15.Какие процессы могут происходить в клетке?

16.Как проходит процесс фотосинтеза?

17.Какова роль гомохиральности в образовании живого?

18.Приведите примеры симметрии и асимметрии в живой и неживой природе.

ЛИТЕРАТУРА

4, 5, 8, 9, 12, 26, 45, 51, 64, 66, 85, 120, 123, 127, 152.

Глава 13. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ВОСПРОИЗВОДСТВА И РАЗВИТИЯ ЖИВЫХ СИСТЕМ

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

Эпикур

There are more things in heaven and earth, Ηoratio, than are dreamt of your philosophy.

Shakespeare

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

Шекспир

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.

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

354

мация. Ген состоит из 450 нуклеотидов, объединенных в 150 кодонов 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

ихимических законов природы составляет 1/√n, где n — число молекул, участвующих

впроявлении 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

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.

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,

355

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. ТимофееваРесовского, ученика основателя 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.

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. Фрэнк-

356

лин, 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».

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 тимин (Т),

— то подсчет возможных сочетаний из четырех этих букв А, Ц, Г и Τ 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

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.

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 ко-

357

дирование 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 квантово-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.

358

13.1.2.Гены и квантовый мир

Вгенетической системе обнаруживаются те же закономерности, что и в квантовом мире: атомизм, высокая упорядоченность дискретных единиц, возможность их комбинации и образование других порядков, прерывистой наследственности, скачкообразность переходов из одних состояний в другие, а также вырождение состояний. Российский генетик И. А. Рапопорт (1912—1990) установил некоторые аналогии между генными нуклеотидами и кварками с барионами (три кварка в барионе и три нуклеотида в триплете), подобие взаимодействий нуклеотидов и кварков, отсутствие тех и других в свободном состоянии и т.д. [117]

Представим эти аналогии в виде следующей схемы.

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.