Глава 13 физические принципы воспроизводства и развития живых систем

Благодарение божественной нату­ре за то, что она все нужное сде­лала нетрудным, а трудное — не­нужным.

Эпикур

Шексщ^

13.1. Информационные молекулы наследственности

Клетка представляет собой сложную и высокоупорядоченную структуру и является элементарной организованной частью жи­вой материи. Она способна усваивать и преобразовывать энер­гию, и в ней происходят процессы, необходимые для возникно­вения, развития и существования живого вещества. Извне в клетку поступают органические вещества, которые служат «стро­ительным материалом» для элементов клетки и источником хи­мической энергии. При расщеплении питательных веществ в клетке освобождается энергия для совершения различной рабо­ты по поддержанию ее жизнедеятельности. Для развития живых организмов необходимы три основных условия:

• возможность оплодотворения (слияние половых клеток) при половом размножении,

• возможность деления клеток,

• возможность воспроизводства в них определенных веществ и структур.

Во всех этих процессах участвуют клетки, как элементарные частицы живого, и молекулы нуклеиновых кислот ДНК и РНК, управляющие этими процессами.

There are more things in heaven earth, Horatio, than are dreamt your philosophy.

Shake

Гораций, много в мире есть что вашей философии не снилось.

На молекулярно-генетическом уровне организации живого элементарной единицей является ген. Этот термин как фактор наследственности ввел в биологию в 1909 г. датский ученый В. JI. Иогансен (1857—1927). На самом деле ген — это участок молекул ДНК и РНК со специфичным набором нуклеотидов, в последовательности которых закодирована генетическая инфор-.

мация. Ген состоит из 450 нуклеотидов, объединенных в 150 ко- донов длиной около 150 нм, в то время как межатомные рас­стояния, например, в неорганических кристаллах, составляют около 0,1 — 0,2 нм. Следовательно, генная структура содержит порядка 1000 — 1500 атомов. Это позволило Э. Шрёдингеру [25] предположить, что такое число с точки зрения статистической физики слишком мало, чтобы обусловить упорядоченное и зако­номерное поведение. Живой же организм воспринимает воз­действие только огромного числа атомов и молекул.

Можно считать, что погрешность в выполнении физических

и химических законов природы составляет 1 /Jn, где п — число молекул, участвующих в проявлении этих законов. Какими мы были бы чувствительными, если бы реагировали на воздействие отдельных атомов! Отсюда можно сделать вывод, что поведение генов должно определяться вероятностным характером законов квантовой механики. Обычно в клетках растений и животных молекулы ДНК присутствуют в виде некоторых структур ядра клетки, которые называются хромосомами. Хромосомы состоят из большого числа генов, которые расположены на ней в линей­ном порядке, а гены являются кусками молекулы ДНК. Гены, как правило, располагаются в ядрах клеток. Они имеются в каж­дой клетке, и их число может достигать многих миллиардов. Можно в шутку сказать, что по своей роли гены представляют собой «мозговой центр» клеток.

Собственно исходная генетическая информация заключена в последовательности аминокислот в различных пептидных цепях. Поэтому можно считать, что на молекулярно-генетическом уровне элементарными единицами, несущими в себе коды гене­тической информации, являются молекулы ДНК. В клетке чело­века молекула ДНК содержит около 1 млрд пар оснований, дли­на ее около 1 м. Если составить цепочку из ДНК всех клеток одного человека, то она может протянуться через всю Солнеч­ную систему. В ДНК даже простейшего организма содержится информация, объем которой эквивалентен информации во всех томах Российской государственной библиотеки.

13.1.1. Генетический код

Наш соотечественник Г.А. Гамов предложил вариант описа­ния структуры генетического кода. Ход его рассуждений был та­ков. Было уже известно, что белки строятся из 20 аминокислот, а индивидуальные свойства белка определяются тем, из каких аминокислот и в какой последовательности он образован. Спо­соб записи этой информации с помощью четырехбуквенного ал­фавита (азотсодержащих оснований — цитонин, тимин, аденин и гуанин) универсален и одинаков для всего живого. Каждое «слово» в генетическом тексте — это название аминокислоты, каждое «предложение» определяет белок. Если в алфавите жизни четыре буквы, то как из них строятся слова? Можно подсчитать, что слов должно быть не менее 20. Допустим, что каждое слово состоит из двух букв, тогда таких различных пар оснований бу­дет 4² = 16, но этого мало. Гамовым было предложено, что в каждом слове должно быть, вероятно, не две, а три буквы, тогда 4³ = 64. В принципе это уже больше, чем число аминокислот.

Поэтому он сделал еще одно предположение, что среди 64 трехбуквенных слов есть синонимы, т.е. некоторые из этих слов означают одну и ту же кислоту. Это хорошо укладывается в «ло­гику» природы — делать все экономно и рационально, но с не­которым избытком, наверняка. Гамов предположил, что для ко­дирования одной аминокислоты используется сочетание трех нуклеотидов, и такая элементарная единица получила название кодона. Последовательность кодонов в гене определяет последо­вательность аминокислот в полипептидной цепи белка, коди­руемой этим геном. На основании такой модели Ф. Криком и Дж. Уотсоном в 1953 г. были интерпретированы результаты рентгеноструктурного анализа молекул ДНК. Это был триумф генетики и большой личный успех Г. А. Гамова. Он считал, что разработка генетического кода — его самая сильная работа.

Интересно отметить, что Дж. Уотсон называл себя научным внуком Н. В. Тимофеева-Ресовского, ученика осндвателя рос­сийской экспериментальной биологии Н. К. Кольцова. В свою очередь, Дж. Уотсон — прямой ученик другого Нобелевского ла­уреата, американского физика Дельбрюка — молодого соратника Тимофеева-Ресовского, которого Тимофеев-Ресовский вместе с Циммерманом «переманил» из физики в биологию [173].

Любопытно, что в своей работе Крик и Уотсон использовали данные Розалинды Фрэнклин без ее ведома и согласия. Ссылок на нее не было ни в их знаменитой статье о том, каким образом молекула ДНК может воспроизводить сама себя, опубликован­ной в 1953 г. в журнале «Nature», ни в последующих публикаци­ях. Более того, физики Ф. Крик и Дж. Уотсон, совместно с био­химиком Уилкинзом (зав. лабораторией, где работала Р. Фрэнк­лин, который и познакомил первых двух с ее результатами без ее согласия) получили в 1962 г. Нобелевскую премию по физиоло­гии и медицине. Как писал М. Ичас, «когда эта некрасивая (но, заметим, типичная!) история выплыла в свет, это произвело нехо­рошее впечатление, и не только на феминисток» [9].

Впоследствии выяснилось, что генетический код, связываю­щий последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК с после­довательностью аминокислот в молекулах белка, должен быть триплетным. Образно говоря, кодоны, как ключевые слова, должны состоять из трех букв, и их определенная комбинация и последовательность в ДНК кодируется в необходимую генетиче­скую информацию. Поскольку молекула ДНК содержит четыре азотистых основания: аденин (А), цитонин (Ц), гуанин (Г) и ти- мин (Т), — то подсчет возможных сочетаний из четырех этих букв А, Ц, Г и Т показывает, что сочетание по два обеспечивает лишь 16 возможностей, а по три — 4 • 4 ■ 4 = 64 кодона. Оказа­лось, что только сочетания из трех элементов обеспечат постро­ение тех 20 аминокислот, которые необходимы для образования молекул белка. Поэтому «наименьшая длина» таких слов, опре­деляющих аминокислоты, должна состоять из трех нуклеотидов.

Таким образом, ДНК можно представить как последователь­ность букв — нуклеотидов, образующих текст из огромного чис­ла знаков. В принципе любой живой организм — «розу, дельфина или человека» [9] — можно закодировать длинным рядом этих букв. Расположение нуклеотидов не случайное, и, например, первые два основания кодонов, определяющих какую-либо ами­нокислоту (или аминокислотный остаток), одинаковы, а третье может быть в разных кодонах разным.

Однако природа так придумала, что большинство аминокис­лот кодируется несколькими кодонами. Имеется избыток и ва­риативность информации, чтобы сделать то, что нужно наверня­ка. Установлено, что ядра клеток содержат столько молекул ДНК, что их хватило бы на образование в 10 раз большего числа генов. Это подобно вырождению в квантовых физических со­стояниях, когда разные волновые функции соответствуют одно­му и тому же значению собственной энергии. Такой код в мо­лекулярной биологии также называется вырожденным — в том смысле, что несколько разных триплетов передают один и тот же смысл, т.е. являются по существу синонимами. Эту аналогию можно продолжить и в языкознании. Наше письмо — тоже ко­дирование звуков. Код, в котором несколько букв читаются оди­наково, будет также вырожденным.

Было также установлено, что сама структура генетического кода для всего живого одинакова. Понятно, однако, что количе­ство нуклеотидов, а значит, по существу, и молекул ДНК, разное и механизм реализации кода разный, отсюда различия в наборе синтезирующихся белков и в сложности строения различных ор­ганизмов. Одинаковость кода для всех живых организмов указы­вает на единство происхождения всего живого. Чем ближе род­ство между организмами, тем больше похожи последовательнос­ти их молекул ДНК. Даже у растений, животных и бактерий можно обнаружить частичное сходство молекул ДНК. Сходство аминокислотного состава всех белков также свидетельствует о биохимическом единстве жизни и позволяет считать, что все жи­вые организмы генетически родственны и происходят от общего предка.

Таким образом, признаки и свойства живых организмов, за­фиксированные в молекулах ДНК, генах и хромосомах, хранят­ся и передаются химическим путем комбинацией соответствую­щих органических молекул. Ген выступает как неделимая еди­ница наследственности и в различных мутациях изменяется как целое. Его можно назвать квантом наследственности. Шрёдин­гер называл его атомом наследственности. В настоящее время считается установленным, что признаки передаются дискрет­ным образом как раз через эти дискретные образования — ге­ны, что позволяет ввести в биохимическую генетику кванто- во-механические представления физического микромира. Так как наследственность по своей природе дискретна, то для изу­чения ее могут быть использованы математические и физиче­ские модели. Это отмечал еще Шрёдингер: «Уже сам принцип дискретности, прерывистости наследственности, лежащей в ос­нове генетики, очень созвучен атомарной теории строения веще­ства» [25].

Заметим также, что дарвиновская изменчивость действует по известному принципу Бора: воспроизводятся лишь разрешенные признаки. Имеются эксперименты по скрещиванию волка и со­баки, а затем и их гибридов. В конечном результате получали или чисто волка, или чисто собаку. Насильственно перемешан­ные гены, как только их предоставили самим себе, тут же разош­лись по разрешенным наборам.