Помоги проекту - поделись книгой:
Обязанностей у клеток множество, но мы будем говорить только о двух: о производстве белков и об обязанности самовоспроизводства — клетки делятся. Это деление у одноклеточных существ оказывается и размножением. У многоклеточных животных и растений деление клеток обеспечивает рост отдельных тканей и органов всего организма в целом.
И вот в этих-то двух самых важных производственных клеточных процессах важнейшую роль, оказывается, играют белки и нуклеиновые кислоты.
Разных белков в организме множество, тысячи, это длиннющие нитевидные молекулы, и все они составлены из двадцати одних и тех же бусинок-аминокислот.
Отличаются молекулы разных белков друг от друга только одним — порядком следования бусинок-аминокислот в нитях белковых молекул. Этот порядок следования у настоящего белка определен очень строго, никаких перестановок не допускается, а если перестановка происходит, то получается уже другой белок, в данное время и в данном месте обычно ненужный или даже вредный. Жизнь клетки и организма в целом — это миллионы различных химических реакций, и одна из главных обязанностей белков — ускорение этих химических реакций. Каждый белок (белки-ускорители называют ферментами) в сотни тысяч раз ускоряет какую-то одну нужную в определенный момент и определенном месте реакцию, тут не должно быть никакой путаницы, и поэтому каждая белковая молекула должна быть построена так, как нужно, а не иначе, ведь именно от строения белка зависит, как отнесутся к нему молекулы веществ, вступающих в реакцию.
Вот почему белок — это не просто смесь аминокислот, а своего рода текст, в котором чаще всего нельзя изменить ни буквы.
Есть такая наследственная болезнь — серповидно-клеточная анемия. Это тяжелая болезнь, и она, наверное, давно бы исчезла с лица Земли вместе с теми, кто поражен ею (ведь люди с такой наследственностью раньше умирают и оставляют меньше потомков, чем здоровые), если бы не одно обстоятельство. Больные этой анемией никогда не болеют малярией. Возбудитель малярии питается красными кровяными шариками человека, а у больных анемией не шарики, а серпы, и возбудители их не усваивают! И вот в тропической Африке, где издавна свирепствовала малярия, болеть анемией оказалось в какой-то мере выгодно… Ученые только недавно обнаружили первопричину этой наследственной болезни. Оказалось, что в огромной молекуле белка, входящего в состав кровяных шариков, одна — всего одна! — из 600 бусинок-аминокислот заменена неправильной. Из-за этого вся клетка эритроцита уже «не держит» круглой формы, сворачивается в серп. И вот тяжелейшая болезнь. Трудно составить текст из 600 букв, в котором всего одна замененная буква так искажала бы весь смысл. В то же время этот пример показывает, что ошибки в строении больших биомолекул иногда оказываются хотя бы в каком-то отношении полезными. И это очень важно, без таких полезных ошибок не было бы эволюции!
ЗАКОДИРОВАННЫЕ ИНСТРУКЦИИ
А теперь представь себе, что ты взял наугад из наборной кассы наборщика массу букв и все их бросил на стол, и перед тобой совершенно случайно оказался… ну хотя бы заголовок этой книжки. Вероятность такого события совершенно ничтожна, с такой же вероятностью воздух из комнаты может весь выйти в форточку… И когда ты видишь перед собой связный текст, ты не будешь гадать. Ты твердо знаешь, что текст не сам составился из случайно брошенных литер, а его придумал и написал какой-то человек, выражая некую мысль. Значит, и белок в клетке строится не как попало, а его строит некто для какой-то цели по строго определенной программе. Этот «некто», а вернее, нечто, и есть нуклеиновая кислота, точнее, дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), молекула которой содержит длинный «текст», целый том закодированных «инструкций», как строить тот или иной белок. Этот том секретных инструкций клетка получает по наследству от своих предков и передает его потомкам как семейную святыню, без которой сразу развалится вся семья… Синтез, строительство белковых молекул в клетке — вещь сложная, и не все там понятно по сей день. Но главное ученые все же смогли подсмотреть. Многие участки молекулярного кода ДНК (их называют генами) — это запись строения того или иного белка (зная, какая аминокислота в белке больного анемией заменена, можно найти ошибку в генной записи, из-за которой белок производится с «опечаткой», такие «опечатки» ученые называют мутациями).
Как переносится кодовая запись гена на белковую молекулу? Каждый ген, кусок двойной цепи ДНК, если цепь расплести, обретает «липкость», к нему в этот момент норовят присоединиться определенные молекулярные последовательности. Над генами происходит сборка… Чего, белка? Нет, своеобразной копии гена, но только не ДНК, а РНК — рибонуклеиновой кислоты. Эта молекула-посредник, информационная, она же матричная РНК, точное, но зеркальное отражение гена, появляется в клетке ненадолго. Появившись, она спешит в другое подразделение клеточного «завода» — рибосому. Рибосома состоит из двух полушарий, и конец РНК-депеши закладывается (как это происходит, рассказывать трудно и долго) в одно из этих полушарий — то, что поменьше, как конец магнитной ленты в головку магнитофона.
Теперь рибосома готова к работе. Вокруг нее поднимается большая суета. Молекулы так называемых транспортных РНК начинают «рыскать», каждая в поисках своей аминокислоты. «Рыскание» это происходит вблизи рибосомы, в прозрачной плазме клетки. В этом растворе, если клетка здорова, хорошо питается и дышит, должны быть все необходимые детали-молекулы.
Невероятно странно: молекула «ищет», блуждает, чтобы «найти». Молекула обладает поведением — как живое существо. Как будто у нее своя воля есть или ей кто приказал. Ученые все еще далеки оттого, чтобы понимать со всей отчетливостью, как движутся внутриклеточные частички — органеллы и молекулы внутри клеток, как там отдаются приказы, которые так точно и в срок исполняются. Ну а то, что в срок… Никто пока не может сказать, где в клетке спрятан этот будильник-хронометр, который приводит в действие все «винтики» (ох, до чего неточное слово, но как еще сказать?) этого удивительного «предприятия» — клетки, не видимой простым глазом.
И вот происходит она, встреча. Узнавание. Транспортная РНК находит свою аминокислоту. Она скрепляется с ней. Она тащит ее к рибосоме. А там уже стоит, ждет, изготовившись, лента информационной РНК.
Транспортные РНК разные, но есть в них и общее: каждая похожа на скрепку — на каждой есть особый изгиб, похожий на бородку ключа. А вот узор этой бородки, то есть последовательность химических групп, у каждой транспортной РНК на этом изгибе свой. «Ключ» узнает свой «замок». Бородка «узнает» зеркально-подобный (комплементарный) «узор» на ленте информационной РНК и временно скрепляется с ним.
Как только первая аминокислота оказывается на месте, лента информационной РНК сдвигается «на одно деление» (на один ген), и к ней теперь может подойти следующая транспортная РНК с другой аминокислотой, которая укладывается рядышком с предыдущей. После того как аминокислоты соединились, транспортная РНК высвобождается для новой операции подтаскивания. Долго ли, коротко ли, но вот вся лента информационной РНК «проиграна» через рибосому, аминокислоты выстроены в нужном порядке и химически соединены, а все транспортные РНК отсоединены и отправлены восвояси (на эти соединения и отсоединения требуется энергия, и она все время подводится к месту сборки с помощью специальных молекул — носителей энергии). Есть молекула белка!
Ну что, все просто и ясно? Ты заметил, процесс столь сложен, что мне то и дело приходится употреблять такие слова, как будто в самом деле речь идет о настоящем заводе. Я не буду рассказывать еще подробней, про один процесс синтеза белка можно написать (и написаны) целые книги, здесь важно уяснить следующее: везде, где я говорил о переносе7, подтас-ке, узнавании, соединении, подводе энергии, дело не обходилось… без тех же белков-ферментов! «Завод» клетки в массе производит не только детали своего устройства, но и «работников»!
Долго рассказывать и о том, как происходит второй главнейший процесс живого — самовоспроизведение, деление клетки. Скажу только, что центральный момент этого процесса — это разделение, перепечатка «семейной реликвии-инструкции» — ДНК. Двойная спиральная молекула ДНК вдруг расплетается, и на каждой из двух образовавшихся нитей собирается по второй нити-спирали. И этот процесс самовоспроизведения ДНК не обходится без… опять-таки фермента-белка! Ну а этот белок тоже заранее изготавливается ДНК с помощью рибосом и РНК.
Вот как все сложно в живой клетке. Без ДНК не построишь белка (и РНК!), но без РНК тоже невозможно представить себе синтез белка. А без белка-фермента еще никто не смог добиться репликации (самовоспроизведения) ДНК. Без репликации же нет самовоспроизведения клеток, значит, нет размножения, наследования и роста, основных свойств живого мира. Когда-то это назвали центральной догмой молекулярной биологии и изобразили в виде формулы:
ДНК → РНК → белок
И вот как будто получается, что жизнь могла начаться только с того момента, когда на древней Земле, в «первичных бульонах», где-то в одном месте встретились все три вещества преджизни, пусть даже очень упрощенного устройства, но все три: ДНК, РНК, белок… Путь к каждому из этих веществ и так очень непрост, но чтобы они встретились в одном месте… Многие ученые снова стали подумывать о счастливейшей редкой случайности, вроде той, когда брошенные буквы сами сложились в осмысленные слова.
ПОИСКИ ВЫХОДА
В науке так бывает нередко: только начинает казаться, что на горизонте появился просвет, как новый факт или новое рассуждение показывает, что до решения путь еще не близкий. И если я скажу, что теперь ученые уже знают, что появилось раньше — ДНК, РНК или белок — и как могло произойти, что они встретились, да еще «узнали» друг друга (ведь в современной клетке далеко не каждая нуклеиновая кислота не с каждым белком может «найти общий язык»), то заранее попрошу тебя мне не верить. Эта трудная проблема еще далека от своего разрешения, может быть, она подождет, пока ты не станешь биохимиком и не займешься ею всерьез.
Но безвыходных положений не бывает, и сейчас, когда я пишу эти строки, в десятках лабораторий мира ученые нащупывают пути решения этой загадки. Что же именно делается?
Вспомним главные молекулярные превращения в клетке.
ДНК
ДНК
РНК
Кажется, все ясно, в основе всего — ДНК, от нее и следует вести родословную наших предков. Но ни одно из этих трех превращений не идет без белка-фермента, причем для каждого превращения нужен свой особый фермент, а для того — опять-таки особый ген в ДНК и вся процедура с двумя РНК. Заколдованный круг!
Некоторые российские и американские ученые сделали важное открытие, разрывающее этот порочный круг хотя бы в одном месте. Выяснилось, что отдельные гены, звенья ДНК и даже целые молекулы ДНК могут не только собирать (с помощью белка-фермента) РНК, но и, наоборот, собираться сами с помощью молекул РНК — правда, для этого нужен еще один особый фермент. Это потрясающее открытие, о котором мы поговорим в последней главе этой книги: творение новых генов на основе РНК могло бы объяснить некоторые загадочнейшие зигзаги эволюции растений и животных и поможет когда-нибудь человеку победить наследственные болезни и искусственно создать новые, нужные нам виды домашних животных и культурных растений. Здесь же для нас важно то, что неимоверно сложная спираль ДНК могла быть в принципе создана, если в первобытной луже встретились гораздо более простые РНК и белок.
Но может быть, для начала не нужна была и РНК? В нескольких лабораториях мира удалось собрать белковоподобную короткую молекулу антибиотика грамицидина без всяких рибосом и нуклеиновых кислот. Кодом-инструкцией для сборки цепочки грамицидина послужил другой белок. Все это означает, что первые шаги жизни были возможны и без чудесной встречи трех сложнейших молекул. Жизнь, может быть, началась на чисто белковой основе, и только позже ее усовершенствовало появление РНК, а еще позже создание настоящего гена.
СОЛЯРИС НА ЗЕМЛЕ
…Вот уже много лет кружит космический корабль землян вокруг планеты Солярис. Понять странные явления, происходящие на планете, пока не удается. Гибнут люди, они не могут найти взаимопонимания с необычайным живым и разумным веществом — океаном планеты Солярис…
Читатель, наверное, узнал сюжет фантастического романа польского писателя Станислава Лема. И фильм такой есть. У нас на Земле все живые существа — отдельно. Тебя не перемешаешь со мной, люди — отдельно даже от обезьян, а от кур и подавно. А вот на Солярисе вся жизнь планеты вместе, она единая, все живое — это океан Солярис, и океан Солярис — это единственный живой организм планеты. А интересно, может такое в самом деле где-нибудь быть?
Всякая фантастика основана на каких-то реальных знаниях. Лем хорошо знал историю споров по поводу проблемы происхождения жизни. Действительно, жизнь без существ, без организмов, возможно, существовала когда-то и на нашей планете. Эта мысль принадлежит выдающемуся англичанину Дж. Берналу, борцу за мир и ученому. «Быть может, никакого точного начала жизни не было вообще, — писал он. — Могли установиться известные циклы, которые были самовоспроизводящимися, то есть молекула А производила молекулу В и так далее, до тех пор, пока молекула Z снова не производила молекулу А. На этой стадии всю среду можно было бы назвать живой в биохимическом смысле, хотя ни единого организма еще не существовало». В сказке Л. Кэрролла Чеширский кот умел исчезать так, чтобы от него оставалась улыбка. Жизнь без организмов, на первый взгляд, напоминает эту симпатичную, но фантастическую улыбку без кота. Но только на первый взгляд…
Да, поначалу жизнь могла быть и такой, и мы не сразу поняли бы, что это жизнь, случись нам где-нибудь в космосе с ней встретиться. Может быть, миллионы лет существовала на нашей планете — или на какой-то другой планете в космосе — такая жизнь, жизнь без организмов. Медленно, не спеша, вершились круги замкнутых химических реакций, множество таких кругов. Но эти по-разному идущие процессы шли не без помех, рядом происходили другие химические процессы, иногда разные реакции — начало одной и конец другой — объединялись и порождали новые вещества, например, такие, которые могли бы стать катализаторами, ускорителями всего этого «кипения» в целом. Об этом медленном усовершенствовании химической, доорганизменной жизни ученые говорят так: путь от химической к биологической эволюции шел через процессы самоупорядочения и самоорганизации.
БИОКРИСТАЛЛ
Зима. Мороз градусов 30. Окна в домах, автобусах и троллейбусах покрываются изнутри удивительным узором. Пятьдесят лет наблюдал морозные узоры мудрый профессор из Ульяновска А. А. Любищев. Он был биолог, а точнее — энтомолог, насекомых изучал, но находил время задумываться об интересных явлениях природы, даже если они на первый взгляд и не имели отношения к его основной профессии.
Вглядись и ты в эти узоры…
Вот тропический лес. Деревья с пышными кронами, похожие то на пальмы, то на папоротники. Лианы, переплетение ветвей. Можно разглядеть растения, очень похожие на настоящие, особенно древние, уже вымершие. Иногда в древних горных породах геологи натыкаются на отпечатки древних морозных узоров, и не всегда легко отличить эту подделку природы от настоящего отпечатка древнего растения.
Скелет одноклеточных радиолярий и многоклеточных губок образован «органоминеральным» кристаллическим веществом, состоящим на 20–30 процентов из органики, а в остальном из минерального кристалла. В индивидуальном развитии такого организма идет процесс минерализации — замещения биомолекул минералом, причем законы кристаллографии и биохимии здесь тесно переплетены. Когда-то под высоким давлением в раскаленной сухой среде этот же процесс был обращен другую сторону. И когда поверхность планеты несколько остыла и появились лужи и моря, в них уже плавали и растворялись множество таких первых кентавров, полукристаллов-полуорганизмов — биокристаллов, готовых стать жизнью… И дальнейшая эволюция живого шла в огромной степени под действием законов кристаллографии. Жидкие кристаллы сегодня работают в дисплеях портативных компьютеров и телевизоров. Но оказывается, весь мир живого, задолго до рождения современных высоких технологий, природа построила по этим высоким технологиям…
Прямо или косвенно законы биокристаллографии управляют не только живой природой, но и высшим ее проявлением, эстетической сферой человеческой культуры. Внизу — проект входа на Всемирную выставку 1900 года. Архитектор Бине придумал его под впечатлением трудов дарвиниста Э. Геккеля с зарисовками скелетов радиолярий.
На самом же деле перед нами в тысяче обличий просто кристаллы воды.
Но кристаллизация на стекле (а также на тротуаре, на камнях) происходит в усложненных и не всегда в одинаковых условиях. Пар из воздуха то медленно и неохотно оседает на гладкой поверхности (при низкой влажности), то обильно. Часть льда порой тут же стремится испариться обратно — особенно если ветер дует. Люди на стекло дышат — опять же совсем другие условия кристаллизации. На стекле есть и выявляются при кристаллизации тончайшие царапинки от шлифовки. И все это порождает свои особенности рисунков Деда Мороза. Но при всем этом разнообразии в «стиле» всех морозных пейзажей есть нечто общее. Морозные узоры трудно спутать с нарастанием других кристаллов. «Стиль» Деда Мороза-художника определяется кристаллизационными свойствами молекул воды.
Ученые не раз задумывались, а не могли ли процессы кристаллизации, упорядоченного соединения молекул веществ сыграть свою очень важную роль в начале жизни и позже, уже в ходе эволюции? Уже знакомый нам биолог, философ и добрый мудрый человек Дж. Бернал в последние годы жизни писал о будущей большой науке, куда войдут в рамках общих законов и биология, и кристаллография, и эту будущую науку Бернал называл обобщенной кристаллографией. Дальше я постараюсь рассказать о некоторых «мостиках» между кристаллами и миром живого, но не удивляйся, что мостиков этих будет мало. Для науки это довольно новая область, и здесь когда-нибудь будут совершены большие открытия.
Но какое же отношение имеют свойства самоорганизации, заложенные в любом сложном химическом растворе, к проблеме зарождения жизни?
Давай порассуждаем. Допустим, никакой самоорганизации нет. И аминокислоты соединяются в том опыте профессора Сиднея Фокса — с выпеканием полимера на вулканической лаве — как попало. Оказывается, даже если у нас есть запас аминокислот размером с земной шар, при беспорядочном соединении бусинок-аминокислот у нас во всей массе получившихся молекул почти наверняка не будет ни одной пары одинаковых! Это будет смесь, лишенная свойств белка, ибо каждая молекула во всей этой массе будет обладать каким-то своим свойством, а соседняя — другим, противоположным, а смесь в целом будет пассивной — никакой! Да, у профессора Фокса не вышло настоящего моновещества, истинного белка. Но это была смесь нескольких белковоподобных веществ (а не бесконечного числа разных молекул). А потому эта смесь обладала важными свойствами белка. Ее могли есть микробы, и даже крысы не брезговали. А самое главное, полимер Фокса мог ускорять некоторые важные для жизни химические реакции. Не в сотни тысяч раз, как настоящие белки-ферменты, а просто в сотни раз, но для начала жизни и это было неплохо.
Таково могущество сил самоорганизации! Если не торопиться (а время в запасе у нарождающейся жизни было) и достаточно долго и терпеливо заставлять взаимодействовать между собой аминокислоты-буквы в густой смеси, да еще строго выдерживать некоторые условия — температуру, а еще — размер мелких частиц глины или пепла, видимо участвовавших когда-то в процессе самозарождения жизни, то буквы начнут сцепляться между собой не наобум, а «слогами» и даже «словами». Среди растущих обрывков цепи можно узнать такие, что и сейчас играют важную роль в настоящих фразах-белках, причем в самых важных. Получается, что нынешняя живая клетка, как хороший завод, быстро и умело выполняет работу, которая медленно и неуклюже, но сама налаживалась в теплых лужах еще безжизненной планеты. Фразы росли сами по себе и как бы «знали», какая буква должна быть следующей, и если эта «буква» оказывалась рядом, выбиралась она, а не любая другая «буква»-аминокислота. Естественный отбор на молекулярном уровне!
Да, это похоже на рост кристалла в насыщенном растворе соли, на рост сверкающего дерева на замороженном стекле.
Лет тридцать назад геолог В. В. Чернобровкин обратил внимание своего коллеги кристаллографа Э. Я. Костецкого на одно удивительное совпадение. В двойной спиралевидной нити молекулы ДНК расстояние между ближайшими звеньями, основаниями — неважно, чья это ДНК, комара или человека, всегда одно и то же и измеряется оно в 3,4 ангстрема. В мире кристаллов эта величина известна. Это размер элементарной ячейки кристалла апатита, одного из распространеннейших в природе минералов. И еще одно совпадение: апатит — один из немногих природных минералов, участвующих, наряду с белками, в строительстве многих живых организмов. Есть он и в наших с тобой костях и зубах. На этих двух совпадениях ученые начали разрабатывать свой вариант теории зарождения жизни, первичного синтеза прамолекул ДНК на естественной кристаллической матрице.
Оказалось, у апатита есть своего рода сродство с еще тремя минералами, участвующими или участвовавшими на разных этапах эволюции в строительстве скелета множества организмов — кальцитом, арагонитом, кварцем. Ученые поставили множество экспериментов. При температуре примерно в двести градусов и при повышенном давлении — а в начальной истории Земли был этап именно с такими «венерианскими» условиями — в смеси этих кристаллов молекулы аммиака, метана, окиси углерода не просто спекались в белковоподобные вещества, но и, встраиваясь в кристаллическую структуру апатита и минералов-«родственников», как на первичной матрице, строили высокоупорядоченные молекулы, весьма похожие на ДНК. Вспомнили о биоминералогии. Среди ископаемых и ныне живущих одноклеточных организмов — водорослей, радиолярий, фораминифер и многоклеточных — например, губок — есть такие, чей скелет образован «органоминеральным» кристаллическим веществом, состоящим на 20–30 процентов из органики, а в остальном из кристалла. В индивидуальном развитии такого организма идет процесс минерализации — замещения биомолекул минералом, причем законы кристаллографии и биохимии здесь тесно переплетены. Сейчас уже ясно, что когда-то под высоким давлением в раскаленной сухой среде мог преобладать jtot же процесс, только обращенный в другую сторону. Да, да. Преджизнь на каком-то этапе прошла через горячую безводную фазу первичного синтеза… И когда поверхность планеты несколько остыла и появились лужи и моря, в них уже плавали и растворялись множество таких первых кентавров, полукристаллов-полуорганизмов — биокристаллов, готовых стать жизнью… Сегодня Э. Я. Костецкий настаивает на том, что и дальнейшая эволюция живого шла в огромной степени под действием законов кристаллографии. Сама клеточная плазма, по современным воззрениям, это так называемый жидкий кристалл. Жидкие кристаллы сегодня работают в дисплеях портативных компьютеров и телевизоров, там они заняты чисто технической порученной им работой. Но оказывается, весь мир живого, задолго до рождения современных высоких технологий, природа построила по этим высоким технологиям… И мы с тобой «сконструированы» тоже в известном смысле как кентавры из органической и неорганической материи — биокристаллы.
Итак, законы самоорганизации так или иначе направили — не могли не направить — первоначальное развитие жизни… чуть было не написал — в нужную сторону. Нет, если бы я так написал, это было бы ошибкой. Кому нужную?
Конечно, мы с тобой здесь болельщики, мы — заинтересованная сторона, нам хочется, чтобы зарождающаяся жизнь выстояла и достигла уровня человека, но ведь нас-то тогда еще не было. Законы самоорганизации направили эволюцию неживого вещества (если это впервые произошло не на Земле, то должно было происходить где-то в космосе) ко все более сложным формам. Это усложнение не могло не привести в конце концов, постепенно, через ряд промежуточных этапов, к уровню живого. Гигантские молекулы, потом коллективы молекул, воспроизводящих себя в «живой луже», затем обособление самых маленьких из таких коллективов под общей оболочкой в капельках-организмах. И как сказал один ученый: «Едва родившись, жизнь уже кишит».
Возникли первые предклетки, полуорганизмы, неклеточные еще формы жизни, может быть, похожие на нынешние вирусы и фаги (способные, кстати, переживать неблагоприятные времена в виде кристаллов).
Когда-то знаменитый ученик Дарвина Эрнст Геккель, обращаясь к химикам, уже раскрывшим аминокислотный состав белка и научившимся составлять первые белковоподобные цепи, в восторге воскликнул:
— Если вы создадите правильный белок, он закопошится!
С тех пор прошло больше ста лет. Настоящий, правильный белок химическим путем все еще не создан. Но белки хорошо исследованы, и уже ясно, что они не «закопошатся» сами по себе, вне сложной системы других больших молекул.
Для современной науки характерен подход к решению некоторых задач, именуемых «методом черного ящика». Мы знаем, что «на выходе» — жизнь во всем ее многообразии. Знаем, что «на входе» — обычные химические вещества, климатические условия на поверхности Земли. Требуется смоделировать процесс, невидимо проходивший между «входом» и выходом», в «черном ящике» давным-давно… Отдельные отрезки этого процесса уже смоделированы. Но настоящей победой будет только искусственно от начала до конца синтезированное живое существо…
Впрочем, полной уверенности, что лабораторный модельный эксперимент действительно повторяет нечто происходившее на Земле миллиарды лет назад, наверное, и тогда не будет.
ГЛАВА ВТОРАЯ,
которая рассказывает о перекрестках эволюции, о Колумбе биологии, о приключениях молекул клеток, а также о трех дорогах в прошлое
НАПРАВО ПОЙДЕШЬ, НАЛЕВО ПОЙДЕШЬ…
Не нужно думать, что в один прекрасный день закончилась на Земле химическая эволюция молекул и началась биологическая эволюция организмов. Переход был достаточно плавным — черты химической эволюции, воспоминание о прошлом, ученые замечают и в современных высокоразвитых организмах. И все-таки, хотя это случилось и не в один день, переход от веществ к существам был достаточно «революционным» событием. Появились рождение и смерть — понятия бессмысленные для «солярисов». Появились поведение, конкуренция, отбор наиболее приспособленных. Началась настоящая, дарвиновская эволюция живых существ…
Почти полтора века назад плыл по морям и океанам земного шара английский парусник «Бигль» под командой бравого капитана, аристократа и джентльмена до мозга костей Фицроя. С плаванием «Бигля» не связано больших географических открытий — времена Кука, Лаперуза, Беллинсгаузена и Крузенштерна остались позади. Но для истории науки это плавание было более важным, чем для всеобщей истории открытие Америки Колумбом.
Новым Колумбом был никому пока не известный молодой натуралист, застенчивый и малоразговорчиый, согласившийся на пятилетнюю нелегкую службу без всякого денежного вознаграждения. В результате этого путешествия позже — через четверть века — появилась знаменитая книга «Происхождение видов». Молодым мореплавателем-натуралистом на корабле Фицроя и автором книги был Чарльз Дарвин.
Отправляясь в путешествие, Дарвин еще не был, как он сам писал, настоящим биологом — его биофаком стало само путешествие. Но он уже был неплохим геологом. Глаз геолога ставил его перед удивительными фактами, требовавшими объяснения.
Например, Дарвин увидел, как молоды геологически Галапагосские острова. Значит, рассудил он, те виды животных, которые встречаются только на этих островах, тоже не могут быть слишком древними. И все-таки они есть, они резко отличаются от своих родичей на Американском материке, от которых явно произошли. Причем все эти отличия таковы, как будто животные активно и быстро менялись, приспосабливаясь к особенностям жизни на скалистых, обдуваемых сильными ветрами вулканических островках. Дарвину стало ясно, что организмы меняются, эволюционируют под влиянием среды. Но как именно это происходит?
Вернувшись в Англию, он стал изучать историю племенного животноводства. И понял, что быстрые изменения, поразительные свойства новых пород домашних животных — результат прежде всего направленного, сознательного отбора. Хозяин-селекционер оставляет на племя, дает размножаться только таким голубям, ягнятам, жеребятам, которые ближе всего по своим признакам подходят к поставленной человеком цели. Не может ли что-то подобное действовать и в дикой природе, в естественных условиях? — задумался Дарвин. Но что за цель может быть у природы? А задумавшись, понял, что нечто подобное такой цели есть у каждого живого существа. Каждое существо так или иначе стремится выжить и оставить потомство.
На пути к этой «цели» каждое растение, микроорганизм, животное преодолевает множество препятствий, борется с голодом, климатом, болезнями, хищниками и конкурентами — претендентами на тот же корм. Тот, кто в этой борьбе оказывается слабей, вымирает или не оставляет потомства. А поскольку нет двух абсолютно одинаковых организмов — так уж устроила природа, и это называется изменчивостью, — то всегда по какому-то признаку одно существо оказывается чуть приспособленнее другого. Только ничтожная часть потомства любого дикого растения или животного выживает. И это отборная, то есть наиболее приспособленная, часть.
Взрыв жизни, адаптивная радиация…
Так, схематично, выглядело заполнение всевозможных «экологических ниш» на нашей планете маленькими изначально невзрачными насекомоядными млекопитающими после гибели в конце мелового периода господствовавших на суше, а воздухе и на море, динозавров. «Чем более потомки какого-нибудь вида будут различаться между собой… тем легче им будет завладеть более многочислен-ними и более разнообразными местами в «хозяйстве», — писал Дарвин.
Казалось бы, все ясно, теория естественного отбора готова, можно печатать. Но книга о теории появилась только через двадцать лет.
За это время Дарвин стал знаменитым ученым, он написал и опубликовал много важных трудов, но постоянно думал о своей спрятанной недоделанной работе. И о загадке, перед которой остановился.
Однажды Дарвин ехал в карете из Лондона в Даун, в свой сельский дом, куда он переехал вместе с семьей вскоре после возвращения из плавания. Как обычно в то время, он думал о своей новой теории и о трудностях, с которыми ему пришлось столкнуться. Он смотрел на лошадей своей упряжки, они были разных пород, и ему пришло в голову, что вот две лошади — одна сильная и грузная, другая легка в рыси. Они, как и все породы, выведенные человеком, предназначены и приспособлены для каких-то определенных задач. Куда же девается прототип, та универсальная лошадь, которую человек взял из природы для приручения? Дарвин почувствовал, что и здесь аналогия между искусственным и естественным отбором поможет ему в решении задачи. Ведь пока самым неясным для него в истории живого мира было то, что как только появляются два вида животных или растений, они начинают очень быстро оба отклоняться от первоначального вида-предка, причем как бы в разные стороны. Расхождение признаков…
«Допустим, в очень ранний период истории, — думал Дарвин, глядя на лошадей, — люди одного племени или в известной местности нуждались в лошадях, быстрых на бегу, а другие или в другом месте — в более сильных и грузных лошадях. Первоначальное различие могло быть очень мало, но с течением времени, вследствие постоянного отбора, с одной стороны, наиболее быстрых, а с другой — наиболее сильных животных, различие могло возрасти и дать начало двум подпородам. Наконец, по истечении столетий эти подпороды превратились в две хорошо установившиеся и совершенно отличные одна от другой породы. Лошади с промежуточными признаками, то есть первоначального типа, были худшими как для первого, так и для второго племени. Их все меньше оставляли на племя — и вот они исчезли».
Может ли что-нибудь подобное происходить в природе? Может, решил Дарвин. Как только появляется разновидность животного или растения, хорошо приспособленная к обитанию в какой-нибудь части той страны, — где до этого везде обитал вид-предок, эта разновидность сразу вытесняет своих родичей именно с этих мест. Предковый вид отступает перед своим более приспособленным потомком, отступает в те места, где он может жить и развиваться по-прежнему, а выделившаяся специализированная разновидность не только не имеет преимуществ, но даже и проигрывает из-за своей суженной специализации. Но, оказавшись в стесненных условиях, предковая разновидность либо вымирает, либо тоже начинает меняться, приспосабливаясь. Образуется другой вид-потомок. Два вида, происходящие от одного предка, как бы оказываются на разных полюсах. «Чем более потомки какого-нибудь вида будут различаться между собой… тем легче им будет завладеть более многочисленными и более разнообразными местами в «хозяйстве» природы, а следовательно, тем легче они будут размножаться», — писал Дарвин позднее.
Ну а сама неизмененная предковая форма? Она через какое-то время постепенно сократится в численности, теснимая своими более приспособленными родичами, и, если не найдет укромного местечка, где она могла бы жить по-старому, не развиваясь, вымрет либо «растворится» путем скрещивания с той или другой формой-потомком. В тех же редких случаях, когда ей удается найти свой особый изолированный мир, предковая форма уцелеет, превратившись в живое ископаемое. В глубине Индийского океана вблизи Коморских островов уцелел один из видов кистеперой рыбы, нашей прабабушки, вышедшей когда-то из воды на сушу и давшей начало земноводным, пресмыкающимся, млекопитающим и птицам.
Остался на одном из островов, где его никто не тревожил, один из древних «завров» — гаттерия, современница динозавров. Целый материк сохранил для нас мир животных, как будто явившихся из сказок, — мир сумчатых млекопитающих. Этот материк — Астралия. В Австралии сохранилось даже такое чудо, как полупресмыкающиеся-полумлекопитающие ехидна и утконос. Но все это исключения из правила. А правило заключается в том, что два недавно разошедшихся от общего родословного древа побега стремятся неограниченно разойтись друг от друга в признаках, то есть оказаться разными видами, затем родами, семействами, отрядами итак далее. Предковая же форма обычно обречена на безвозвратное исчезновение.
Сформулировав свое правило расхождения признаков, Дарвин понял, что новая теория, в общем, готова. И особенно ясно он это понял, когда в 1857 году получил с далекой Малайи письмо от своего молодого талантливого коллеги, путешественника Уоллеса. Уоллес сообщал Дарвину, что закончил работу о естественном отборе, и просил дать о ней заключение. Название работы сильно взволновало Дарвина. Статья Уоллеса называлась: «О стремлении разновидностей к неограниченному уклонению от первоначального типа».
Уоллес был благородный человек и, когда узнал о том, как глубоко обоснована у Дарвина эта главная работа его жизни, не только не попытался спорить и ссориться из-за того, «кто первый сказал» (так, к сожалению, иногда бывает между учеными), но, отдав свою жизнь пропаганде и развитию нового учения, сам всегда называл его дарвинизмом.
Дарвину, Уоллесу и дарвинистам не пришлось очень жестоко бороться за самую идею эволюции, превращения видов, за идею естественного отбора. Если не считать первоначальной очень резкой реакции некоторых деятелей церкви и религиозно настроенных ученых, в целом и общественность, и ученые Европы и Америки до конца столетия уверовали в новую теорию.
Но как только ученые принимали теорию естественного отбора, они начинали к ней присматриваться и находить недостатки и неясности, которых было немало.
Сомнение 1. УПРЯМЫЕ ХВОСТЫ
Простой пример. Всегда было известно, что часть особенностей того или другого существа появляется в результате наследственности, а часть — приобретена самим организмом в течение его жизни. Например, форма кроны у деревьев зависит от направления ветров в местности, пушистость меха у собаки или лисы частично зависит от того, на севере или на юге животное обитает. Два брата-близнеца начнут сильно отличаться друг от друга, если один занимается, ну, например, гиревым спортом, а другой бегом. Вот эти вторые, приобретенные, признаки — наследуются они или нет? Читающему эти строки известно из школьного курса биологии, что нет, не наследуются. А вот пишущий учил в свое время по школьному учебнику, что иногда вроде и наследуются. Называлось это почему-то мичуринским учением (сам садовод И. В. Мичурин ничего о таком учении при своей жизни не слыхивал), а несогласных выгоняли с работы и даже сажали в тюрьму.
В работах самого Дарвина не было ясного ответа на этот вопрос. Дарвину больше нравилась идея случайных, неопределенных отклонений в наследуемых признаках живых существ, с остальным вполне мог справиться естественный отбор, отличая, выделяя приспособленных, подавляя, отсекая неприспособленных. И все же Дарвин, говоря на эту тему, каждый раз оставлял какое-то место для сомнительного наследования приобретенных признаков. Почему?
Не было настоящей теории наследственности. Сам Дарвин думал, что каждый орган тела взрослого животного или растения вырабатывает что-то вроде полномочного «представителя» — геммулу. Эти геммулы со всего тела током крови или соков собираются в органах размножения. Но если бы наследственность передавалась так, приобретенные признаки наследовались бы! Ведь из отрубленного хвоста не могла прийти геммула «хвостатости», и, значит, щенок бесхвостой собаки должен быть обязательно бесхвостым или хотя бы с укороченным хвостом. Самое удивительное, в научной литературе того времени появлялись тысячи описаний опытов, как будто подтверждающих такую точку зрения, — описывались и собаки и короткохвостые щенки. По-видимому, те опыты были «нечистыми» — кто-то из предков короткохвостого щенка был из короткохвостной породы, а это совсем другое дело!
Выдающийся немецкий биолог Август Вейсман взялся разрубить запутанный узел наследования приобретенных признаков самым прямым и беспощадным образом. Он рубил… хвосты мышей — выращивал их поколение за поколением, и каждое поколение тщательно обмерялось. Результаты этого опыта с точными измерениями были опубликованы. В двадцати двух поколениях мышей не обнаружилось никакого уменьшения длины хвоста. Хвосты у мышей упрямо вырастали до нормы. Приобретенные признаки не наследовались!
Опыты Вейсмана подтвердили его теорию о том, что передачу наследственности осуществляют специальные частицы, «атомы наследственности», хранящие и передающие память поколений. И все-таки до недавнего времени, пока не стала совершенно ясной структура единиц наследственности — генов, снова и снова некоторые ученые пытались вернуться к идее наследования приобретенных признаков…
Сомнение 2. КОШМАР ДЖЕНКИНА
Дарвина терзало еще одно сомнение. Одна из главных идей «Происхождения видов» — малость, незаметность тех отклонений, которые со временем, накапливаясь, дают большие изменения, порождают виды. Но такие малые, незаметные отклонения все время должны находиться под угрозой исчезновения!
Достаточно, рассуждал об этом современник Дарвина инженер Дженкин, существу с едва появившимся отклонением в одну сторону, скреститься с существом без отклонения или с отклонением в другую сторону, как в потомстве едва наметившийся новый признак исчезнет или почти исчезнет. И все насмарку!
Выход из этого «кошмара» давали только труды современника Дарвина Г. Менделя (но это поняли много позже, сначала менделизм был чуть ли не синонимом антидарвинизма), открывшего, что наследуются не доли, не частицы признаков, а сами признаки, а вернее, как опять же истолковали это позднее, гены, кодирующие эти признаки. Раз появившись, новый признак обязательно передается целиком потомству либо в явном, либо в скрытом виде — никуда он исчезнуть не может. Правда, и сейчас неясно, сколько времени нужно, чтобы новый ген стал новым признаком вида. Но это уже не кошмар, а обычный вопрос, требующий наблюдения и раздумий.
Сомнение 3. ПРИЗРАК КЕНТАВРА
Много сомнений и споров вызвала «догма» теории естественного отбора о расхождении свойств и признаков. Основываясь на этой догме, было очень удобно строить родословное древо всего живого. Каждому классу, роду, виду — своя ветка определенного ранга. Считалось, что идеальное эволюционное древо должно соответствовать систематике всех организмов, в каждой развилке должен сидеть предок вида, рода, класса. А если не сидит, то, значит, не найден еще, но обязательно найдется, только надо поискать. Эта система действительно помогала и помогает работать и находить и прогнозировать. Но не всегда…
А может ли быть обратное — схождение признаков? Ведь и дерево можно привить чужим черенком… Ведь всякая новая жизнь на Земле, как правило, зарождается в результате объединения наследственных зачатков существ двух полов. Ученые припоминали случаи создания «кентавров» — удивительных скрещиваний далеких друг от друга разновидностей, видов и даже родов.
Замечательный российский ученый Г. Д. Карпеченко уже в 20-х годах скрестил редьку и капусту — растения из разных родов. Получился капустно-редечный кентавр, да не просто какой-то там урод, а новое растение, которое стало размножаться как новый вид. Может быть, и в природе этот «химерный» путь много раз был пройден: соединяются два непохожих существа, вот и получаются, разом, без долгой эволюции, новые виды?
В каждом биологе сидит систематик, и он восставал при таких предположениях — как тогда строить стройное эволюционно-систематическое древо? Но природа не обязана подчиняться соображениям удобства или неудобства ее исследователей. Еще Дарвин, отвечая на подобный вопрос, указывал, что чаще всего химеры, кентавры, потомство от таких скрещиваний, гибриды бесплодны. Он не знал, почему изредка из этого правила бывали все-таки исключения (гибрид Карпеченко, например, был полиплоидом, довольно редким — хотя и не единственным — случаем сложения наследственности, хромосомных наборов редьки и капусты).
Но дело не только в гибридизации. Если просто вспомнить всю историю живого мира даже в самых общих чертах, ясно, что вообще усложнение, соединение не могли не сопровождать эволюцию на всех этапах. Вначале в лужах или океанах с «бульоном» были сравнительно простые молекулы. С ними происходила химическая эволюция — молекулы усложнялись, становились все больше, появились полукристаллы-полуорганизмы, похожие на нынешние вирусы и фаги.
Поделиться книгой: