Нереальная реальность. Вся трилогия в одной книге Кананин Андрей

Глава 24.Белки

В основе жизнедеятельности лежат достаточно простые химические процессы. Совокупность тысяч однотипных реакций, каждую секунду происходящих внутри вас, определяет вашу индивидуальность. Однако, для образования устойчивых химических связей только лишь самой способности молекул к взаимодействию недостаточно. Здесь на арену выходят белки.

Белки имеют различные размеры и формы. Каждый из них выполняет в организме строго регламентированную задачу.

Белок строится из аминокислот. Молекула аминокислоты представляет собой цепочку атомов. На одном её конце находится положительно заряженный ион водорода, на другом – отрицательно заряженная гидроксильная группа, состоящая из кислорода и водорода. От основной цепочки ответвляются боковые группы, отличные для разных типов аминокислот.

Всего в организме насчитывается двадцать одна аминокислота.

Когда две аминокислоты сближаются друг с другом, ион водорода одной соединяется с гидроксильной группой другой. Две аминокислоты связываются между собой, а образовавшаяся вода высвобождается. Процесс напоминает нанизывание бусинок на нить.

Последовательность аминокислот в «бусах» называется первичной структурой белка.

«Бусиной» может быть каждая из двадцати одной аминокислоты. Возможны самые различные их сочетания, поэтому существуют триллионы способов сборки белка. Теоретически по первичной структуре можно просчитать, какую форму примет молекула, и предсказать химическую реакцию, в которой будет участвовать белок. Но пока что не создан столь мощный компьютер, который был бы способен провести такое вычисление.

После определения первичной структуры под действием электростатических взаимодействий между различными группами аминокислот и окружающей их водой, белок сворачивается в сложную трёхмерную сферическую форму. Это принципиально важно для химических процессов, происходящих в живом организме. Две молекулы должны сблизиться таким образом, чтобы их атомы могли состыковаться. Для этого процесса витое трёхмерное строение является оптимальным.

Молекулы располагаются не случайным образом, а так, чтобы стало возможным их взаимодействие. На помощь приходят особые белки, называемые ферментами.

Фермент притягивает молекулы к себе и организует их взаимодействие. После того, как оно произошло, фермент, выполнивший свою работу, высвобождается. В дальнейшем он повторяет эту операцию со следующей парой молекул.

Глава 25. Клетки

Клетка является основной структурной и функциональной ячейкой органического мира.

Жизнь каждого из нас начинается всего с одной оплодотворённой клетки. По мере развития организма число клеток возрастает за счёт деления. Каждая из них получает свою специализацию.

Во взрослом теле содержится примерно 50 млрд. клеток двухсот пятидесяти различных типов. Все вместе они образуют сложную систему тканей и органов.

Продолжительность жизни у разных клеток своя – от нескольких часов до нескольких лет. Ежедневно человеческий организм теряет их около миллиарда. Но благодаря стволовым клеткам, которые образуются в спинном мозге, наш клеточный материал постоянно возобновляется. К сожалению, в пожилом возрасте запас стволовых клеток практически исчерпывается.

Клетка заполнена цитоплазмой и триллионами различных молекул и отделена от внешнего мира мембраной. Снаружи через неё проникают питательные вещества и отфильтровываются вредные примеси, а изнутри выпускаются молекулы отходов.

Клетки являются строительным материалом для структур, обеспечивающих цепочки биохимических реакций.

Все живые организмы разделены на два вида. Первый из них, прокариоты, состоят всего из одной клетки, которая не имеет внутреннего ядра. Многоклеточные организмы называются эукариотами. Мы относимся именно к ним.

Есть ещё особая разновидность клеток – археи. Это самые древние клетки, предшественники прокариот и эукариот. У архей нет ядра, но есть собственный, присущий только им генетический материал.

Главная внутренняя часть клетки эукариот – ядро. Оно содержит хромосомы и несёт в себе программу развития клетки. У каждого человека 23 пары хромосом.

Ядро является своеобразным координационным центром управления и включает в себя молекулы ДНК, на которых записана вся генетическая информация организма.

Внутри клеточного мира происходит зарождение новой жизни. Половое размножение – уникальное изобретение Природы, один из самых сложных процессов на планете. Тайна наследственности раскрылась учёным, когда они выяснили, что представляют собой митоз и мейоз.

Митозом называется процесс деления клеток. 90% времени своей жизни клетка посвящает приготовлению веществ, необходимых для копирования. В это время все 23 пары наших хромосом вытянуты и распределены по ядру клетки.

Когда процесс деления стартует, хромосомы образуют спирали, начинают двигаться в разных направлениях и напоминают вытянутую букву Х. Правильнее сказать, что в этот момент хромосомы состоят из двух одинаковых хроматид.

Постепенно оболочка ядра клетки расходится, хроматиды разделяются в стороны. Вокруг каждой из копий образуется новая ядерная мембрана. Спирали хромосом разворачиваются, и на месте одной появляются две клетки.

Особый вид редукционного деления, приводящий к образованию половых клеток, называется мейозом.

В начале этого процесса две отцовских и две материнских хроматиды начинают совместное сближение. Они формируют объект, напоминающий застёжку-молнию. Пока две удвоенные хромосомы располагаются вместе, отцовское вещество в хроматиде заменяется на материнское и наоборот. То есть, пары сопряжённых хроматид обмениваются генетическим материалом.

В отличии от митоза, при котором сохраняется число хромосом, получаемых дочерними клетками, при мейозе оно уменьшается вдвое. Если бы не происходило уменьшения числа хромосом, то в каждом следующем поколении при слиянии ядер яйцеклетки и сперматозоида число хромосом увеличивалось бы бесконечно. Природа предусмотрительно выступила в качестве регулятора.

В результате мейоза образуются четыре клетки с одиночными хромосомами, представляющими собой генетическую смесь двух хромосом клеток родителей. Так происходит акт сотворения живого, в результате которого через девять месяцев на Земле рождается новый человек.

Глава 26. Происхождение жизни на Земле

Земля сформировалась около 4.6 млрд. лет назад. На раннем этапе эволюции Солнечной системы планеты земной группы постоянно сталкивались с кометами и метеоритами. Космос тогда существенно отличался от современного, и был переполнен многочисленными остатками вещества протопланетного диска.

Столь динамичную стадию развития Солнечной системы часто называют эпохой тяжёлой бомбардировки. Это был период непрерывной климатической катастрофы. Но именно благодаря описанному апокалипсису, мы существуем на Земле.

Бомбардировка кометами и метеоритами способствовала насыщению планеты органикой. По некоторым оценкам, таким путём на Землю выпадало до 100 млн. тонн органических молекул в год.

Кроме того, на планете оказалось огромное количество углерода, занесённого из космоса – не менее 1 000 000 000 000 000 тонн.

То есть, уже тогда, в столь древнюю эпоху, сформировались огромные запасы ключевых компонентов, необходимые для возникновения аминокислот, протеинов и нуклеинов – базовых «кирпичиков» жизни. Поэтому, можно смело утверждать, что появление жизни на Земле стало возможным благодаря космической бомбардировке.

Обстановка на планете стабилизировалась 3.9 млрд. лет назад. И как раз где-то в это время, согласно последним научным исследованиям, появилась первая жизнь.

В ту эпоху Земля была очень суровым местом. Практически полное отсутствие кислорода, плотная атмосфера, почти не пропускающая солнечного света, насыщенная едкими парами соляной и серной кислоты, кромешная темнота, озаряемая отдельными вспышками огромных молний – таким был тот древний мир. Согласитесь, в нашем привычном понимании на ранней Земле сложились весьма специфические условия для зарождения живого организма. Тем не менее, именно так и случилось.

По всей видимости, до появления жизни на планете должна возникнуть хоть какая-то химическая активность. Чтобы процесс стартовал, необходимо единовременное совпадение, по меньшей мере, пяти факторов:

1.Наличие подходящего растворителя, в котором могут происходить химические реакции. Это обязательно должна быть жидкость, лучше всего – вода.

2.Наличие химических элементов – базовых «кирпичиков» жизни. Как минимум, шести – углерода, водорода, азота, кислорода, серы и фосфора.

3.Наличие источника энергии. Здесь вариантов больше. Теоретически источником энергии может быть солнечный свет, разряд молнии, ультрафиолетовое излучение, перепад температуры, радиация, вулканизм.

4.Комфортная температура. Для появления жизни нашего типа должно быть не слишком холодно и не слишком жарко.

5.Запас времени. Вопрос неоднозначный, потому что трудно понять, что такое быстро, а что такое долго в космологическом масштабе. Но, вероятно, для зарождения жизни необходимо минимум сто миллионов лет.

Сегодня считается, что как только на Земле заплескался первый крупный водоём, указанные выше требования реализовались чуть ли не автоматически. В принципе, это действительно так. Первобытный океан представлял собой некое подобие крепкого бульона, обогащённого азотом и насыщенного различными органическими соединениями.

Когда температура первичной атмосферы Земли упала ниже 100°С, и вода перешла из газообразного состояния в жидкое, на поверхность планеты пролились гигантские горячие ливни. Условия стали относительно приемлемыми. В достаточном количестве присутствовали водяной пар, метан, аммиак и водород. Молнии и ультрафиолетовое излучение служили необходимыми источниками энергии. Дефицита ингредиентов для создания жизни не было.

Сегодня точно доказано, что аминокислоты могут образовываться спонтанно естественным образом. Все компоненты, необходимые для сборки клетки, могли появиться на ранней Земле в ходе естественных химических реакций.

Основная гипотеза происхождения жизни состоит в том, что органика образовалась из неорганической материи путём постепенного синтеза и отбора более сложных молекул из более простых. Впервые такой подход был предложен Александром Опариным27 и Джоном Холдейном28.

Мы точно знаем, что сложные молекулы действительно могут образовываться в результате естественных процессов, когда органические компоненты случайно контактируют друг с другом на протяжении длительного времени. На суше, в водоёмах и в атмосфере ранней Земли постоянно смешивались разнообразные вещества. Они непрерывно вступали друг с другом в химические реакции, образуя новые соединения. Постепенно возникали всё более сложные молекулы. В какой-то момент произошло качественное изменение – система достигла стадии жизни, то есть автономности, самовоспроизводства и извлечения энергии из окружающей среды.

В принципе современные знания подтверждают эту теорию.

Например, на океаническом дне исследователи обнаружили места, где из недр земли фонтанируют горячие вулканические источники, обогащённые серой и железом. Они известны как «чёрные курильщики». Могли ли подобные источники энергии породить жизнь на Земле?

Теоретически, да.

Вблизи «чёрных курильщиков» осаждается серный колчедан, поверхность которого является электрически положительно заряженной. Отрицательно заряженные органические молекулы притягиваются к подобным кристаллам самым естественным образом. Получается своеобразный прообраз клетки: минеральное ядро с органической оболочкой и обменом веществ. Подобные «серно-железные протоклетки» даже смогли вырастить в лаборатории.

Проблема в том, что совершенно непонятно, как они научились размножаться. Можно предположить, что протоклетки испытывали внутреннее давление от содержавшихся в них растворов и, чтобы не порваться, вынуждены были отдавать часть накопленных ими соединений в автономное дочернее семечко. Идея очень здравая, поскольку напоминает известное биологам размножение почкованием.

Есть другой способ.

В подводных вулканических источниках могут происходить химические реакции с участием угарного газа и цианистого водорода, в результате которых из неорганических соединений могут образовываться органические молекулы. Катализатором реакций являются железо и никель.

Лабораторные опыты, имитирующие процесс, также были удачными. Можно утверждать, что наука практически доказала, что геотермальные источники могли быть эффективными производителями разнообразных органических соединений, включая аминокислоты. Ионный состав таких водоёмов хорошо подходит для зарождения жизни.

Вроде бы всё сходится, но наш опыт подсказывает, что совершенно недостаточно положить в чан с подходящей жидкостью кости, мясо, шерсть и ждать сто миллионов лет появления барана. Так можно прождать вечность.

Если все предположения, о которых я рассказал, верны, всё равно по астрономическим понятиям жизнь возникла «неприлично» рано, практически сразу, как только появилась такая возможность.

Если всё так просто и для зарождения живого необходимо соблюсти лишь пять базовых условий, то окружающая нас Вселенная должна фонтанировать разнообразием жизненных структур. Жизнь должна быть везде, причём часто проявляться в весьма экзотических формах. Но почему-то её нет нигде, кроме Земли.

Будь всё настолько типично, то возникновение жизни должно быть не особым, а, наоборот, неизбежным событием в любом подходящем месте. А относительно подходящих мест около десятка только в одной Солнечной системе. Где же внеземная жизнь, пускай хоть самая примитивная?

Мы никак не можем её обнаружить, хотя современные астрономические приборы и межпланетные аппараты поражают своими фантастическими возможностями заглядывать в самые глубины космоса и исследовать чужие миры.

Более того, все современные научные данные буквально вопиют о том, что жизнь, особенно разумная, если не уникальное, то чрезвычайно редкое явление.

Предположим, что Солнечная система в силу каких-то странных обстоятельств – просто по факту неблагоприятное для жизни место. Этим можно объяснить, почему в окрестностях нашей звезды жизнь наблюдается исключительно на Земле. Но в Млечном Пути сотни миллиардов «солнц». А во Вселенной сотни миллиардов «млечных путей». И нигде нет никаких признаков жизни. Полная тишина и полная пустота. Так, может быть, существует какая-то более глубинная причина повсеместного отсутствия малейших признаков живого?

Наиболее распространённое объяснение этого печального факта таково.

Действительно, самопроизвольное зарождение жизни исключительно маловероятно. Но в бесконечной Вселенной оно в принципе неизбежно. И эта крайне редкая удача реализовалась именно на Земле.

По большому счёту, такой аргумент означает, что произошло чудо. Однако, мне всё же хотелось бы получить безупречное научное объяснение. Пока же его нет.

Помимо обозначенной стратегической проблемы, к классической теории происхождения жизни накопилось много других вопросов. Я скажу о некоторых нестыковках, которые выглядят принципиальными.

Начнём с аминокислот и белков.

Прямые астрономические наблюдения бесспорно подтверждают: аминокислоты могут самопроизвольно возникать из неорганического вещества. На основании этого факта, многие оптимисты безоговорочно соглашаются с теорией самозарождения. Такая аргументация приемлема, ведь аминокислоты – это самые что ни на есть базовые «кирпичики» жизни. Однако, это не комплексное решение проблемы.

Никто не спорит с тем, что образование аминокислот – это первый и ключевой шаг на пути к зарождению жизни. Проблема в том, что этот первый шаг без множества следующих – путь в болото, а не на твёрдую почву.

Суть в том, что аминокислоты должны не только самозародиться. Сам факт появления этих сложных молекул ничего не решает. Их наиглавнейшая функция совершенно иная. Они должны сформировать белок.

Казалось бы, в этом нет ничего сложного. За сто миллионов лет хотя бы одна из триллиона возможных комбинаций соединения аминокислот случайным образом наверняка преобразуется в белок. Для поверхностного анализа такой вывод кажется вполне приемлемым.

Действительно, белок является обычным соединением аминокислот. Он выглядит достаточно «простым». Но это взгляд через «розовые очки».

На самом деле белок – образование чрезвычайно сложное, случайная самосборка которого представляется невероятным событием даже в практически бесконечном космосе.

Дело в том, что аминокислоты собираются в белок не хаотично, а в строго определённой последовательности, как буквы алфавита, складывающиеся в слова. Если их расставить неправильно, то исказится весь смысл текста. Используя эту аналогию, можно сказать, что белки – это невообразимо длинные слова.

Например, всем известный гемоглобин – очень простой белок. Но он представляет собой одну правильно возможную комбинацию аминокислот из 10¹⁹⁰. Только вообразите себе столь длинное слово, состоящее из такого множества букв, причём в нём нет ни единой грамматической ошибки. Как логично объяснить, почему из невообразимо большого числа возможных комбинаций «почему-то» реализовался единственно верный вариант.

Многие ошибочно считают, что сто миллионов лет – очень большой срок, чтобы случилось любое чудо. По сравнению с человеческой жизнью это безусловно так, но соизмеримо с возрастом Вселенной – это небольшой период.

Да это и неважно в данном примере, потому что элементарные подсчёты показывают, что для безошибочного написания столь длинного слова недостаточно и ста триллионов лет. Теперь скажите честно, вы верите в то, что гемоглобин случайно самособрался в подобной строго определённой последовательности?

А ведь для функционирования живого организма необходимы десятки тысяч разнообразных белков, многие из которых намного сложнее гемоглобина. С точки зрения статистики все сегодняшние гипотезы происхождения жизни чересчур неправдоподобные. Теория панспермии выглядит куда более вероятной, чем допускаемая в эволюции степень случайности.

Есть возражение, что белковые цепочки собирались не одномоментно, а под воздействием некоего кумулятивного эффекта. То есть, одна группа аминокислот сталкивалась с другой и постепенно усложнялась.

С моей точки зрения, подобное допущение не совсем корректное. Потому что не объясняет, почему образовались не просто какие-то абстрактные сверхсложные аминокислотные соединения, а именно белки, ставшие основой для органической углеродной жизни.

По большому счёту суть вопроса заключается даже не в проблеме автоматического собирания отдельных элементов в грандиозную идеальную конструкцию. На самом деле, Вселенная полна сложности. Это достаточно обычное явление. Вспомните хотя бы удивительную симметрию снежинок, грациозную красоту кристаллов или даже обычный крахмал, являющийся наглядным примером самосборки разных сахаров.

Проблема в том, что все эти естественные длинные молекулярные цепочки мертвы, безжизненны. А в «нашу» цепочку что-то вдохнуло жизнь. Именно в этой уникальности кроется главная загадка.

Каким образом из неживых химических соединений появилась несущая информацию молекула, способная к самовоспроизводству?

Если «наша» самосборка случайна, но, одновременно, типична и естественна для Природы, то где живые кристаллы и разумные крахмалы?

Наконец, почему нечто, что способствовало качественному переходу от неживого к живому реализовалось на Земле только единожды?

Если это так неизбежно и типично, то почему за много миллиардов лет не повторилось хотя бы ещё раз?

Причём, для большей убедительности теории эволюции желательно, чтобы альтернативное самозарождение произошло не на базе нашего генетического кода, а на принципиально другой основе. Или чтобы нечто чужое зародилось, например, на Марсе. И тогда бы большинство вопросов автоматически отпало.

Ещё одним ключевым этапом при зарождении жизни стал момент возникновения синтеза белков.

Белок сам по себе полностью бесполезен для организма, если бы не воспроизводился. При этом самостоятельно он не способен создать копию. Белки не хранят наследственную информацию. Для этого требуется молекула ДНК.

Отмечу также, что все эти составляющие жизни бессмысленны без клетки, внутри которой они располагаются. Отдельная, даже очень сложная молекула, ни в коем случае не является живой сама по себе. Только когда они все вместе аккумулируются в клеточной питательной среде, запускается процесс, который мы называем жизнью.

Если всем составляющим частям единого сообщества молекул обязательно необходимы все остальные, то возникает логичный вопрос. Каким образом «нужные» молекулы правильно сложились в верную конфигурацию самый первый раз?

Аминокислоты могут образовываться спонтанно естественным образом. Но белки и другие сложные органические полимеры не могут. «Кирпичики» жизни должны каким-то образом правильно сконцентрироваться в определённом месте.

Допустим, за многие миллионы лет такое действительно где-то случайно произошло. Проблема в том, что недостаточно сложиться в какую-нибудь любую суперсложную молекулу. Обязательно нужно, что это «нечто» ожило.

Но, жизнь настолько сложна, что любые идеи о том, что нужная комбинация образуется случайным образом, противоречат законам статистической вероятности.

Для случайного появления жизни не хватит не просто нескольких сот миллионов лет, но и всего времени жизни Вселенной. По мере возрастания сложности необходимой комбинации на порядки увеличивается требуемое на её реализацию время. Случайные процессы просто не успеют наработать требуемую сложность.

Предположим, что все компоненты, необходимые для сборки клетки, могли образоваться на Земле в ходе естественных химических реакций.

Но, далеко не каждая комбинация аминокислот даст в итоге белок, способный к функционированию в составе клетки. Подходящие аминокислоты должны соединиться в правильном порядке. Вероятность случайного «попадания в точку» исчезающе мала.

Некоторые исследователи полагают, что на самом раннем этапе эволюции был задействован своеобразный естественный отбор, который привел к появлению сложных биологических систем. То есть, процесс был не строго случайным.

Приоритетным становилось формирование аминокислотных цепочек, повышающих вероятность возникновения функциональных белков. У такого подхода есть два заметных недостатка.

Во-первых, непонятно откуда взялись уже готовые аминокислотные цепочки для дальнейшего естественного отбора.

Во-вторых, в природе не должно существовать заранее известной «правильной» комбинации аминокислот, на которую может быть сориентирован естественный отбор. Иначе необходимо допустить, что «некто» выбирал, насколько близка каждая полученная комбинация к итоговому необходимому результату. Но тогда это не естественный, а осмысленный отбор. Который явно не под силу молекулам.

Что мы имеем в сухом остатке.

Хорошо понятно, как из неорганики могли возникнуть аминокислоты.

Хорошо понятно, как происходило развитие жизни с одноклеточного до современного уровня.

Но совсем неясно, что было в промежутке.

Практически все этапы эволюции объяснены наукой и подтверждаются экспериментами. Кроме одного. И самого главного.

Непонятно, как произошёл качественный скачок от неживого к живому.

А ведь путь от бактерии до разумного человека – просто мизерный шажок по сравнению с невообразимо длинной дорогой, разделяющей смесь неживых аминокислот от живой бактерии.

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.