Причём код элементарный – всего четыре буквы.
ДНК воспроизводится очень необычным способом. Как молнии на свитере обе нити молекулы расходятся, половинки разделяются, чтобы образовать новую ДНК.
Каждая нить легко подбирает себе пару. Если верхняя «ступенька» одной нити состоит из гуанина, то верхняя «ступенька» другой нити состоит из цитозина. Пройдя все «ступеньки» и автоматически подбирая пары для всех нуклеотидов, в конце «лестницы» вы получите готовый код новой молекулы ДНК. Удивительно, что все эти преобразования в нашем организме происходят буквально за считанные секунды.
Пары оснований стремятся встать друг над другом таким образом, чтобы свить параллельные цепочки в спираль.
Отдельная цепочка содержит зеркальную генетическую информацию относительно другой.
Код первой цепочки считывается для синтеза белка, а вторая цепочка продолжает делать копии нуклеотидной последовательности ДНК на параллельную нить.
Каждая из цепочек двойной спирали является своеобразным химическим текстом в виде комбинаций А, С, G, Т. Всё вместе образует полную запись устройства и функционирования организма.
Подобная структура в виде спирали, свитой из двух многоатомных нитей, является наиболее стабильной и прочной в природе. Поэтому генетическая информация очень надёжно сохраняется в ДНК.
Происходят ли ошибки при кодировании?
Да. Запись и воспроизведение информации никогда не бывают идеальными. Всегда наличествует возможность накладки.
Действительно, примерно в одном случае из миллиона «буква» встаёт не на своё место. Со временем такие изменения накапливаются. Однако, вовсе не все ошибки вредные. Часто они плодят многообразие. Именно поэтому отдельные индивиды и даже целые популяции отличаются друг от друга.
Кроме того, ошибки могут привести к конкурентному преимуществу внутри вида. Например, повышенное содержание в крови жителей высокогорья красных кровяных телец эритроцитов – полезная особенность.
Интереснее всего узнать, каково же главное предназначение ДНК. Современное научное понимание проблемы приводит нас к шокирующему выводу.
Все данные свидетельствуют о том, что главный смысл работы ДНК состоит в создании ещё большего числа ДНК. В результате – 98% ДНК нашего тела являются «мусором». Лично нам эти лишние молекулы совершенно не нужны.
Это иллюзия, что ДНК работает на нас, на разумных существ. По большому счёту, ДНК работает исключительно на себя, эксплуатируя наш организм. Складывается ощущение, что глобальная цель биологической жизни состоит в обеспечении вечного копирования ДНК.
Что особенно необъяснимо, сама молекула при ближайшем рассмотрении выглядит интригующе безжизненной, химически инертной. Кстати, поэтому она относительно хорошо сохраняется в ископаемых остатках.
ДНК напоминает равнодушный автомат. Она ничего не умеет, кроме как делать копии.
Получается интересная ситуация.
Главная функция ДНК совершенно бессмысленна без белков. Но, в свою очередь, белки бесполезны для живого организма без ДНК.
Это очень странно. Две столь разные, но уникально сложные структуры, бесцельны друг без друга, и нужны лишь тогда, когда взаимодействуют.
Тогда, каким же образом одномоментно возникла эта эффективно сотрудничающая пара?
До недавнего времени убедительного ответа на этот вопрос не было. Объяснить столь необычный факт можно было лишь вмешательством внешних сил. Однако, сегодня ответ, похоже, найден. Идея состоит в том, что современному клеточному миру предшествовала ещё более древняя эпоха зарождения жизни.
Глава 28. РНК-мир
Ключевой проблемой происхождения жизни является вопрос о том, каким образом информация нуклеиновых кислот переводится в белковую информацию.
Белки выполняют всю работу в клетке, жизнь без них невозможна. Но они не способны сохранять наследственную информацию. А без этой функции жизнь невозможна тем более. Задачу решает ДНК.
То есть, ДНК не работает без белков, а белки – без ДНК. ДНК и белки не говорят на одном биологическом языке. Им нужен «переводчик». Эту функцию выполняет рибонуклеиновая кислота – молекула РНК, своеобразный посредник между ДНК и белками.
РНК представляет собой полимер, состоящий из множества похожих рибонуклеотидов. Каждый рибонуклеотид состоит из трёх частей: фосфорной кислоты, азотистого основания и рибозы.
С одной стороны, РНК способна самостоятельно катализировать химические реакции и соединять аминокислоты. То есть, она способна проделывать ту же работу, что и белки.
С другой стороны, РНК, как и ДНК, способна к самовоспроизводству. Главное отличие от ДНК заключается в том, что РНК состоит из одной нити. Следовательно, можно предположить, что функция кодирования была заимствована у РНК более устойчивой ДНК в ходе эволюции.
Сказанное означает, что РНК может одновременно выполнять обе функции – и хранение информации, и активную работу. Соответственно, возможен живой организм без ДНК и белков, в котором все функции реализуются исключительно молекулами РНК.
Так возникла идея о том, что клеточному миру предшествовал РНК-мир.
Согласно этой теории, первая жизнь на Земле состояла из множества колоний молекул РНК. Именно в этих колониях случайным образом самоорганизовалась протоклетка в виде жировой оболочки. Генетический код изначально был записан только в РНК-последовательностях.
Теория РНК-мира подтверждается имеющимися научными данными.
Во-первых, в живом организме именно РНК переносит в цитоплазму информацию, закодированную в ДНК. Копирование осуществляется необычайно быстро. Запись полного комплекта ДНК одной клетки занимает всего семь часов.
Во-вторых, РНК реально участвует в синтезе белков в соответствии с записанными в молекуле ДНК «инструкциями».
Главный постулат генетики заключается в том, что передача информации осуществляется по линии ДНК – РНК – белок. Правда, есть неприятные исключения из этого правила. В частности, к ним относятся ретровирусы, целиком состоящие из РНК. Наиболее известный из них – ВИЧ, вызывающий СПИД.
Возникает естественный вопрос. Если РНК способна выполнять обе функции, зачем тогда природе понадобились ДНК и белки?
Ответ на удивление прост. Несмотря на то, что РНК способна выполнять их функции, ДНК и белки просто лучше подходят для решения именно конкретных задач. ДНК – для хранения генетической информации, а белки – для ферментативной деятельности. То есть, РНК это твёрдый троечник, тогда как ДНК и белки в своей специализации – «круглые» отличники.
Конечно, природа стремится к совершенству. Но и не разбрасывает попусту имеющиеся ресурсы. С появлением ДНК и белков, РНК вполне могла стать лишней молекулой, а стала главной, связующим звеном всех «кирпичиков» жизни.
Открытие РНК-мира разрешило многие загадки в теории эволюции. Однако, главные вопросы попросту были перенесены с одного уровня на другой.
Откуда взялась самая первая РНК?
Как она случайно самовоспроизвелась в первый раз?
Каким образом возникли рибонуклеотиды?
Попробую, если не ответить на указанные вопросы, то хотя бы обозначить всю сложность их решения.
Ключевым моментом добиологической эволюции стало соединение азотистого основания и рибозы. Согласно теории, из простейшей органики синтезировались рибонуклеотиды, строительные «кирпичики» для образования молекулы РНК.
Однако, несмотря на все старания учёных, ничего подобного не удаётся воспроизвести во время эксперимента. Это концептуальная проблема.
Дело в том, что азотистые соединения и рибоза очень живучи. Теоретически, они могут самопроизвольно образоваться даже в открытом космосе. Тем более, они могли сформироваться в условиях древней Земли. Беда в том, что столь «неприхотливые» частные элементы категорически не хотят объединяться в единую структуру при аналогичных условиях, созданных в лабораториях.
Естественным путем могут возникнуть аминокислоты. Доказано экспериментом.
Естественным путем может появиться сложная органика. Доказано экспериментом.
Но никто не смог синтезировать нуклеотиды.
Следующая проблема состоит в том, что, после своего появления, нуклеотиды должны были соединиться в полимерную цепочку, которая стала бы удлиняться.
Мы знаем, что для усложнения и роста любой структуры нужна энергия. И чем она сложнее, тем больше требуется энергии. Даже если в какой-то момент случайно образовалась устойчивая полимерная цепочка, она не смогла бы самовоспроизводиться, если нет постоянного источника энергии.
Выходом из ситуации могла стать рекомбинация. То есть, обмен между молекулами РНК своими отдельными участками. Тогда, постепенно они могли удлиняться, образуя сложные нуклеотиды без постоянного привлечения внешнего источника энергии. Правда, и в таком раскладе по-прежнему неясно, почему отбиралась именно полезная информация.
Теоретически доказано, как с помощью белкового фермента из одной молекулы РНК можно вырастить целую колонию. Поскольку сама РНК может являться ферментом, то можно допустить, что катализатором роста колонии РНК могла стать сама РНК. Получается замкнутый цикл постепенно эволюционирующей жизни. Идея хороша хотя бы тем, что объясняет, как возник метаболизм, обмен веществом, что в итоге привело к наследованию полезных свойств.
Однако, в эксперименте из одной молекулы РНК вырастить большую колонию никак не получается. Кроме того, в замкнутом цикле, где молекула РНК самовоспроизводится, потому что является ферментом этого самовоспроизводства, не может появиться механизм эволюции. В обособленном мире неоткуда взяться многообразию. Замкнутая система, которая постоянно усложняется, также нереальна, как вечный двигатель.
Есть элегантный выход из порочного круга.
Эволюция возможна, если между обособленными колониями РНК возникла «конкуренция». Существует гипотеза, что толчком к ней могли стать климатические изменения. Сухая, либо, наоборот, влажная поверхность, особый химический состав водоёма и тому подобные причины могли привести к чередованию циклов селекции и циклов воспроизведения. Такого рода «конкуренция» могла привести к обмену информацией и, как следствие, к отбору. Я думаю, на сегодня это самая адекватная гипотеза.
Ещё одной проблемой при спонтанной самосборке длинных полимеров является их природная неустойчивость. То есть, попросту говоря, РНК практически неизбежно деградирует и разрушается из-за естественных ошибок копирования. Поэтому, не исключено, что РНК-миру предшествовал древний и примитивный мир более простых соединений. Какой именно – область полного тумана, загадок и предположений.
Есть интересная идея, что первичным был не синтез белков из аминокислот, а синтез сахаров, которые сохраняют стабильность даже в очень специфических водоёмах, весьма бедных органикой.
Безусловно, РНК-мир раскрывает многие загадки теории эволюции. Но главный вопрос не разрешён.
К сожалению, по-прежнему нет удовлетворительного объяснения спонтанному возникновению самой первой РНК.
Глава 29. Генетический код
Вся известная нам жизнь структурно однотипна. Она основана на едином генетическом коде и всё указывает на её происхождение от единого общего предка.
Базой жизни является генетическая информация, закодированная в ДНК и интерпретируемая с помощью РНК-копий. Это служит основой для производства белков, управляющих всеми биохимическими процессами в клетках.
Гены – это своеобразные инструкции по работе организма, единицы наследственности, передаваемые от предыдущих поколений будущим. По отдельности они выполняют достаточно прямолинейную функцию. Но комбинация генов создаёт исключительное жизненное разнообразие.
Каждый ген является отрезком молекулы ДНК. В клетке содержится 46 цепочек ДНК. Они располагаются парами. От своих родителей мы получаем по одной копии парных молекул, 23 от отца и 23 от матери.
В каждой цепочке в одной паре есть гены, определяющие наши индивидуальные черты – от цвета глаз до длины ног. В другой паре находятся гены с абсолютно идентичными свойствами. Таким образом, каждый из нас получает по два гена-близнеца, отвечающих за большинство черт организма.
Информация о наследственности закодирована в нуклеиновой кислоте. Её хранилищем является ДНК.
Несмотря на псевдонаучные «открытия», генов отдельных болезней (за немногим исключением) не существует. Тем более, нет генов, отвечающих за определённые черты характера, вредные привычки и преступные наклонности.
Человек устроен очень сложно, а сегодня, к тому же, очень зависим от социальной среды. Наша индивидуальность определяется работой целой группы генов, именно поэтому столь сложно понять все особенности их функционирования.
В нашем теле 100 000 000 000 000 клеток. И в каждой из них имеется набор генов, определяющих характерные черты личности. Клетка в голове содержит абсолютно тот же набор генов, что в руке или ноге. При этом существует группа мастер-генов, каждый из которых отвечает за развитие отдельной части тела. Мастер-ген «инструктирует» эмбриональные клетки с одинаковым ДНК, определяет какой из них стать клеткой сердца, лёгких, крови и так далее.
Гены и белки состоят из одинаковых нуклеотидов и аминокислот. Сам генетический код универсален. Все живые существа генетически совершенно одинаковы. С точки зрения биологии можно сказать, что жизнь на Земле зародилась только один раз, и до сих пор существует всего лишь её единственная форма.
Немецкими учёными был проведен уникальный эксперимент. Ген, управляющий глазом мыши, ввели в личинку плодовой мухи. Никакой монстр в результате не родился. К удивлению учёных, ген мышиного глаза не только создал глаз у мухи, но это был именно глаз мухи, а не мыши.
Выяснилось, что два существа, эволюционно разошедшиеся 500 млн. лет назад, способны к обмену генетическим материалом словно ближайшие родственники. Получается, что жизнь создана по каким-то единым схемам, по единому базовому плану.
Нашу жизнедеятельность обеспечивают белки. Изменение ДНК автоматически приводит к изменению белков. Обычно такие перемены вызывают нарушения в функционировании живого существа, то есть ведут к болезни. Однако, некоторые изменения благотворны. И они становятся двигателями эволюции.
Организм человека содержит более 30 000 разных белков, но сконструирован всего из 20 аминокислот. Но, как я уже указывал, общее число аминокислот огромно.
У Природы практически безграничный ресурс для потенциального совершенствования жизни во Вселенной. Поэтому внеземная жизнь может быть основана на совсем других аминокислотах.
Порядок взаимосвязи двадцати аминокислот в нашем теле устанавливает ДНК. Очень интересно, что есть ещё одна, двадцать первая аминокислота, которая как бы находится в резерве. Это селеноцистеин, в котором атом селена замещает атом меди и, при необходимости, помогает ферментам защитить клетки от кислорода.
Кислород – необычайно сильный окислитель и, в принципе, это самый опасный химический элемент для живых клеток. В дальнейшем я расскажу, почему мы дышим ядом в прямом смысле этого слова. Пока же в очередной раз поразимся прозорливости Природы, которая подготовила страховку на случай, если бы с кислородным дыханием что-то пошло не так.
Что представляет собой генетический код?
Вспомните, что ДНК состоит из четырёх нуклеотидов: A, C, G, T. Если представить их в виде букв, то они формируют слова (кодоны). Кодоны, в свою очередь, определяют последовательность связи аминокислот.
Всего аминокислот 20, а букв для их определения только 4. Поэтому базовый генетический код не может быть однобуквенным. Тогда он способен определить не более четырёх аминокислот, а реально их двадцать.
Также не подойдет и двухбуквенный код типа АС. Двухбуквенных комбинаций только шестнадцать, что тоже недостаточно.
Поэтому генетический код является триплетным, основанным на трёхбуквенных словах-кодонах (ACG, AGT, CGT и т.д.). Трёхбуквенный код может определить (4х4х4) шестьдесят четыре аминокислоты, что более чем достаточно.
Удивительно, что нет никаких препятствий для использования переменного кода. Часть аминокислот вполне могла обозначаться двумя буквами (от AC до GT), и только, когда бы исчерпались все 16 вариантов, можно было перейти к трём буквам (ACG и т.д.). Но почему-то именно в этом вопросе Природа проявила несвойственную ей математическую красоту.
Мало того, триплетный код является заведомо избыточным. Из 64-х возможных вариантов кодирования задействовано лишь 20. Очень интересно, с какой целью Природа оставила столь большой резерв?
На примере упомянутого селеноцистеина (номер 21, код TGA), видно насколько гигантский потенциал является не задействованным. Поскольку все 64 кодона потенциально жизнеспособны, у Природы есть очень большой задел для творчества. Если она смогла создать homo sapiens на базе 20-и аминокислот, то что (кто?) может появиться на базе 64-х?
Конечно, для нас интереснее всего понять геном человека, который является наследственным кодом жизни. В расшифрованном виде его можно записать как текст, в котором 3 100 000 000 знаков (нуклеотидов).
Если читать запись ежедневно без сна и отдыха, то её полная расшифровка займёт 30 лет. Напомню, что столь огромный объём информации, содержится в каждой клетке нашего организма без исключения.
Генетическая программа очень стабильная. В ней чётко прописаны все жизненные процессы. Она напоминает совершенную и безошибочную компьютерную программу.
Детальное изучение генетического кода привело к ряду удивительных открытий, ставящих под сомнение наше особое положение в Природе. У человека примерно столько же генов, как у травы. У водорослей ненамного меньше, около 20 000. По структуре генов мы отличаемся от мыши процентов на 10. У нас 46 хромосом, а у папоротников больше 600. Тритон генетически богаче нас более, чем в 5 раз.
Когда учёные установили эти показательные факты, стало ясно, что сложность организма определяется не числом генов, а тем, как именно они используются. Сам по себе геном лишь говорит нам из чего мы сделаны, но абсолютно не объясняет, как мы функционируем.
Достаточно неожиданными стали и сравнительные данные генома разных людей на разных континентах. Судя по ДНК, мы все чрезвычайно близкие родственники. Совпадение генома составляет 99,9%. Это достаточно странное генетическое однообразие для нашей планеты. У других видов в ДНК встречается в десятки раз больше расхождений, чем у людей. Совершенно непонятно, почему именно люди настолько генетически идентичны.
С другой стороны, идентичность не означает одинаковость. Микроскопические 0,1% определяют индивидуальность каждого из нас. Поэтому неверно говорить о едином геноме человека. Вариантов генетического кода столько же, сколько людей на земле. Как ни парадоксально звучит, но мы все практически одинаковые, однако, между нами нет ничего общего.
Я уже упоминал о том, что подавляющая часть нашего ДНК – это «мусор». Лишь меньше 2% генома приносят реальную пользу, кодируя белки. Тем не менее, остальные 98%, которые не несут значимой информации, не отбрасываются в «мусорную корзину», а зачем-то целиком переносятся из поколения в поколение.
Это очень странно, что большая часть ресурсов и энергии организма используется для копирования вроде бы бесполезных данных. Из 100 страниц базовой книги нашей жизни, 98 представляют собой бессмысленный и нечитаемый текст.
Скорее всего, у этого «мусора» всё же есть какая-то важная функция, о которой мы пока просто не догадываемся. Возможно, некодирующие последовательности ДНК являются «складом запчастей». Если какой-то ген не работает, то именно оттуда клетка извлекает фрагменты ДНК для его ремонта.
Стоит отметить, что те 99 из 100 знаков, которые у нас одинаковые с шимпанзе, относятся и к той части текста, которая является «мусором». Все те миллионы лет, как мы эволюционно разошлись с обезьянами, эти «ненужные» тексты и у нас, и у них продолжали зачем-то копироваться.
Что находится в «мусоре»?
Во-первых, псевдогены, то есть гены, погибшие в результате мутаций.
Во-вторых, древнейшие вирусы.
Наконец, в геноме содержится огромное число повторяющихся участков.
Выяснился ещё один очень загадочный факт.
У примитивных организмов соотношение кодирующих и некодирующих областей в геноме примерно равное. Сравнив разные геномы, учёные установили, что доля кодирующих участков в расчёте на геном резко уменьшается в ходе эволюции. Она очень мала у бактерий, но очень высока у людей.
Более того, в организме тем больше некодирующей ДНК, чем более сложно он организован.
Вывод поразительный – у «венца эволюции» практически весь геном состоит из неработающих частей. В ходе эволюции геном «разбавляется» и это почему-то обеспечивает эволюционные преимущества.
Так, может быть, именно «мусор» играет заглавную, регулирующую роль? А мы лишь смотрим на буквы гениальной рукописи Природы, абсолютно не понимая смысла текста.
Генетический код одинаков для всех живых организмов на Земле. Он не менялся с зарождения жизни. Правда, абсолютно непонятно, почему он именно такой, какой есть.
Этот факт неизбежно приводит нас к вопросу: может быть генетический код был изначально, а не возник в ходе эволюции?
При данной постановке вопроса, наиболее здравый ответ будет таким: генетический код был привнесён на Землю из космоса.
