Вступление

История этой книги не совсем обычна. Как-то мне предложили прочитать на первом курсе биологического факультета МГУ пять вступительных лекций под довольно неуклюжим названием «Введение в специальность». Согласился я не раздумывая, раздумье пришло потом. В каком ключе читать эти лекции?

Вспомнились те далекие годы, когда мы, тоже на первом курсе, слушали лекции «Введение в биологию». Насколько помню, они не удовлетворили меня (и не только меня). Это была какая-то окрошка из начал общей биологии, эмбриологии и цитологии, палеонтологии, генетики и теории эволюции (как они понимались в то время). Естественно, сжать все эти дисциплины в самостоятельный курс не представлялось возможным, лектору пришлось пожертвовать глубиной изложения, да еще приноровить его к уровню познаний недавних школьников. Пользы от такого курса было немного. Теперь я понимаю, что сама идея подобного курса неверна, нужно выбирать между глубиной анализа и широтой обобщений. Если бы читать его на последнем курсе, уже подготовленным студентам, но тогда он, пожалуй, не будет нужен вообще. А для меня такой путь был бы вообще отрезан – за десять академических часов обозреть всю биологию невозможно не только с «высоты птичьего полета», но и со спутника. А потом я задумался: правильно ли мы вообще обучаем биологии?

Представьте такой курс геометрии: сначала слушателям преподносится стереометрия, затем планиметрия, хотя бы теорема Пифагора, и лишь в конце, на последней лекции, перечисляются основные образы (точка, прямая, плоскость), основные соотношения (принадлежать, лежать между, двигаться), аксиомы и постулаты. Пожалуй, такой курс невозможно даже представить. И он не может чему-либо научить. А что делаем мы? Сначала заставляем студентов постигать, как и сами постигали раньше, зоологию и ботанику, цитологию, эмбриологию, потом переходим к теории эволюции и генетике, а до общих начал, аксиом, лежащих в основе науки о живом, дело практически не доходит.

Нельзя ли как-нибудь аксиоматизировать биологию, сформулировать системы аксиом (или постулатов, принципов, основных положений – дело не в названии)? Эти принципы должны выводиться из накопленного биологией опыта и того, что люди называют «здравым смыслом». Исходя из них, путем чисто логических рассуждений можно было бы строить здание теоретической биологии все выше – от этажа к этажу, укладывать разнородные факты в упорядоченную систему. Вот эти-то аксиомы и можно преподать первокурсникам в качестве введения в биологию.

Естественно, возникает вопрос: почему же математики пошли по этому кажущемуся единственно разумным пути, а биологи нет?

Причины, в общем, понятны. Что бы ни говорили, математика – одна из самых простых наук. Основные ее понятия, хотя бы о той же точке, прямой и плоскости, человек получает из своей практической деятельности задолго до того, как узнает о существовании геометрии. Даже не думая о том, что гипотенуза короче суммы двух катетов, мы, рискуя быть оштрафованными, «срезаем» угол газона. Люди делали устойчивые треножники до того, как сообразили, что через три точки в пространстве, не расположенные на одной прямой, можно провести плоскость, и притом только одну, и экономили строительный материал, сооружая округлые строения и изгороди. Поэтому так просто сформулировать аксиомы в начале курса математики и в дальнейшем идти путем строго логических рассуждений.

Сложен в математике лишь ее язык – набор символов и правил сочетаний этих символов. Но овладев им, каждый может уверенно пользоваться математическим аппаратом. Для этого нужно только уметь логически мыслить. Орудия труда математиков предельно просты – песок Архимеда, грифельная доска, карандаш и бумага. Но и без них можно обойтись – гениальный Эйлер, потеряв зрение в старости, практически не снижал продуктивности своей работы.

Когда я называю аксиомы, лежащие в основе какой-либо науки, простыми, из этого не следует, что проста сама наука. Аксиомы – концентрированное выражение опыта человечества, если угодно, стартовая площадка для последующего взлета. Наверняка читатели задумывались о неравномерности темпов развития наук. Почему математика, в частности геометрия, достигла огромных успехов в античное время, а физика – нет? Архимед и Герои Александрийский были лишь предтечами, физики как науки они не создали. А дело в том, что опыта человечества для создания теоретической математики оказалось достаточно. Физика же должна была ждать своего часа.

Поясню примером: некий итальянский мастеровой в эпоху раннего Возрождения заново открыл архимедов винт и догадался использовать его как насос для подачи воды наверх (такой винт каждый из читателей видел в мясорубке – там он подает мясо к ножам). Но этого изобретателю кажется мало. Он немедленно сооружает устройство из двух баков, верхнего и нижнего, архимедова винта и водяного колеса. По его замыслу колесо должно было вращать винт, а винт подавать воду в верхний бак. Вечный двигатель! Увы, верхний бак быстро пустел и не желал наполняться. Изобретатель без конца совершенствует свое устройство, разоряется, кончает жизнь в нищете, не ведая, что он вместе с другими такими же неудачниками сделал немало для обоснования первого начала термодинамики.

Думаю, что второй закон термодинамики для своего появления должен был дождаться изобретателя паровой машины. Героновский эолипил – первая паровая турбина – в античное время так и остался занятной игрушкой, с его помощью никто не догадался в то время совершить работу. Опыта человечества оказалось недостаточно. Иное дело в геометрии: то, что прямая – кратчайшее расстояние между двумя точками, интуитивно чувствовал и первобытный человек, догоняя мамонта. А когда люди в Древнем Египте и Вавилоне стали делить земельные участки, практический опыт для создания геометрии был накоплен очень быстро. Недаром Энгельс написал на полях рукописи своей «Диалектики природы»: «До сих пор выставляют хвастливо напоказ только то, чем производство обязано науке; но наука обязана производству бесконечно большим». Как только производство накопило вековой опыт, Парижская академия наук перестала рассматривать прожекты вечных двигателей задолго до того, как было сформулировано первое начало, или закон, термодинамики – всем известный закон сохранения энергии.

Со вторым началом дело сложнее. Не уверен, что все читатели о нем знают. Во всяком случае, мой опрос примерно пятидесяти человек (не физиков и не инженеров) дал не очень положительные результаты.

Есть несколько равноценных формулировок второго начала. Вот несколько из них:

1) невозможно построить вечный двигатель второго рода, то есть машину, которая сколь угодно работает за счет тепла окружающей среды;

2) работу можно получить лишь путем выравнивания перепадов каких-либо параметров системы (температур, давлений, электрических потенциалов);

3) в замкнутой (то есть не получающей энергии извне) системе прирост энтропии всегда положителен;

4) все самопроизвольно протекающие процессы в замкнутых системах идут в сторону наиболее вероятного состояния системы.

Для биологии значение имеет четвертая – самая общая – формулировка

И лишь после того как физики и инженеры поняли незыблемость второго начала, оно было строго обосновано методами теории вероятностей (статистическая физика).

Физиков, отрицающих второе начало, единицы, и к ним сейчас не относятся серьезно. Иное дело биологи. Мне, например, доводилось слышать вполне серьезное сообщение о неких бактериях, которые растут, за счет охлаждения окружающей среды, то есть представляют вечный двигатель второго рода (по-видимому, у экспериментаторов был не в порядке калориметр). Гораздо чаще биологи вроде бы не отрицают второе начало, а защищают какое-нибудь положение, которое в неявной форме ему противоречит.

К чему я веду этот разговор? К тому, что сейчас, когда изучение жизни ведется уже на молекулярном уровне, наше познание ее достигло уже такой стадии, что можно сформулировать основные аксиомы (или постулаты, начала, если хотите) биологии, которыми мы должны руководствоваться в дальнейшей работе.

Каким условиям они должна удовлетворять? Прежде всего, они не должны противоречить законам физики, ибо живая природа состоит из тех же атомов и полей, что и неживая. Подобно тому, как летящий самолет не отрицает закона всемирного тяготения, живой организм во всех деталях своего строения и поведения не опровергает законов физики. Это не значит, что мы сводим тем самым биологию к физике, – мы выводим биологию из физики, а это разные вещи.

Все законы физики в конечном счете имеют форму запретов. Нельзя получить энергию из ничего, нельзя понизить энтропию в замкнутой системе, не подведя к ней энергии нельзя двигаться со скоростью большей, чем скорость света, и т. д., и т. д. Все эти запреты в полной мере действенны в мире живой природы; однако к ним присоединяются другие, специфичные для биологии, но не противоречащие первым. Специфичные для биологии аксиомы выводятся из физических аксиом.

Энгельс называл «физику механикой молекул, химию – физикой атомов и далее биологию – химией белков» и писал, что он желает этим выразить «переход одной из этих наук в другую, – следовательно, как существующую между ними связь, непрерывность, так и различие, дискретность обеих. Но отсюда следует, что, например, достижения физики могут быть использованы как аксиомы для химии. Так оно и есть: некоторые физхимики уже поговаривают о сведении химии к физике, ибо любую реакцию и любого вещества можно свести к уравнениям квантовой механики. Тем самым они возводят в абсолют связь и не обращают внимания на различие. Это уже загиб: химия, несомненно, самостоятельная наука, но она выводится из физики.

Точно так же, на мой взгляд, называя биологию химией белков (мы бы теперь добавили: и нуклеиновых кислот), Энгельс имел в виду то, что аксиомы биологии, только ей присущие, нужно доказывать на уровне химии и физики. Для многих это непреодолимое затруднение: если-де это аксиома, ее нельзя доказать, а если ее можно доказать, то это не аксиома. Такой подход явно недиалектичен.

Вообще вопрос о выводимости (нередко пишут: сводимости) одних форм движения материи к другим до сих пор служит предметом дискуссий философов.

Что такое «сводимость»? Вот как отвечает на этот вопрос советский философ Б. М. Кедров:

«Механисты употребляют его в смысле отрицания качественной специфики высшей формы движения, полного ее исчерпания свойствами и законами низшей формы… Совершенно отличный смысл в то же самое слово вкладывают ученые, когда они устанавливают структурные и генетические связи между высшим и низшим. Высшее не исчерпывается низшим, но сводится к нему в структурном и генетическом отношении… В этом же – структурном и генетическом – смысле жизнь сводится к химии и физике, поскольку биологическое движение возникает и образуется из химического и физического, хотя и не исчерпывается ими в качественном отношении».

Полагаю, что в настоящее время только подобная точка зрения, как и во времена Энгельса, соответствует тому багажу фактов, который имеет современное естествознание.

Аксиомы биологии не должны противоречить основному принципу современного естествознания – принципу причинности.

Увы, биология, начиная с учителя Александра Македонского великого философа Аристотеля, то и дело грешила против этого великого принципа и продолжает в лице отдельных своих представителей делать это и сейчас.

Самая суть принципа причинности в том, что причина по времени должна предшествовать следствию. (Обычно философы толкуют его шире, но для нас в первую очередь важна именно эта сторона.) События, разделяемые каким– либо промежутком времени, неравноправны: будущее не влияет на прошлое. Этот смысл выражен в древнегреческой пословице: «Над прошедшим даже боги не властны». И в русской поговорке: «Знал бы где упасть, соломки бы подостлал».

Но согласно теории относительности промежуток времени между двумя событиями – величина, зависящая от скорости движения наблюдателя. Если скорость наблюдателя меньше скорости света в вакууме, одно событие всегда происходит раньше другого. Для «сверхсветового» наблюдателя порядок событий может оказаться обратным, и если события связаны друг с другом причинной связью, то причина и следствие меняются местами. Так, причиной вылета пули из канала ствола явится попадание ее в мишень, а причиной изменения генетической программы организма будет благоденствие его потомков. Мы вступаем в область столь неразрешимых парадоксов, что единственный выход из этого – признать невозможность «сверхсветового наблюдателя».

Попытки обнаружить нарушения принципа причинности в эксперименте позволили прийти к выводу, что он справедлив и для расстояний, в десять миллионов раз меньших, чем диаметр атома. Предел проверке пока ставит мощность современных ускорителей. Вся окружающая нас природа ему подчиняется, и живая не является исключением. Нарушить его можно только в неэйнштейновском мире, где скорость света в вакууме не является пределом.

Аристотель же создал учение о некоей конечной цели – причине явления (так называемая «конечная причина»). Две тысячи лет это учение почти никем не подвергалось сомнению, и лишь в эпоху Возрождения против него начали восставать. Уже Френсис Бэкон писал, что с научной точки зрения «конечная причина» не нужна и вредна; прибегать к ней для объяснения какого-либо явления допустимо в метафизике, но весьма опасно в науке, так как она сразу закрывает путь для эксперимента (недаром Ньютон порой восклицал: «О физика, спаси меня от метафизики!»).

Слов нет, Аристотель был гениальным мыслителем. Но так уж получилось, что он стал злым гением естествознания, затормозив его развитие на добрые сто поколений. Он, в частности, вслед за Платоном отказался от основного принципа материалистической методологии – от практики как критерия истины. Математике это особого вреда не принесло, ибо ее аксиомы были слишком очевидны. Иное дело естествознание. Ограничусь лишь одним примером.

Путем логических рассуждений Аристотель пришел к выводу, что тяжелый камень падает быстрее легкого. И ему даже не пришло в голову проделать простейший опыт: попросить кого-нибудь из своих учеников попроворнее залезть на дерево лицейской рощи с двумя камнями разного веса и выпустить их из рук одновременно. А самому стать рядом, не так близко, чтобы камни не упали на голову, но и не так далеко, чтобы увидеть – камни коснутся земли одновременно. Даже сама мысль об этом казалась ему неприемлемой, низменной, чуждой философии.

Впрочем, что жалеть о том, чего не случилось. Опять же – действует закон причинности, запрещающий влиять на прошлое.

Как бы то ни было, физика начала освобождаться от влияния Аристотеля фактически с XV—XVII веков – времени Галилея, Паскаля, Декарта, Гюйгенса и Ньютона. И основатель Академии Линчеев Федерико Чези с гордостью писал Галилею: «Те, кого примем, не будут рабами ни Аристотеля, ни какого-либо другого философа, а людьми благородного и свободного образа мыслей в исследовании природы». Вот какой клин вбил Стагирит между философией и естествознанием! Отголоски этого спора дошли и до XVIII века. Это хорошо обыграно А. Н. Толстым в Петре Первом»:

«…А что, господин Паткуль, англичане Фергарсон и Гренс – знатные ученые?

– Будучи в Лондоне, слыхал о них. Люди не слишком знатные, сие не философы, но более наук практических…

– Именно. От богословия нас вши заели…»

Итак, философия стала синонимом богословия и антиподом практики. Немалую роль в этом сыграл тот же Аристотель, поднятый на щит средневековыми схоластами. Лишь в созданной Марксом и Энгельсом философии критерий практики получил достойное место. Но, увы, аристотелизм в биологии занял слишком прочную позицию. Биологические системы сложнее механических, и процесс накопления новых данных шел здесь с гораздо меньшей скоростью.

Поэтому, даже сейчас Аристотелевы положения о конечных причинах имеют успех у ряда естествоиспытателей. Ведь на них неявно основаны учения о наследовании приобретенных признаков, изначально приспособительной, целесообразной изменчивости, ассимиляции условий внешней среды. И так далее.

В последнее время в научной и в научно-популярной литературе усиленно обсуждается вопрос о теоретической биологии: можно ли превратить науку о живом из груды как будто бы не связанных друг с другом фактов в стройное здание, где все положения и факты связаны друг с другом и все вытекают из непреложных, продиктованных всем человеческим опытом аксиом? Мнения высказываются самые разнообразные. Мне, например, доводилось слышать пессимистический вывод, гласящий, что в отличие от теоретической физики теоретическую биологию создать принципиально невозможно. Обосновывается этот вывод довольно просто. Ни об электроне, ни об атоме не скажешь, что каждый из них уникален, единственный в своем роде. А вот в биологии, что ни объект, то «неповторимая индивидуальность». Уникальные клетки слагают уникальные организмы, из организмов состоят популяции, из популяций – виды, а сколько их и как они разнообразны!.. Видимо, это различие объектов биологии и физики и имел в виду

Макс Дельбрюк – физик и биолог одновременно, когда писал: «Зрелого физика, впервые сталкивающегося с проблемами биологии, ставит в тупик то обстоятельство, что в биологии нет «абсолютных явлений». Каждое явление представляется иным в разных местах и в разное время. Любое животное, растение или микроорганизм… лишь одно звено в эволюционной цепи изменяющихся форм, ни одна из которых не остается сколько-нибудь постоянной».

Большинство исследователей придерживаются иного мнения: теоретической биологии еще нет, но она возможна. Просто мы не знаем пока всех принципов (аксиом, исходных положений), которые должны лежать в ее фундаменте. Так, математик В. В. Налимов полагает, что на пути создания теоретической биологии стоит неодолимое сегодня препятствие – чрезвычайная сложность исследуемых объектов. Она, эта сложность, не позволяет представить явление, именуемое жизнью, короче, чем это удается сделать при непосредственном наблюдении. Теория же, считает Налимов, это компактное построение. Любопытно, что по меньшей мере одно такое построение он признает – эволюционную теорию Дарвина.

Как писал в своей последней статье недавно скончавшийся один из крупнейших наших генетиков Н. В. Тимофеев-Ресовский теоретическая биология не создана потому, что «нет (или не было до самого последнего времени) общих естественноисторических биологических принципов, сравнимых с теми, которые давно, начиная с XVIII в., существуют в физике». Правда, два принципа Николай Владимирович все же назвал, об одном высказался предположительно.

Первый из названных им принципов известен уже более 100 лет. Это дарвиновский естественный отбор. Второй – размножение, репликация и редупликация наследственных молекул. В основу этого принципа легла идея, прозорливо высказанная учителем Тимофеева-Ресовского Н. К. Кольцовым, а затем подхваченная и развитая самим Николаем Владимировичем, Дельбрюком, П. Дираком и другими учеными.

Странно, что Тимофеев-Ресовский не назвал еще один общебиологический принцип, который имеет для науки о живом не меньшее значение, чем естественный отбор и размножение наследственных молекул. Может быть, потому, что он сам его и предложил? Это так называемый принцип усилителя (усиления), именно он и делает дарвиновскую эволюцию возможной.

Обо всем этом нам предстоит поговорить подробно, а принципу усиления будет отведена даже целая глава. Здесь же я хотел бы сказать вот что. Да, принцип естественного отбора очень важен, но вряд ли его можно признать аксиомой. Он скорее своего рода теорема, которая выводится из более простых. То же самое относится и к принципу конвариантной (точной не на все 100%) редупликации. Его также можно разложить на два начальных, действительно исходных, аксиоматичных.

Теперь о принципе, о котором Тимофеев-Ресовский высказался предположительно, а точнее – определенно. По мнению Николая Владимировича, естественный отбор должен непременно вести к прогрессивной эволюции. Можно по-разному расценить это высказывание. Заподозрить, к примеру, автора статьи в том, что он выступает против Дарвина, который, как известно, отрицал присущую будто бы живой природе «способность к прогрессу». «Боже, – заклинал Дарвин, – огради меня от ламарковских бессмыслиц вроде стремления к прогрессу». Такое подозрение будет несправедливым уже хотя бы потому, что в той же статье есть и другие слова: «…нам, биологам, предстоит… сформулировать, что такое прогрессивная эволюция».

Проблема прогресса в живой природе рассматривалась нашим замечательным эволюционистом А. Н. Северцовым. Он различал два разных прогресса: морфофизиологический и биологический. Первый связан с усложнением и усовершенствованием организма, что более всего отвечает нашим интуитивным представлениям о прогрессе – от амебы к обезьяне, от обезьяны к человеку. Биологический прогресс характеризуется лишь степенью процветания вида. Если вид до сих пор благоденствует, приспосабливается к изменениям внешних условий, не снижает, по крайней мере, свою численность, значит, он переживает стадию биологического прогресса. А достигается эта стадия разными путями: как путем морфофизиологического прогресса, так и частными приспособлениями и даже путем регресса, понижения уровня организации. Если Тимофеев-Ресовский имел в виду биологический прогресс, то он был совершенно прав.

Наконец, есть и такая точка зрения по поводу теоретической биологии: эта наука создается уже сегодня. Так, в частности, думают биологи, физики и математики, периодически собирающиеся под эгидой Международного союза биологических наук на симпозиумы по… теоретической биологии.

Мое мнение по этому поводу, быть может, самое оптимистичное.

Во-первых, я убежден, что теоретическая биология создана уже более двух тысяч лет назад, во времена Аристотеля. К сожалению, великий философ положил в основу своей теоретической биологии ложный принцип энтелехии, будущей причины. Нельзя сказать, что этот принцип тогда ничего не объяснял. Наоборот, он объяснял чересчур многое, практически все, поскольку по сути своей это объяснение мало, чем отличалось от банального: так сотворил бог…

Во-вторых, я думаю, что все принципы, все аксиомы, которые нужны для построения теоретической биологии, в свое время уже были сформулированы. Ждать появления новых нет никаких оснований.

Какие же аксиомы следует положить в основу теоретической биологии? Ясно, что они должны прежде всего удовлетворять требованию очевидности. И их должно быть необходимое и достаточное число; как говорят математики, система аксиом должна быть полной и независимой.

Эта книга не учебник, не аксиоматизированная биология, а лишь предложение к размышлению. Я не старался загрузить ее фактами. Цель ее в другом – показать, каким образом можно выбрать из многих положений основные, исходные. Выбор их обосновывается фактами и доводами, для постижения которых вполне достаточно школьной программы биологии, химии и физики. Насколько это мне удалось, предоставляю судить читателю.

Но прежде чем мы перейдем к рассмотрению аксиом жизни, надо все-таки заранее условиться о том, что мы представляем под этим понятием – «жизнь». Как ни странно, полного единогласия в этой проблеме нет. А ведь нельзя аксиоматизировать науку о живом, не договорившись о том, что же все-таки мы имеем в виду.

 

Что такое жизнь?

Один остроумный человек заметил, что хотя мы можем затрудниться дать точное определение жизни, однако никто из нас не сомневается в реальности различия между живым и неживым, потому что за живую и за мертвую лошадь на рынке дают разную цену.

Действительно, интуитивно мы все понимаем, что есть живое и что – мертвое, а вот точно сформулировать различие обычно затрудняемся. Мне известно много попыток дать дефиницию, определение понятия «жизнь», но, как правило, они оказываются уязвимыми. Порой авторы вообще отказываются от определения, подменяя его тавтологией. Не могу не процитировать одно из определений, присланное мне из Донецка: «Живой организм – это тело, слагаемое из живых объектов; неживое тело – слагаемое из неживых объектов». И все. Подумайте, как просто! Но стала ли нам от этого понятнее сущность жизни?

Большинству читателей, вероятно, известно классическое определение жизни, данное Энгельсом: «Жизнь – это способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка».

Уже в этой главе мы встретим убедительные примеры справедливости определения Энгельса. Однако достаточно ли оно? Сам Энгельс так не думал. Для него обмен веществ – лишь существенный, но не единственный критерий жизни. Действительно, мы убедимся, что обмен веществ может быть присущ и неживым объектам.

Представим опыт, который нетрудно осуществить. Мы имеем два непрозрачных ящика, которые непрерывно вентилируются. Подобные устройства, в которых контролируется лишь вход и выход, а содержание их неизвестно, кибернетики как раз и называют «черными ящиками». Анализ выходящего из ящиков воздуха показывает, что в обоих случаях мы имеем на выходе дефицит кислорода, повышенную концентрацию углекислого газа и водяных паров. Измерение температуры покажет, что на выходе воздух теплее, чем на входе. Мы вправе заключить, что в каждом ящике содержится система, способная к обмену веществ с окружающей средой. Если мы вскроем ящики, то обнаружим в одной из них живую мышь, а в другом – горящую свечу. Критерий обмена веществ здесь не срабатывает, не позволяя отличить живое от неживого, процесс горения от процесса дыхания. Если мы перекроем кран поступления воздуха, мышь погибает. Однако и мертвые организмы могут обмениваться веществами с окружающей средой. На этом, в частности, основан процесс образования окаменелостей. Остатки животных и растений в слое горной породы отдают окружающей среде органику ее место занимают минералы. Особенно удивительны окаменевшие деревья – внешне они до мельчайших деталей сохраняют структуру древесины, однако она миллионы лет назад заместилась кремнеземом и окислами железа.

Какой вывод можно сделать из этого? Обмен веществ – необходимый, но недостаточный критерий жизни. Его нужно дополнить каким-то иным критерием.

Можно сформулировать определение жизни следующей фразой: жизнь – это активное, идущее с затратой энергии поддержание и воспроизведение специфической структуры.

Чем короче определение, тем больше оно нуждается в расшифровке. Что такое активное воспроизведение? Под этим словосочетанием мы должны понимать такой процесс, когда система сама воспроизводит себя и поддерживает свою целостность, используя для этого элементы окружающей среды с более низкой упорядоченностью. Пассивный процесс такого рода отнюдь не признак жизни. Птицы из года в год воспроизводят свои гнезда, бобры строят плотины, но ни гнезда, ни плотины нельзя считать живыми объектами в отличие от их строителей. Особенно характерно воспроизведение неживых объектов для деятельности человека. Средневековый переписчик книг, создававший новый фолиант взамен истрепанного, и современный любитель музыки, переписывающий магнитофонную запись, – хорошие тому примеры. Но человек куда сложнее книги или магнитофонной записи. Как-то автору довелось читать фантастический рассказ о том, как в далеком будущем воссоздали живого Пушкина по информации заключенной в полном собрании его сочинений. Вот уж это совершенно ненаучная фантастика с большим успехом можно попытаться воссоздать яблоню по кусочку яблочной пастилы. В дальнейшем мы еще вернемся к этой проблеме.

Почему в нашем определении подчеркивается то, что поддержание и воспроизведение структуры живого организма должно идти с затратой энергии? Потому что это позволяет различать живые существа от других самовоспроизводящихся структур, например кристаллов.

Еще великий французский натуралист Бюффон в XVIII веке проводил аналогии между ростом организмов и ростом кристаллов. Действительно, каждому кристаллу присуща своя специфическая структура, возникающая спонтанно. Так, хлористый натрий кристаллизуется в виде куба, углерод в форме алмаза – в виде октаэдра. Скопления, сростки кристаллов порой удивительно похожи на структуры живой природы. Вспомните хотя бы морозные узоры на оконных стеклах. Они иногда настолько бывают похожи на листья папоротников и иных диковинных растений, что известный биолог А. А. Любищев видел в этом какой-то глубокий смысл. Можно получить и трехмерную структуру, сходную с растениями (на сей раз при растворении кристаллов). В детстве я увлекался подобными опытами. Нужно взять кристаллики какой– либо цветной соли – медного купороса, бихромата калия – и залить их жидким стеклом (силикатным клеем). Через несколько дней над каждым кристалликом вырастает ветвящаяся структура, удивительно похожая на растение, а в целом получается пейзаж какой-то фантастической планеты.

Рис. 1. Морозные узоры на окнах порой так напоминают листья папоротников и иных диковинных растений, что А. А. Любищев видел в этом какой-то глубокий общебиологический смысл. Дело, однако, гораздо проще. Кристаллы, образующиеся из водяных паров, растут с поверхности и потому образуют структуру с наибольшей поверхностью. Листья папоротника имеют наибольшую поверхность для поглощения солнечного света и углекислоты. В первом случае при образовании структуры энергия выделяется, во втором – поглощается.

Как-то мне довелось видеть и трехмерные морозные узоры. На склоне камчатской сопки земля с легким хрустом проседала под ногами на один-два сантиметра.

Оказалось, что тонкий поверхностный слой почвы был поднят изящными ледяными веточками, торчащими густо, как щетинки на зубной щетке. Ни до, ни после мне не пришлось видеть такой занятной кристаллизации водяных паров, хотя пишут, что в горах такой феномен не столь уж редок.

Даже металлы образуют подобные структуры металлургам: всего мира хорошо известна так называемая «елка Чернова» – древовидный сросток кристаллов железа, выросший в раковине отливки.

И тем не менее аналогии между кристаллами и организмами, между морозными узорами и листьями папоротника неправомерны. Хотя эти структуры внешне сходны, процессы их возникновения энергетически диаметрально противоположны. Кристалл – система с минимумом свободной энергии. Недаром при кристаллизации выделяется тепло. Например, при возникновении одного килограмма «морозных узоров» должно выделиться 619 килокалорий тепла (539 при конденсации водяных паров и 80 при переходе в твердую фазу). Столько же энергии нужно затратить на разрушение этой структуры. Листья папоротника, наоборот, при своем возникновении поглощают энергию солнечных лучей, и, разрушая эту структуру, мы можем получить энергию обратно. Да это мы и делаем, сжигая каменный уголь, образовавшийся из остатков гигантских папоротников палеозойской эры. Дело здесь не в самом листообразном рисунке: бесформенный кусок льда той же массы потребует на расплавление и испарение столько же энергии. То же и с папоротником: на образование внешней сложности организма расходуется энергия, ничтожно малая по сравнению с той, что законсервирована в органике.

А как же внешнее сходство? И листья папоротника, и морозные узоры обладают максимальной площадью поверхности при данном объеме. Для папоротника (и любого другого растения) это необходимо, ибо дыхание и ассимиляция углекислого газа идет через поверхность листьев. В тех случаях, когда нужно снизить расходы воды на испарение, растения, например кактусы, обретают шарообразную форму с минимальной площадью поверхности. Но платить за это нужно снижением темпов ассимиляции СO 2 и соответственно замедлением роста.

Водяные пары, кристаллизуясь на холодном стекле, также образуют структуру с максимальной поверхностью, потому что скорость потери свободной энергии при этом максимальна (кристаллы растут с поверхности). Так что аналогии между кристаллами и живыми организмами не имеют, как это принято сейчас говорить, эвристического значения. Жидкость, выплеснутая из сосуда в условиях невесомости, приобретает форму биллиардного шара (минимум энергии поверхностного натяжения). Но между игрой в биллиард и полетами в космос столько же общего, сколько между кристаллизацией и ростом живого организма.

Из этого не следует, что кристаллические формы чужды жизни. Вот хороший пример. Многим известны безобидные крупные комары-долгоножки с длинными ломкими конечностями. Их личинки обитают во влажном грунте, питаясь перегнивающими растительными остатками. Среди них можно встретить особей, окрашенных в голубой цвет с радужным отливом. Они кажутся вялыми, и они действительно больны – заражены так называемым радужным вирусом. В гемолимфе таких личинок под микроскопом можно обнаружить кристаллы удивительной красоты, переливающиеся, как сапфиры. Кристаллы эти сложены из частиц вируса – вирионов. Когда личинка погибнет, они попадут в почву, чтобы быть проглоченными личинками нового поколения комаров.

Такие кристаллы образуют многие вирусы, и не только вирусы насекомых. Но это неактивная форма существования вируса, в форме кристалла он не размножается, а лишь переживает неблагоприятные условия.

Известный физик Э. Шредингер как-то назвал хромосому «апериодическим кристаллом». Действительно, ядерное вещество клетки в период деления упорядочено, формально его можно назвать кристаллом, как можно назвать книгу кристаллом из страниц. Но во время «упаковки» в хромосому ядерное вещество (хроматин) неактивно, и сама хромосома – лишь способ передачи хроматина от клетки к клетке.

Короче, упорядоченность структуры кристаллов – упорядоченность кладбища, системы с минимумом свободной энергии. Упорядоченность структуры организма в процессе жизнедеятельности – это упорядоченность автомобильного конвейера. Для ее поддержания и воспроизведения в следующем поколении организм должен поглощать энергию в виде квантов света или неокисленных органических соединений, простые вещества, и выделять окисленные продукты жизнедеятельности. Это и есть обмен веществ, он не является самоцелью.

«Все течет», – сказал Гераклит Эфесский (этот всем известный афоризм дошел до нас, правда со слов других, так как сам Гераклит, как Сократ, предпочитал излагать свои взгляды в беседах). Особенно это относится к живому организму. Он – поток, по которому непрерывно движутся энергия и вещества – элементы для воссоздания структур. Не так давно еще ученые полагали, что, достигнув взрослого состояния, организмы притормаживают синтез белков и других органических соединений, ограничиваясь «ремонтными» работами (заживление ран, смена эпителия кожи и т. д.).

Первые же опыты с изотопными метками показали, что это неверно. На протяжении всей жизни идет непрерывная замена старых клеточных структур на вновь образующиеся. Так, клетки крови полностью заменяются через четыре месяца. В конечном счете, это тоже ремонтные работы, но организм заменяет не только клетки, получившие дефекты, а все. Так, при ремонте самолета заменяют двигатель, отработавший свой ресурс, хотя бы он работал безупречно. Казалось бы, всю жизнь должна служить человеку костная ткань. Однако когда в практику медицины вошел антибиотик тетрациклин, врачи столкнулись с удивительным фактом.

Тетрациклин отчасти накапливается в костях. Следы лечения им можно обнаружить на костном шлифе в виде флуоресцирующего слоя. Оказалось, что примерно через три года после лечения антибиотиком он обнаруживается в крови в очень высокой концентрации (что приводит порой к нежелательным побочным эффектам). Откуда же взялся тетрациклин, ведь больной за три года мог и забыть, что когда-то его принимал?

Он вернулся в кровь из старой костной ткани, которая рассасывается и заменяется новой.

Говорят, что нервные клетки не восстанавливаются, не размножаются. В принципе это так, но на протяжении всей жизни они непрерывно перестраиваются. Так и человек может всю жизнь прожить в одном доме, но за это время многократно изменить в нем обстановку. Мы лишь формально можем считать нейроны, с которыми мы заканчиваем жизнь, теми же самыми клетками, с которыми мы ее начали.

В конце нашего определения жизни было слово «специфическая». Что такое специфическая структура? Из поколения в поколение организмы воспроизводят характерную для видов, к которым они принадлежат, упорядоченность. Делается это с почти абсолютной точностью (подчеркиваю слово «почти» оно крайне важно, и мы к нему еще вернемся).

Э. Шредингер в книге «Что такое жизнь с точки зрения физика?» (1944) Высказал предположение, что организмы «извлекают упорядоченность из окружающей среды», они питаются чужим порядком. Увы, дело обстоит далеко не так просто. Шредингер выразился не совсем точно.

Вот пример: волк съедает зайца. Ему не нужны ни органы зайца, ни его ткани, ни его белки и нуклеиновые кислоты все то, что специфично для структуры «заяц», «заячья упорядоченность». Все это в желудке и кишечнике волка превратится в смесь низкомолекулярных органических веществ – аминокислот, углеводов, нуклеотидов, и т. д., общих для всей живой природы, неспецифичных . Часть из них организм волка окислит до углекислого газа и воды для того, что бы, расходуя полученную энергию, построить из оставшихся неспецифичных веществ свою, специфичным образом упорядоченную структуру «волк» – свои белки, свои клетки и ткани. Накормите волка смесью аминокислот, синтезированных химиком, и будет то же самое.

Пожалуй, можно привести лишь один пример, когда организм «питается чужим порядком». Некоторые ресничные черви планарии живут на колониях кишечнополостных – гидроидных полипов, объедая их. У полипов имеется хорошая защита, правда не эффективная против планарий, – стрекательные клетки. С действием их хорошо знакомы люди, обжигавшиеся щупальцам и черноморской медузы корнерота. Гораздо опаснее дальневосточная маленькая медуза-крестовичок, ожог которой может привести к тяжелому заболеванию, а то и к смерти, если под рукой не окажется димедрола или супрастина. Оказывается, проглоченные червем стрекательные клетки полипов не перевариваются, а мигрируют в покровы тела, где выполняют ту же защитную функцию, что и у хозяев. Их так и называют: клептокниды – украденные стрекательные клетки.

Рис 2. Стрекательные клетки кишечнополостных (1) – мощное оружие, у некоторых видов опасное и для человека: Если враг или добыча затронет чувствительный волосок (З) – спусковой крючок клетки, из капсулы (2) с силой выстреливается стрекательная нить, покрытая ядом. Так выворачивается палец перчатки. У основания нити имеются крючья, как у гарпуна. Такими клетками вооружена и наша обычная пресноводная гидра (II) Однако маленький стекловиднопрозрачный червь мезостома Эренберга (III) спокойно поедает гидр, причем клетки у них не выстреливают свои нити, а мигрируют из кишечника в покровы червя, где выполняют свою функцию – охраняют нового хозяина. Это чуть ли не единственный случай, когда один организм использует часть структуры другого.

Можно пофантазировать о жизни на какой-нибудь планете, где подобный принцип распространен широко. Но на Земле положение обратное. Земные организмы в чужой упорядоченности не нуждаются, как видно из следующих примеров.

3 декабря 1967 года в кейптаунской больнице Гроте-Схюр Кристиан Барнард пересадил Луису Вашканскому, страдавшему острой сердечной недостаточностью, сердце девушки Дениз Дарваль, погибшей в автомобильной катастрофе.

17 декабря, через две недели, Вашканский заболел двусторонним воспалением легких и 20 декабря скончался. Первая неудача не смутила хирургов. Число операций по пересадке сердца насчитывается уже сотнями. Но и до Барнарда животным и людям пересаживали сердца, легкие, почки и поджелудочные железы. Результат везде был одинаковым. Пересаженные органы отторгались, если не были взяты у однояйцевого близнеца. Но однояйцевые близнецы – это генетические копии одного и того же организма.

Можно сделать вывод, что «чужая упорядоченность» организму не нужна, он изо всех сил, отчаянно борется с ней. Сохранить пересаженный орган можно только, подавив защитные иммунные системы образования антител. Но тогда пациент окажется беззащитным против любой инфекции и в конце концов погибнет от нее, как это случилось с Вашканским.

Это самый эффектный пример, но известны и другие случаи, когда организмы не приемлют «чужого порядка». Общеизвестны группы крови, здесь система проста, и, определив группу, практически во всех случаях избежать распада эритроцитов. Более того, человеку можно переливать кровь шимпанзе соответствующей группы. Но изредка встречаются люди с такими уникальными наборами факторов крови, что ничья другая им не годится.

Инсулин – единственное эффективное средство против диабета отличается сравнительно малой видоспецифичностью, поэтому для лечения диабетиков можно использовать этот белок, выделенный из поджелудочных желез крупного рогатого скота. А вот гормон роста – соматотропин – видоспецифичен. Для лечения карликового роста у человека нужен именно человеческий соматотропин, который выделяется из гипофиза умерших людей.

Рис. 3. На этом рисунке изображена схема молекулы инсулина. С сокращенными названиями, слагающих ее аминокислот мы познакомимся позже. Для нас сейчас важно другое: инсулин один из наименее специфичных белков (и это великое благо для страдающих диабетом; для их лечения можно применять инсулин крупного рогатого скота). Тем не менее почти каждый вид характеризуется некоторыми различиями в последовательностях. Так, в цепи А между шестым и одиннадцатым остатками цистеина, образующими дисульфидные мостики, последовательность аминокислот у быка, барана, лошади и свиньи неодинакова. Лишь у свиньи и кита она сходна, но они различаются по другим частям молекулы. Итак, специфичность структуры прослеживается и на молекулярном уровне.

Казалось бы, у низших организмов отвращение к «чужому порядку» меньше. Действительно, у рыб и амфибий удаются пересадки органов между особями разных видов, и бычий соматотропин может стимулировать рост форели. Однако все это искусственные, создаваемые экспериментатором положения. Еще и еще раз повторю, что животные, питаясь другими животными или растениями, начинают с разрушения чужой упорядоченности. Пища в их желудках и кишечниках расщепляется специальными ферментами до простых веществ, не обладающих видоспецифичностью. Так, белки расщепляются до аминокислот, сложные углеводы, такие, как крахмал и гликоген, – до моносахаридов, нуклеиновые кислоты – до нуклеотидов. По строению, например, аминокислоты глицина или фенилаланина невозможно сказать, получена ли она из белков бычьего мяса, гороха или же синтезирована химиком искусственно.

Из этих элементарных кирпичиков жизни организмы строят лишь им присущие белки. Каждый организм характерен именно неповторимой, присущей только ему комбинацией белковых молекул. А уже на этой базе возникает комплекс всех признаков организма – на уровне клеток, тканей и органов.

У растений это выражено еще более резко. Вода, набор питательных солей, углекислый газ и свет при этом комплексе одинаковых факторов из одного семени вырастает роза, из другого – крапива, каждое растение с присущим ему набором свойств. Со своей упорядоченностью.

Итак, организмы берут извне не упорядоченность, а энергию: растения в виде квантов света, животные в виде малоокисленных соединений, которые можно сжечь в процессе дыхания. За счет этой энергии они строят свою «доморощенную» упорядоченность, пренебрегая чужой.

Вот почему в определении жизни должно был воспроизведение специфической структуры.

И первая аксиома биологии должна дать условия, при которых воспроизведение этой специфической структуры возможно.

Формулировка первой аксиомы затянулась более чем на две тысячи лет. Именно на протяжении этого периода люди пытались понять, каким образом, например, из куриного яйца – гомогенной массы желтка и белка – возникает цыпленок с головой, ногами, крыльями. Откуда берется из поколения в поколение упорядоченность системы «цыпленок», да и упорядоченность всех организмов на Земле? Вопрос оказался из категории «проклятых» настолько, что смог быть разрешенным лишь в нашем столетии.

Итак, переходим к первой аксиоме. Рассмотрим, как были накоплены факты, позволившие ее сформулировать.

 

Аксиома первая

Итак, в предыдущей главе мы пришли к выводу, что один из главных признаков живого – организация, структура. Аминокислоты в белках, внутриклеточные элементы, клетки в тканях и ткани в органах образуют упорядоченные структуры. Но все эти структуры, как уже упоминалось, возникают заново в каждом новом поколении, хотя бы цыпленок из однородной массы белка и желтка. Как это происходит?

Преформизм. Более двух тысяч лет люди размышляли над этим вопросом. Не зная второго начала термодинамики, они все же интуитивно чувствовали, что самопроизвольное возникновение порядка из беспорядка, структуры из бесструктурной массы – чудо. И первая из гипотез, объясняющая развитие, попыталась это чудо как-то обойти.

Великий врач, основоположник медицины Гиппократ предположил, что цыпленок в яйце уже содержится в готовом виде в процессе насиживания идет только рост, увеличение размеров. Вот что он писал: «Все члены отделяются друг от друга одновременно и таким же образом растут. Ни один не возникает раньше или позже другого». Сходные взгляды высказывал философ Анаксагор и великий римский мыслитель Сенека («в семени содержатся все будущие части человека»). Пышным цветом эта гипотеза расцвела в XVII и XVIII веках и получила название преформизма, или же теории преформации. Вот типичное для того времени мнение Н. Мальбранша: «В яйцах лягушек легко можно распознать лягушек, но также мы найдем других животных в их зародышах, когда станем настолько опытны и искусны, чтобы открыть их».

Преформисты лишь спорили: где находятся эти будущие зародыши в мужских или женских половых клетках? Сторонники первого направления считали, что яйцеклетки лишь питательная среда для роста сперматозоидов (их тогда называли анималькулями – зверьками, живущими в семенной жидкости). По этому защитников первой концепции назвали анималькулистами. По-видимому, первым из анималькулистов был изобретатель простого микроскопа А. Левенгук (который, кстати, первым и увидел сперматозоиды). К той же точке зрения склонялся и великий философ Лейбниц.

Рис. 4. Вверху: примерно такими видел сперматозоиды человека Левенгук. Внизу карикатура Хартсекера на воззрения той эпохи.

Более многочисленной была когорта овистов (от латинского ovum – «яйцо»), помещавших зародыш в яйцеклетке. К ней относились такие известные натуралисты, как Галлер и Бонне, Валиснери и Сваммердам, Рюйш и Спалланцани. Какие доводы они приводили в защиту своей точки зрения?

Ян Сваммердам, блестящий анатом, один из первых анатомов насекомых, обнаруживал в куколках «готовых» бабочек, со сложенными крыльями, но во всех деталях соответствующих взрослым. Не менее эффектное на первый взгляд доказательство обнаружил Ш. Бонне, изучавший жизнь тлей. Он открыл у них партеногенез: самка тли рождала живых детенышей, тоже самок, которые через несколько дней достигали нормальных размеров и сами без оплодотворения становились родоначальниками нового поколения.

Еще более убедительный пример – колониальное жгутиковое вольвокс. Многие читатели, наверное, видели колонии этой зеленой водоросли – крупные, до двух миллиметров в диаметре слизистые шарики, состоящие из одного слоя клеток. В слизистом содержимом плавают дочерние колонии, а внутри дочерних – колонии третьего поколения. Ссылаясь на вольвокса, А. Галлер с торжеством заключал: «Отсюда следует, что, если яичник может содержать много поколений, нет ничего нелепого в том, что он содержит их все».

Странно, что преформисты, насколько я знаю, не натолкнулись на другой не менее блестящий пример. Пузырь паразитического червя – эхинококка достигает свыше 60 килограммов; внутри него находятся дочерние пузыри, а в тех, в свою очередь, – внучатые. Ведь эхинококка в то время уже наверняка знали.

Вот мы дошли и до логического завершения теории преформации – теории вложенных зародышей. В самом деле, если нет никакого развития и в яйцеклетке или спермии содержится уже готовый, только маленький организм, то у него должны уже быть свои половые железы, а в тех яйцеклетки или спермии, а и тех свои зародыши и т. д. – до бесконечности. И. Галлер, как верующий христианин скрупулезно подсчитывает, что в яичниках библейской Евы было не менее 200 миллиардов вложенных зародышей.

Такое представление в те времена мало кого смущало. Возможно, это объясняется тем, что XV век – век расцвета микроскопирования. Потрясенные натуралисты увидели за линзами микроскопов сложнейшие структуры. А линзы были плохими – они так искажали изображение, что позволяли увидеть при желании в спермиях маленьких человечков, а в лягушачьих икринках взрослых лягушек.

Насмешник Свифт обыграл преклонение перед микроскопом в стихах:

Скептики спрашивали: допустим, вы увидели под микроскопом в лягушачьей икринке взрослую лягушку, а в той свои яичники с икрой; неужели же вы рассмотрели и лягушек-внучат? До каких пор может продолжаться эта вереница друг в друга вложенных зародышей?

Бонне, впрочем, пытался парировать подобные возражения, патетически вопрошая: «Во сколько раз плесень меньше кедра, моль – слона, водяная блошка – кита, песчинка – земного шара, световая частица – солнца?»

Короче, преформисты столкнулись с неприятным парадоксом, который лет двести спустя получил название «опрокидывания в бесконечность» (логическая антиномия Ришара и парадокс Геделя). Нет нужды рассматривать его подробно, ограничимся конкретным примером.

Допустим, вам дали лист бумаги и задание: описать этот лист на нем же. Вы пишете: это лист прямоугольной формы таких-то размеров, изготовленный из прессованных волокон древесины такой-то толщины.

Кажется, все. Простите, но в процессе описания вы изменили объект. Нужно еще добавить: а кроме того, на нем написано: это лист прямоугольной формы… и т. д. и т. д. – до бесконечности.

Не напоминает ли это вам бесконечную вереницу вложенных друг в друга зародышей? Сколько поколений может длиться этот процесс?

В нашем опыте – пока хватит листа, а в жизни?

И тут нам придется возвратиться в Древнюю Грецию. Предание гласит, что лет за триста до нашей эры великий философ Демокрит из Абдеры сидел на берегу моря, ел яблоко и размышлял: «Если я буду откусывать от яблока по кусочку, какой самый наименьший кусочек сохранит все свойства яблока?» Иными словами, до каких пор возможно деление вещества без качественного изменения его свойств?

Конечно, яблоко Демокрита такой же апокриф, как и яблоко Ньютона. Но так или иначе Демокрит пришел к выводу о существовании атомов – неделимых части материи. Но пример с яблоком не очень удачен. Это сложный объект, состоящий из многих десятков веществ. Возьмем что-нибудь попроще, например сахар. Допустим, мы имеем кусок рафинада весом в 332 грамма. На сколько частей мы можем его раздробить, чтобы каждая часть еще сохраняла все свойства сахара?

Теперь на этот вопрос ответит любой девятиклассник. 332 грамма – грамм-молекулярная масса сахара (сахарозы). Значит, в ней содержится 6,02 • 1023молекул сахара. Это огромное число, но оно конечно.

Дальше уже делить без последствий нельзя. Если мы разделим молекулу сахарозы пополам, то получим молекулу глюкозы (виноградного сахара) и молекулу фруктозы (фруктового сахара). Это уже другие вещества. Продолжая деление дальше, мы получим атомы углерода, кислорода и водорода, ничего общего с исходным веществом уже не имеющие. Так что с точки зрения атомно-молекулярной теории строения вещества преформация – бессмыслица, нонсенс. В самом деле, спермий человека (~ 50 микрометров) в сто тысяч раз меньше человека. Значит, спермий второго поколения должен быть еще в сто тысяч раз меньше и т. д. Предоставляю читателям самим рассчитать, на каком вложенном поколении «человечек» заключенный в очередном спермии, будет меньше атома (размер атома можно принять 10– 8сантиметра)

Значит, мы должны на каком-то поколении допустить возможность развития, возникновения структуры или, что логичнее, отвергнуть теорию преформации вообще. Но это легко нам. В XVII веке о теории Демокрита забыли (точнее, она не пользовалась популярностью). Зато хорошо помнили утверждение Аристотеля о том, что материя, хотя бы в принципе делима до бесконечности без качественного изменения ее свойств.

И хотя Пьер Гассенди еще в начале XVII века воскресил идею Демокрита об атомах, на воззрения преформистов она никак не повлияла, и это несмотря на то, что за атомы стоял и сам Ньютон.

Но Наряду с теорией преформации развивалось (и многими защищалось) иное учение о развитии, корни которого мы находим опять же в трудах Аристотеля, младшего современника Гиппократа

Эпигенез. Аристотель, воюя с Демокритом, допускал возможность бесконечного дробления материи без качественного изменения ее свойств. Следовательно, он мог бы принять точку зрения преформистов, тем не менее, предпочел объяснить развитие иным путем. Согласно афинскому мудрецу, в яйце или спермии нет готовых структур взрослого организма, при каждом акте развития они возникают заново. Но, так же как и Гиппократ, Аристотель понимал: самопроизвольно порядок из беспорядка возникнуть не может. Поэтому он привлек для объяснения развития свою идею о конечной причине. Развитием управляет энтелехия – конечная причина или цель, иными словами, некая божественная идея о совершенном петухе и совершенной курице. Сходные высказывания можно найти у учителя Аристотеля – Платона (особенно в диалоге «Тимей», более известном широкому кругу читателей потому, что в нем рассказывается об Атлантиде).

И Фемистий писал: «Душа строит себе жилище и пригодное орудие». Таким образом, по Аристотелю, развитием куриного яйца каким-то способом, явно нематериальной природы, управляет будущий цыпленок.

Учение Аристотеля воскресил в 1651 году Великий английский физиолог, создатель первой научной теории кровообращения Уильям Гарвей (он же выдвинул принцип «все из яйца»). В одной из своих статей я как-то отнес Гарвея к преформистам из клана овистов, на что мне было указано А. Е. Гайсиновичем.

Спешу исправить свою ошибку: Гарвей воскресил не тезис о бесконечной делимости материи, а иной аристотелевский тезис столь же неверный. Даже такой восторженный почитатель Гарвея, как английский эмбриолог Дж. Нидхэм, вынужден был признать что Гарвей «не только не порвал с аристотелизмом, но, напротив оживил своим авторитетом эту умирающую доктрину».

Это учение о возникновении порядка под действием некоей «пластической силы» получило название эпигенеза. Однако успеха оно, по меньшей мере, сто лет не имело, что объясняется техническими причинами. Гипотеза Аристотеля о возникновении зародыша из менструальной крови, которой семя придает форму, уже мало кого удовлетворяла. А ранние стадии развития без хорошей оптики исследовать было невозможно. В то время, когда Гарвей выпустил свое «Исследование о зарождении животных», Р. Грааф описал в яичниках округлые тельца, которые счел яйцеклетками. На деле это сложные многоклеточные образования – пузырьки, заполненные жидкостью (фолликулы), внутри которых находятся собственно ооциты. Яйцеклетка млекопитающих должна была еще почти двести лет ждать своего первооткрывателя Карла Максимовича Бэра (но он-то работал уже со вполне приличным микроскопом).

В результате в науке утвердилась теория преформизма. Разумеется, все время находились исследователи, видевшие ее несообразности и восстававшие против нее. Но не они делали в то время погоду.

Замечательный французский натуралист и философ Мопертюи по праву относится к славной когорте ученых-энциклопедистов, которые оказали глубокое влияние на мировоззрение идеологов французской буржуазной революции. Он одним из первых стал экспериментально проверять закон Ньютона о всемирном тяготении. Согласно Ньютону, Земля у полюсов в результате вращения должна быть приплюснута, и Мопертюи едет в Лапландию – наиболее Доступную тогда северную страну, чтобы измерить длину Дуги земного меридиана.

И тот же Мопертюи в 1744 году выпускает примечательное произведение – диссертацию-памфлет под названием «Физическая Венера, или Физическая диссертация по поводу белого негра».

Жаль, что подобные диссертации нельзя писать сейчас: стиль их явно не понравился бы Высшей аттестационной комиссии. Из литературных произведений диссертации превратились в отчеты о проделанной работе, а сейчас быстро переходят в новую стадию, становясь стандартными канцелярскими отписками, где главное не содержание, а соответствие установленной форме.

Но вернемся к Мопертюи. В этой книге он выступил против преформизма – не побоюсь сказать – с точки зрения генетики, тогда еще и не существовавшей.

Проследим ход мыслей Мопертюи. Согласно преформистам, готовый организм со всеми своими признаками должен находиться или в яйцеклетке, или же в спермии. А значит, признаки другого родителя (отца при первом допущении) и матери (при втором) не должна наследоваться. Но это абсурд: мы знаем, что одни признаки наследуются с отцовской, другие – с материнской стороны. И Мопертюи приводит хороший пример: дети от смешанных браков европейцев и негров имеют средний по сравнению с родителями цвет кожи. Значит, ни в яйцеклетке, ни в спермии нет «готового» зародыша, он возникает в результате взаимодействия материнского и отцовского начал (Мопертюи писал: в результате смешения семенных жидкостей – ведь тогда еще не было сформулировано понятие о клеточном строении материи, хотя клетка была уже известна).

Другой его довод – межвидовые скрещивания. Мул, потомок осла и лошади, имеет черты и отца (голос, длинные уши, выносливость) и матери (пропорции тела, величину, силу). Из свидетельств современников нам известно, что дом Мопертюи был переполнен всяческим зверьем и хозяин ставил опыты по гибридизации, пытаясь понять законы наследственности (это за сто лет до Менделя!). Более того, Мопертюи применил классический метод современной генетики человека – анализ родословных. Он исследовал родословную семьи Руге, в которой был распространен весьма наглядный наследуемый признак – полидактилия (шестипалость) Из анализа этой родословной вытекала несостоятельность теории преформации: Я думаю, что нам пора признать заслуги Мопертюи и считать его предтечей современной генетики.

Удивительно, что доводы Мопертюи не имели сколько-нибудь существенного успеха. Преформизм продолжал торжествовать. Вероятно, это объяснялось тем, что большинство ученых полагало, что наука о наследственности – одно, наука о развитии – другое, наука об атомах – третье. А ведь достаточно, как мы уже видели, признать существование атомов и гипотеза о вложенных друг в друга, как матрешки, зародышах автоматически отпадает.

Разбить преформизм нам можно было только на его собственной территории, изучая развитие организмов. И эту задачу с блеском выполнил в 1759 году Каслар Фридрих Вольф, впоследствии ставший академиком Санкт-петербургской Академии-де-сиянс (так она называлась тогда).

Сначала Вольф изучал развитие растений, а потом перешел на классический объект тогдашней эмбриологии – цыпленка. В деталях проследив развитие кишечного канала и других органов куриного зародыша, он пришел к выводу, что все детали структуры эмбрионов не вырастают из предшествовавших, а возникают заново. Двадцатипятилетний Вольф выразился по этому поводу весьма энергично «… утверждение, что части тела зародыша скрыты в силу их бесконечно малых размеров и лишь потом постепенно выступают, является басней».

Рис 5. Рисунки Каспара Фридриха Вольфа из второй части его классической книги «Теория генераций». Его точные наблюдения показали, что в насиженном яйце структура «цыпленок» возникает заново из постепенно развивающихся частей. Тем самым был нанесен смертельный удар теории преформации.

Такой стиль вряд ли мог понравиться господствовавшим тогда в науке преформистам и в первую очередь Галлеру – тому самому, который высчитал, сколько вложенных друг в друга поколений зародышей находилось в яичниках библейской Евы. Диссертацию Вольфа «Теория развития» встретили довольно прохладно. Скорее всего именно поэтому он перебрался в Санкт-Петербург, где продолжал потом плодотворно трудиться (он изучал, в частности, коллекции монстров из петровской Кунсткамеры).

Признание, а затем и бессмертная слава пришли к Вольфу уже в последние годы жизни и особенно после смерти (1794). Вот как отзывался о нем К. М. Бэр, сам гениальнейший эмбриолог: «…Каспар Фридрих Вольф, муж вечной славы: подобных по уму земной шар видел очень мало, а по настойчивости в исследовании тончайших вещей не видел никого».

У нас Вольф – фигура весьма почитаемая, поэтому в литературе много пишут о его достижениях и очень редко – об ошибках. Зададимся все же вопросом: чем объяснил он природу развития? Что движет индивидуальное развитие организма, создает порядок из беспорядка?

Таким организующим началом, по Вольфу, должна быть некая сила, названная им существенной (vis essentialis ; от слова essentia – «сущность», отсюда наше слово «эссенция»). Вот как он ее характеризует: «Эта питающая сила должна быть присуща только растительной и животной субстанции, потому что никакая другая материя не питается, не растет и не размножается».

Значит, Вольф признавал фактор, в общем-то, аналогичный аристотелевской энтелехии (на которую, кстати, ссылался). Он был виталистом и признавать его материалистом, как это нередко делают у нас сейчас, – значит недопустимо модернизировать его воззрения.

Эпигоны Вольфа (а они появились, когда воззрения его вошли в моду) были более откровенны. М. Пекэн писал: «Некоторая естественная сила vis essentialis , которая действует над безобразным первоначальным веществом». Другие называли ее иначе – «образовательное стремление» (Bildungs-trieb – И. Ф. Блюмеубах), «всеобщая оживляющая сила» (Мецгер), «жизненная органическая сила» (Хердер). К. М. Бэр уже в середине прошлого века заключает: «Не материя, но сущность (идея, по взгляду новой школы) возникающей животной формы управляет развитием плода».

Итак, все вернулось на круги своя – к аристотелевской божественной идее о совершенном петухе и совершенной курице. Эпигенетики сняли с теории развития обветшавшие лохмотья преформизма и оставили ее обнаженной. Ведь нельзя же считать одеждой фиговые листки этих убогих «сил»! Удивительно еще, что игру в туманные натурфилософские идеи, стремления и силы считали объяснением. Корни этого заблуждения, по-видимому, в самой манере мышления, присущей натуралистам XVI, XVII и XVIII веков. Ее ядовито высмеял Мольер в «Мнимом больном», где врач объясняет действие опиума тем, что тот содержит «фактор усыпления». И это казалось достаточным. А что такое этот загадочный фактор, уже никого не интересовало.

Не будем, впрочем, свысока смотреть на естествоиспытателей прошлого. Еще в конце прошлого века Г. Дриш пытался воскресить концепции Аристотеля – вплоть до термина «энтелехия». Согласно Дришу, энтелехия не материальна и не является энергией, она стоит над клетками и тканями развивающегося организма.

Да и в наши дни физик У. Эльзассер утверждает, что существуют некие «биотонические законы», которые не выводятся дедуктивно из законов физики. Они-то и управляют развитием организма. Не будем на них останавливаться. Упомяну лишь беспощадный, но справедливый отзыв о эльзассеровских законах голландского эмбриолога Х. Равена: «Ощущаешь, что находишься на грани, если не в самой гуще, того пустословия, где витализм чувствует себя как дома».

Итак, и преформация, и эпигенез оказываются одинаково идеалистическими. Впервые это понял в 1763 году Иммануил Кант, изложивший свои соображения в сочинении под выразительным названием «Единственно возможное основание для доказательства бытия бога». Крупный французский натуралист и историк естествознания Флуранс объяснял в 1861 году возникновение теории преформации стремлением к экономии чудес. Если возникновение живого существа чудо, так уж лучше, чтобы оно произошло один раз, при сотворении мира, чем осуществлялось при каждом акте развития.

Еще в середине нашего века исследователи развития стояли перед небогатым выбором: абсурд теории вложенных друг в друга зародышей-матрешек или же витализм того или иного толка, в конце концов, сводимый к конечной причине Аристотеля. Помощь пришла неожиданно и из той области, откуда ее совсем не ждали.

Генетическая теория развития. Наше время – время «умных» машин. Думаю, каждый хотя бы из восторженных журналистских очерков знает об автоматических станках с программным управлением. Однако машина, выполняющая более или менее сложную работу согласно вложенной в нее программе, отнюдь не такая уж новинка. Уже в начале прошлого века существовали станки для набивки материи и вязки кружев, а также всякого рода музыкальные инструменты – механические органы, шарманки, механические пианино, выдававшие довольно сложные структуры в виде последовательностей узоров, рисунков и звуков разной тональности по программе. Программа в такие устройства вкладывалась в виде металлической или картонной пластинки с пробитыми в ней отверстиями. Так что перфокарта – совсем не достижение века кибернетики.

Со временем перфокарту сменила магнитная лента и считывающая с нее команды головка. Полагаю, и лента заменится в будущем какой– либо голографической пластинкой или же кристаллом, в котором будет записан огромный массив информации. В научно-фантастических романах такие устройства уже есть.

Какое же отношение станки с программным управлением могут иметь к проблеме развития организмов? Оказывается, самое прямое.

Крупный математик Джон фон Нейман, вместе с Норбертом Винером и Клодом Шенноном считающийся создателем новой отрасли знания – кибернетики, как-то задумался: возможно ли построить такую машину, которая, следуя заложенной в ней системе инструкций, построила бы точную копию самой себя? Иными словами, воспроизвести в металле биологическую смену поколений, построить саморазмножающийся автомат.

Согласно математическим выкладкам фон Неймана существует определенный порог сложности машины, ниже которого она не может воспроизводить себе подобных. Естественно, возникает вопрос: как объективно измерять степень сложности системы? Вопрос этот крайне важен, решение его понадобится нам и в будущем, поэтому самое время сейчас на нем остановиться.

Сложность системы измеряется количеством информации, потребной для ее описания. Наиболее распространена двоичная единица информации – бит (от английского binary digit ). Столько информации содержится в ответе «да» или «нет» на какой-либо вопрос.

Например, любой ответ на вопрос: «Пойдете ли вы сегодня в кино?» – содержит один бит информации. А если ответов на вопрос больше двух, то есть больше выборов? Если выборы равновероятны, число битов в ответе равно двоичному логарифму (то есть логарифму при основании 2) из числа выборов.

Как этот принцип измерения информации использовать для оценки сложности описания системы? Возьмем классическое описание: «А ростом он мал, грудь широкая, одна рука короче другой, глаза голубые, волосы рыжие, на щеке бородавка, на лбу другая».

Описание очень краткое и годится только для опознавания системы «Гришка Отрепьев», но в принципе его можно сделать сколь угодно более детальным, вплоть до того, чтобы эту систему можно было воссоздать (нужно ли воссоздавать Лжедмитрия – это уже другой вопрос). Забавы ради я подсчитал, что в описании содержится около 12 бит информации.

Иными словами, дьяк сыскного приказа должен был задать 12 вопросов и получить на них 12 ответов «да» или «нет» чтобы это описание составить.

Спешу оговориться, что мои подсчеты отнюдь не так точны, как хотелось бы. Так я исходил из того, что цвета волос (черный, русый, светлый, рыжий, седой и отсутствие волос) равновероятны. Тогда информация была бы равна log 2 6 . На деле это далеко не так. Мы не знаем, с какой частотой встречались рыжие на Руси в эпоху Бориса Годунова. У черноволосых китайцев рыжие волосы настолько редки, что Сунь Цюаня, одного из героев эпохи Троецарствия, иначе и не называли, как «голубоглазый и рыжебородый отрок». И сразу было ясно, о ком идет речь. А в Шотландии этот признак довольно неинформативен: нигде я не видел столько рыжих, как на улицах Эдинбурга.

Так что, строго говоря, надо для оценки количества информации пользоваться формулой

H = – ∑ P i log 2 P i

то есть количество информации равно сумме произведений вероятности встречаемости элемента на двоичный логарифм этой вероятности. Так, если вероятность встречаемости рыжего цвета волос 0,1 – (каждый десятый рыжий), то ответ на вопрос о цвете волос дает 0,3322 бита информации. А будь рыжими все (вероятность Р = 1), H была бы равна нулю (логарифм единицы равен нулю).

Вот так в битах информации фон Нейман оценил сложность системы, способной воспроизводить самое себя. Она оказалась довольно большой – порядка миллиона бит, то есть система должна была бы состоять не менее чем из десяти тысяч элементов. Это очень сложная система, современные станки с программой на магнитной ленте много проще.

Но, допустим, мы создали такую машину, ввели в нее ленту с программой для постройки дочерней» машины и запустили ее. Воспроизвели бы мы в металле смену поколений?

Оказывается, нет. «Дочерняя» машина будет бесплодной: ведь в ней нет ленты с программой. Чтобы появилось третье машинное поколение, в машине-родоначальнице нужно предусмотреть лентокопирующее устройство, передающее по наследству копию программы. Итак, согласно Нейману, по наследству передается не структура, а описание структуры и инструкция по ее изготовлению. И весь процесс развития состоит из двух раздельных операций – копирование этой программы (того, что генетики называют генотипом ) и постройка собственно организма (того, что они называют фенотипом ).

Вот мы и подошли к формулировке первой аксиомы биологии.

Все живые организмы должны быть единством фенотипа и программы для его построения (генотипа), передающегося по наследству из поколения в поколение.

Ничто не ново под луной. Еще в конце прошлого века биолог Август Вейсман сформулировал этот принцип (деление организма на сому и наследственную плазму).

Все последующие успехи генетики и теории информации лишь блестяще подтвердили его.

Многие читатели, возможно, пожмут, плечами: какая разница передается ли по наследству сама структура в виде маленького организма, запрятанного в яйцеклетке или спермии или же программа кодирующая его построение? Что дает новая теория развития (назовем ее генетической) по сравнению с преформизмом?

Что дает? Да все: мы сразу избавляемся от подавляющей картины бесконечной вереницы вложенных друг в друга зародышей. И не нужно отождествлять генетическую теорию развития с преформизмом, как это иногда делают (появился даже термин «неопреформизм»). Делая это, мы отождествляем программу построения структуры с самой структурой. Но это столь же нелепо, как отождествлять страницу из поваренной книги с обедом, рецепт – с лекарством и чертеж автомобиля – с самим автомобилем.

Как и в теории эпигенеза, упорядоченность организма в каждом новом поколении возникает заново.

Но упорядочивающий фактор – не мистическая энтелехия Аристотеля или «существенная сила» Вольфа. Это вполне реальная программа, закодированная, как мы теперь знаем, в длинных нитевидных молекулах дезоксирибонуклеиновой кислоты – ДНК или рибонуклеиновой кислоты – РНК у некоторых вирусов.

Рис. 6. Относительные размеры некоторых вирусов (электронная микрофотография с увеличением в 200000 раз). Слева направо – один из маленьких фагов φX174, вирус табачной мозаики, сложный бактериофаг Т4 (из группы так называемых Т-четных фагов бактерии кишечной палочки).

Порядок организма возникает не из ничего, а из порядка полученной от родителей программы.

Подчеркнем одно обстоятельство. Наша трактовка первой аксиомы функциональна, она не связывает первое условие жизни с каким-либо конкретным химическим веществом. Самовоспроизводящуюся машину можно в принципе построить, вкладывая в нее программу, записанную на магнитной ленте или в совокупности перфокарт или еще каким-либо способом.

Принцип раздельного копирования при совместном существования генотипа и фенотипа остается незыблемым. То же и в жизни. В земных условиях основа фенотипа – белки, основа генотипа – нуклеиновые кислоты. Но не подлежит сомнению, что жизнь во Вселенной бесконечно разнообразна. Где-нибудь на планете системы тау Кита или альфа Эридана жизнь может быть построена на иной структурной основе, но по единому для всей Вселенной принципу. Аксиома № 1 едина для всего живого. Жизнь на основе только одного фенотипа или же одного генотипа невозможна, при этом нельзя обеспечить ни самоподдержания, ни самовоспроизведения сложной специфической структуры.

Рис. 7. Вирус табачной мозаики – первый вирус, который был описан и затем выделен в чистом виде. Вверху слева – схема строения (размеры здесь и далее даются в ангстремах – стомиллионных долях сантиметра). Справа – фотография модели вируса – однонитчатая спираль РНК в шубе из одинаковых молекул белка. Каждую такую белковую молекулу слагают в определенной последовательности 158 аминокислот.

Рассмотрим справедливость нашей первой аксиомы на ряде конкретных примеров. Итак, фенотип не может воспроизводиться без генотипа, и наоборот. Фенотип возникает по программе, кодированной в генотипе, и заодно копирует генотип для будущего поколения. Но возможны случаи, когда генотип копируется при посредстве чужого фенотипа. Тогда порог сложности, определенный фон Нейманом, снимается: возникают простейшие образования – вирусы, на примере которых можно проследить все стадии редукции фенотипа.

Рис. 8 Электронная микрофотография одного из сложных бактериальных вирусов – фага Т2. Хорошо видны молекулы белка, слагающие хвост и голову, а также хвостовые нити (слева). Размеры здесь также в ангстремах.

Самые сложные вирусы – бактериофаги, или просто фаги – паразиты бактерий. Примером могут служить так называемые Т-четные фаги бактерии кишечной палочки. Фаг Т4 напоминает по форме ручную гранату. Головка фаговой частицы – вытянутый двадцатигранник, сложенный из молекул белка, в ней содержится в компактно уложенном состоянии длинная молекула ДНК. Фаг Т4 – имеет сложный механизм для вспрыскивания своего генотипа внутрь бактериальной клетки – хвостовую часть. Хвостовая часть состоит (от головки к концу) из воротничка, собственно хвоста, одетого сократимым, как мускульное волокно, чехлом, и базальной пластинки, от которой отходят шесть нитей. Нитями и зубцами базальной пластинки фаг прикрепляется к клеточной оболочке бактерии. Молекула специфического белка лизоцима на базальной пластинке разъедает оболочку бактерии, хвостовой чехол сокращается, и нить ДНК с огромной скоростью выталкивается, буквально выстреливается в цитоплазму бактерии.

Рис. 9. Подробная схема Т-четного фага; справа показано, как он заражает бактерию. Сначала фаг прикрепляется базальной пластинкой, опираясь при этом на хвостовые нити. Молекула лизоцима на базальной пластинке разъедает стенку бактериальной клетки, хвост сокращается, и нить ДНК выстреливается в бактерию. Фенотип фага после этого отбрасывается, он уже не нужен.

Пустая белковая оболочка – фенотип фага – уже не нужна, она отбрасывается. Эти фаги без нуклеиновой начинки образно называют тенями. Действительно, это всего лишь тени вирусов: они могут, как и живые, прикрепляться к поверхности бактерий и проедать своим лизоцимом в их оболочке отверстия. Они не могут лишь размножаться. «Голая» ДНК в бактерии начинает свою разрушительную деятельность. Прежде всего, за какую-то минуту подавляется синтез бактериальных белков. Через пять минут после заражения белоксинтезирующий аппарат бактерии синтезирует по программе фага ферменты, размножающие фаговую ДНК. Еще через три минуты начинается синтез фаговых белков, формирующих головки и хвосты новых особей фага. Первый новый фаг при температуре 37° появляется через 13 минут, еще через 12 в бактерии их уже свыше 200. Насинтезированный за это время лизоцим разъедает стенки бактерии изнутри, и новые фаговые частицы выходят наружу, готовые заражать другие бактериальные клетки.

Рис 10. Любопытный феномен – дефектные фаги, фаги якобы без генотипа. ДНК фага, войдя в бактерию, может не взорвать ее размножением, а встроиться в бактериальную хромосому и размножаться вместе с ней. Фенотип фага тогда не образуется, фаговая ДНК обходится чужим. Такой фаг, латентный, может вернуться к активному состоянию, если культуру бактерий, зараженных им, облучить ультрафиолетом. Иногда активируется не весь генотип фага, а лишь та часть, которая ответственна за образование хвоста. Тогда в бактерии штампуются сотни хвостов, проедающих ее стенки и выходящих наружу. Они могут убивать бактерий, проедая лизоцимом их стенки, но не размножаться (ведь у них нет головки и в головке ДНК – генотип остался в бактериальной клетке). Дефектные фаги – пиоцины – размножаться сами не могут. Фенотип без генотипа бессилен. Строго говоря, нельзя говорить, что пиоцин не имеет генотипа – он просто держит его в другом месте.

Генотип таких фагов довольно сложен (около ста генов). Но есть и более простые фаги, например φX174 , он гораздо меньше Т4 и представляет правильный двадцатигранник без хвостовой части. Его генотип кодирует всего девять белков.

Еще проще фаг MS2 : его генотип состоит из однонитчатой РНК, а фенотип лишь из трех белков: белка-оболочки, белка катализирующего синтез РНК, и так называемого А -белка. А вот у вируса, вызывающего веретеновидность клубней картофеля, нет даже белковой оболочки. Но, попадая в клетки картофеля, его РНК строит два белка, чужеродные для растения-хозяина.

Рис. 11. Если бактериофаги самые сложные вирусы, то так называемые вироиды – наиболее простые. Лучше всего изучен вироид, вызывающий веретеновидность клубней картофеля. Пораженные им растения легко отличить от здоровых. У них листья прижаты к стеблям, а клубни имеют характерную форму с многочисленными глазками. У вироидов нет оболочки: это голые РНК, образующие кольца; кольца, как правило, как бы сплюснуты в палочку. Этот вироид состоит из некодирующей белков РНК, в которой всего 359 нуклеотидных звеньев. Полагают, что информация о синтезе белков, появляющихся в клетках зараженного картофеля, содержится в геноме самого картофеля, но обычно заблокирована. Вироид как бы включает ее и тем самым изменяет внешний облик хозяина.

Встроенные в хромосомы хозяев вирусы могут, по-видимому, совсем отказаться от своего фенотипа и обходиться при репликации хозяйским.

Рассмотрим теперь обратные примеры. Можем ли мы назвать живыми организмы или хотя бы клетки без генетической программы? Таковы безъядерные клетки – эритроциты млекопитающих или же клетки хрусталика глаза. Эритроцит теряет основное свойство жизни, он не поддерживает свою структуру, распадаясь за четыре месяца, и не может размножаться делением. Это всего лишь часть структуры живого организма. Сам по себе он не может жить, как любая отдельно взятая часть самолета не может летать.

На безъядерных клетках – как появляющихся в результате естественных процессов, так и получаемых в эксперименте – следует несколько задержаться: более наглядных примеров для жизни генетических программ мы не найдем.

Возьмем, к примеру, глаз млекопитающего. Как он формируется во время индивидуального развития животного? Сначала появляется так называемый глазной пузырь, затем наружный слой клеток, эктодерма, над глазным пузырем утолщается и втягивается внутрь полости будущего глаза, отшнуровывается и замыкается в пузырек. Это станет потом хрусталиком. Его стенки сложены клетками эпителия. В принципе они такие же, как те, что выстилают, скажем, внутреннюю поверхность наших кровеносных сосудов или слизистые оболочки. У них нормальные ядра, они синтезируют много белков, могут размножаться делением. Но в хрусталиковом пузырьке они меняются, постепенно переходят в длинные стекловидные прозрачные хрусталиковые волокна. Набор белков, синтезируемых ими обедняется, нарабатываются только специфичные структурные белки – кристаллины. Их три: альфа-, бета– и гамма-кристаллины (у птиц и пресмыкающихся синтезируется еще один – четвертый). В начале их синтеза клетка еще способна делиться. Но постепенно ее цитоплазма заполняется хрящеподобной кристаллиновой массой, сама клетка вытягивается в волокно. Параллельно идет быстрая потеря ДНК в ядре: если в начале этого процесса количество ДНК такое же, как у нормальной клетки с двойным (диплоидным) набором хромосом, то затем в хрусталиковом волокне ее не удается обнаружить самыми чувствительными методами. Это волокно уже не делится и не поддерживает свою структуру. Тем самым оно отличается от многих других клеток организма, в норме хотя и не делящихся, но сохраняющих ядро – такие клетки еще способны к «ремонтным работам».

Удивительно сходная картина наблюдается при образовании эритроцитов, хотя конечные стадии процессов совершенно различны. Так называемые стволовые клетки кроветворной системы могут делиться практически неограниченное число раз. Но часть из них превращается в проэритобласты: в них уже начинается синтез той РНК, которая послужит потом матрицей для синтеза гемоглобина. На этой стадии ядра еще нормальны и клетки способны к делению. При переходе в следующую стадию (на этой стадии эритобласты могут окрашиваться разными красками и поэтому получили название полихроматофильных) ядра теряют активность.

У рыб, земноводных, пресмыкающихся и птиц ненужное, в общем-то, ядро так и остается в зрелом эритроците.

У млекопитающих, а стало быть, и у людей процесс идет дальше – ядро исчезает. Такая клетка называется ретикулоцитом. У лабораторных животных, например, кроликов, специфическими ядами можно остановить процесс кроветворения на этой стадии. Тогда в костном мозге накапливаются ретикулоциты. Для биохимика эти клетки – сущий клад! В них нет ядер, но много матричных РНК, белоксинтезирующий аппарат работает и гонит лишь одни гемоглобины. Но вот будущий эритроцит насыщен гемоглобином до предела. Белоксинтезирующий аппарат редуцируется, снижает активность, а зрелый эритроцит, войдя в сосуды, начинает свою жизнь – в среднем 4-месячную.

Клетки без генетической программы, без ядра (энуклеированные) можно получить искусственно. Эмбриологи давно уже научились проводить такие операции на оплодотворенных яйцеклетках некоторых животных: их сначала откручивают на центрифуге, отчего ядро как более тяжелое смещается в нижнюю часть клетки, а уж после этого при определенном навыке относительно нетрудно разделить под микроскопом яйцеклетку на часть без ядра и на часть с ядром. Результат всегда один: безъядерная часть постепенно рассасывается, из части с ядром развивается нормальный организм.

Но наиболее удачный объект для подобных опытов – обитающая в теплых морях, включая Черное море, водоросль ацетабулярия. Строение ее очень характерно. Так, например, распространенная у нас ацетабулярия средиземноморская имеет вид миниатюрной – несколько миллиметров и более – поганки с плоской шляпкой на длинной ножке, шляпка у некоторых видов достигает 5 сантиметров в диаметре. И этот грибок состоит из одной клетки! Оперировать ее можно без особых ухищрений, тем более что ядро этой водоросли помещается в самой нижней части ножки, у корнеобразных выростов ризоидов, которыми водоросль прикрепляется к грунту. Хирургические операции сводятся к тому, что водоросль разрезают на куски и наблюдают за их дальнейшим «поведением».

Оказалось, что если рассечь ножку, то шляпка, в конце концов, погибнет, хотя некоторое время она еще может, используя энергию солнечного света, синтезировать органику из углекислого газа и воды. А нижняя часть ножки, где находится ядро, снова обзаведется шляпкой – все, как у ящериц. Но самое любопытное дальше: когда для восстановившей себя ацетабулярии приходит время делиться, то шляпка достается лишь одной половинке, одной новой особи, другая обязана «строить» себе другую шляпку.

Но и это еще не все. Разные виды ацетабулярий отличаются друг от друга главным образом строением шляпки, зонтика. У средиземноморской, например, зонтик круглый и вогнутый, а у ацетабулярии Веттштейна он рассечен на лопасти и по форме похож на цветок. Был проведен такой эксперимент: ножку без шляпки от средиземноморской ацетабулярии пересадили на ризоиды ацетабулярии Веттштейна. Получился «вегетативный гибрид». Он быстро надстроил себе шляпку, и она оказалась рассеченной на лопасти. Впрочем, удивительного тут ничего нет: ведь ядро, а значит, и генетическая программа в ней, в этой химере, были от веттштейновской водоросли.

Все эти примеры о великой роли генетических программ относятся к клеточной форме организации живого. А как обстоит дело у неклеточных форм жизни, у вирусов?

Открытый первым и наиболее хорошо изученный вирус табачной мозаики (ВТМ) – длинная палочка, точнее трубка, состоящая на 95 процентов из белка и 5 процентов РНК. Трубчатый белковый чехол состоит примерно из 2300 молекул белка; на внутренней его поверхности пологой спиралью расположена длинная нить РНК.

В уксусной кислоте (66 процентов) ВТМ распадается на отдельные молекулы белка и РНК. Если кислоту нейтрализовать щелочью, молекулы белка снова слипаются, образуя длинные трубчатые гильзы. РНК тут не обязательна, в ее отсутствие образуются столь же длинные, а то и длиннее обычных, белковые трубки, внешне неотличимые от исходных вирусных частиц.

Но заразить клетку табака они не могут. Основное свойство живого – самовоспроизведение – утеряно вместе с генетической программой.

Наш анализ первой аксиомы завершим примером, который хочется назвать «История со скрепи». Вирусологов последние двадцать лет весьма интересовала загадочная болезнь овец – инфекционная чесотка, поражающая периферийные нервные окончания, развивающаяся очень медленно и в конце концов приводящая к смерти. Ее назвали скрепи (scrape ); она очень напоминала другие болезни овец (висна, рида, мэди) и людей (амиотрофический боковой склероз). Известно уже около 15 таких болезней, так называемых медленных вирусных инфекций. Из человеческих, пожалуй, наиболее экзотична куру – «хохочущая смерть», до недавнего времени поражавшая папуасов новогнинейского племени форе. Здесь экзотичен способ заражения: согласно религиозным обычаям форе на поминках по родствевнику еще несколько лет назад обязаны были съедать его мозг. А куру, как и подавляющее большинство медленных вирусных инфекций, тяготеет к клеткам нервной системы.

Парадоксальность положения заключается в том, что электронный микроскоп тут бессилен. Возбудителя скрепи или куру в него никак не удавалось разглядеть. Вирусологи оказались в положении Луи Пастера – тот мог судить, содержится ли вирус бешенства в мозговой ткани, только заразив последней подопытное животное. И самое главное, по некоторым данным частицы скрепи не содержали нуклеиновых кислот: ни ДНК, ни РНК! Это почему-то приводило в восторг антидарвинистов. Согласно их логике, если материальным субстратом наследственности может быть другое вещество, кроме нуклеиновых кислот, то это опровергает теорию эволюции Дарвина. На мой взгляд, это утверждение равносильно следующему: если стихи можно написать на чем-либо, кроме бумаги, то поэзии не существует.

Оставим антидарвинистов и задумаемся: каким же образом вирус скрепи размножается, воспроизводит самого себя без генотипа?

Несколько лет назад автор этой книги был в экспедиции на юге Туркмении. Мы сидели на заброшенном в песках кордоне, днем ловили змей и ящериц, а вечером, когда жара спадала, за зеленым чаем вели длинные разговоры обо всем, включая молекулярную биологию. Не миновали мы и скрепи. Как истолковать отсутствие в этом вирусе нуклеиновых кислот? Да и вирус ли это?

Тогда на досуге я придумал довольно сложную схему, позволявшую скрепи размножаться на базе генотипа хозяина. В общем, получалось что-то вроде короткого замыкания генетического аппарата клетки. Эта спекуляция одним ударом объясняла и медленное развитие инфекции, и приуроченность вируса к неделящимся клеткам нервной системы. Моему коллеге она понравилась, и он даже посоветовал ее опубликовать. Я не послушался совета и правильно сделал. Финал истории прост: недавно в вирусе скрепи обнаружили нуклеиновую кислоту.

Первую аксиому биологии не понадобилось защищать – она сама постояла за себя.

Итак, мы сформулировали первое положение, лежащее в основе всей живой материи, только для нее характерное и общее для всех живых субъектов – от примитивнейшего вируса до человека.

Однако из него естественно вытекает несколько проблем, решение которых приводит к формулировке биологической аксиомы № 2. Среди них главные:

1. Достаточно ли информации, содержащейся в генотипе, для набора инструкций, потребного для построения фенотипа? Вопрос можно сформулировать и иначе: что сложнее – генотип или фенотип? Сколько информации потребуется для описания того и другого?

2. Каким образом из поколения в поколение воспроизводится генетическая программа, по которой развиваются организмы?

Переходим ко второй аксиоме биологии.

 

Аксиома вторая

И снова немного истории. В 1927 роду на III Всесоюзном съезде зоологов, анатомов и гистологов в Ленинграде наш блестящий биолог Николай Константинович Кольцов сделал доклад, в котором впервые была четко сформулирована вторая аксиома биологии. Принцип Кольцова до сих пор остается незыблемым, несмотря на то, что наши представления о природе наследственных молекул совершенно изменились.

В начале доклада Кольцов припомнил давнее событие – Московский съезд естествоиспытателей и врачей, состоявшийся в 1893 году. Два тогдашних выступления особенно врезались в его память, тогда молодого исследователя, изучавшего анатомию лягушки.

Профессор М. А. Мензбир рассказал о нашумевших идеях Августа Вейсмана, разделившего организм на наследственную плазму и сому (аналоги сегодняшних генотипа и фенотипа). Из теории Вейсмана следовало, что генотип располагается в клеточном ядре и передается от поколения в поколение яйцеклетками и спермиями.

И на том же съезде химик А. А. Колли путем простейших математических выкладок, основываясь на далеко еще и во многом неверных тогдашних представлениях о природе белков, показал, что в головке спермия может уместиться очень мало белковых молекул: несколько десятков, то есть примерно столько же, что и хромосом.

Странным образом никто тогда, кроме Кольцова, не сопоставил оба этих выступления. Да и сам Николай Константинович вынес свои идеи на всеобщее обсуждение только после более чем тридцатилетних размышлений, уже после того, как родилась на свет генетика Моргана и белковая химия шагнула далеко вперед.

Вывод его был прост хромосома – это гигантская молекула. Впоследствии, в 1935 году он назвал хромосомы «наследственными молекулами».

Согласно Кольцову в хромосоме в линейной последовательности располагаются белковые молекулы – гены. Каждый ген – цепочка аминокислотных остатков, соединенных пептидными связями.

Рис. 12. Таким представлял процесс деления хромосомы Н. К. Кольцов, гениально предугадавший необходимость для жизни матричного синтеза.

Напомним, кстати, читателям, что такое аминокислота. Этого названия заслуживает любое соединение, содержащее одновременно аминогруппу – NH 2 и радикал органических кислот – COOH . Пептидная связь возникает между этими группировками: при этом отщепляется молекула воды. Белки состоят из сотен и тысяч аминокислотных остатков, соединенных пептидными связями. Кольцов предположил, что все наследуемые свойства организмов закодированы в хромосомах порядком чередования разнообразных аминокислотных остатков.

Но отсюда следовало, что заново возникать подобные молекулы не могут. Слишком мала вероятность того, что аминокислоты сами по себе, без какого-нибудь упорядочивающего фактора соберутся в нужную последовательность. А ведь она воспроизводится в каждом поколении и вероятность ошибки ничтожна. Кольцов приводил пример с цепочкой всего из 17 аминокислот, возможно существование триллиона вариантов таких цепочек, различающихся чередованием остатков! Но такая цепочка (гептакайдекапептид) гораздо проще большинства природных белков.

Теперь, когда последовательность аминокислот известна для многих десятков, если не сотен, белков, можно привести еще более убедительный пример, как это делает Манфред Эйген. Цитохром С не самый большой белок, в нем лишь около сотни аминокислотных остатков. Эйген подсчитал, что число вариантов такой последовательности около 10130(единица со ста тридцатью нулями). Трудно представить столь огромную величину. Если бы вся Вселенная (все планеты, звезды и галактики) состояла из цитохрома С , в ней могло уместиться только около 1074молекул! Это ли не подтверждение мысли Кольцова!

И Кольцов делает следующий вывод:

«Наследственные молекулы синтезируются матричным путем. В качестве матрицы, на которой строится ген будущего поколения, используется ген предыдущего поколения».

Это и есть аксиома биологии № 2. Кольцов продолжил цепь рассуждений биологов предыдущих веков. Если Франческо Реди в XVI веке сформулировал принцип Omne vivum ex vivo (все живое из живого), опровергающий возможность самозарождения жизни, то ХIХ век добавил принципы Omnis cellula ex cellula (каждая клетка из клетки) и Omnis nucleus ex nucleus (каждое ядро из ядра). И Кольцов завершает: Omnis molecula ex molecula – каждая молекула (имеется в виду «наследственная молекула») из молекулы.

Принцип матричного копирования был известен людям тысячи лет. Еще обитатели Шумера имели цилиндрические печати из твердого камня с вырезанными на них именами владельцев и различными рисунками. Прокатив такой цилиндрик по мягкой глине, древний шумер получал отчетливый оттиск рисунка и печати. На этом же приеме основана любая система точного и массового копирования сложных структур с закодированной в них информацией – будь то книгопечатание, чеканка монет или же изготовление фотооттисков с негатива. Представляется странным, что идею Кольцова о матричном синтезе генов поддержали в 20—30-е годы лишь немногие.

Рис. 13. Принцип матричного копирования был известен уже тысячи лет назад древним шумерам. Прокатив валик-печать по мягкой глине, состоятельный шумер ставил свою печать на документе. Уже тогда четыре с половиной тысячи лет назад люди додумались, что печать должна быть комплементарна отпечатку – выпуклостям соответствуют впадины, вместо нормальных клинописных знаков даны их зеркальные отображения. Но природа «изобрела» матричное копирование более чем за три миллиарда лет раньше, оно было первым завоеванием жизни и ее необходимым условием.

Но она была уже пущена в научный обиход. Ученик Н. К. Кольцова Н. В. Тимофеев-Ресовский познакомил с ней физика М. Дельбрюка. Э. Шредингер в своей книге «Что такое жизнь с точки зрения физика?» идею матричного синтеза по ошибке приписал Дельбрюку (ошибка через год была исправлена генетиком Дж. Б. С. Холдейном в рецензии на книгу Шредингера в журнале «Нейчер»).

Возможно, Шредингер считал эту идею уже широко распространенной, чуть ли не общепринятой в среде биологов и сослался на последние работы в этом направлении, как это часто водится. Ошибка простительная, тем более что Н. В. Тимофеев-Ресовский и М. Дельбрюк иногда работали вместе.

А в 1953 году, через тринадцать лет после смерти Н. К. Кольцова в том же журнале появилась краткая статья физика Ф. Крика и ученика Дельбрюка – генетика Дж. Уотсона.

Крик и Уотсон расшифровали структуру «наследственной молекулы» и показали, что в ней самой заложена способность к матричному копированию. Но «веществом наследственности» оказался не белок, а дезоксирибонуклеиновая кислота – всем известная ныне двойная спираль ДНК.

Почему же ДНК? Почему же Кольцов, гениально предугадав необходимость матричного синтеза гена, ошибся в выборе материала для него? Все дело заключалось в несовершенстве тогдашних микроскопических методик. Уже была известна отличная реакция на нуклеиновые кислоты – реакция Фёльгена, окрашивавшая ядра клеток и хромосомы в ядрах в малиново-красный цвет. Однако когда ДНК между делениями клеток равномерно распространялась по ядру, окраска была слабой, почти незаметной. Так мы можем видеть катушку ниток и не заметить нитку той же длины размотанную по поверхности большого ковра. Поэтому большинство исследователей полагало, что ДНК из ядра в промежутке между делениями вообще исчезает. А ведь согласно идее матричного синтеза ген не может возникать заново.

Кстати, может ли последовательность аминокислот размножаться матричным путем? Как удалось установить в природе – нет. И все же… Кольцов оказался не так уж и не прав.

Вот как он представлял процесс «размножения» молекулы: «…всякая (конечно, сложная органическая) молекула возникает из окружающего раствора только при наличии уже готовой молекулы; причем соответствующие радикалы помещаются… на те пункты имеющейся налицо и служащей затравкой молекулы, где лежат такие же радикалы». Такой процесс удалось воспроизвести в опыте.

Есть такая аминокислота – глутаминовая. Именно она придает специфический привкус сухим пакетным супам (туда добавляют ее натриевую соль). Она может существовать, как всякое органическое соединение с асимметричным атомом углерода, в двух формах, условно названных «правой» и «левой». Природные белки содержат только левые аминокислоты.

Как и любую аминокислоту, глутаминовую можно полимеризовать. При этом возникает длинная монотонная цепочка Глу—Глу—Глу—Глу – полиглутаминовая кислота, так же напоминающая природный белок, как звон будильника – музыку.

Растворим полиглутаминовую кислоту (из левых форм) в водной щелочи при 100° и добавим в реакционный сосуд смесь правой и левой формы глутаминовой кислоты. При охлаждении раствора происходит процесс, удивительно напоминающий тот, который описал Кольцов. Молекулы глутаминовой кислоты присоединяются к звеньям полимера, полиглутаминовая кислота служит матрицей. Под действием облучения между этими молекулами возникают пептидные связи – сшивки. Так образуется новая молекула полиглутаминовой кислоты, построенная на матрице старой. Чем это не размножение молекул по Кольцову?

К тому же матрица выбирает материал для постройки копии – только левую форму. В принципе возможен выбор нужной молекулы и из смеси разных аминокислот. Казалось бы, таким способом может размножаться и настоящий белок.

Однако дело обстоит не так просто. Если мы повысим концентрацию аминокислоты или же быстрее будем охлаждать раствор, избирательность синтеза сразу исчезает. Точной копии полимерной молекулы таким способом получит нельзя.

Причина этого – природа связей, которыми одиночные молекулы глутаминовой кислоты присоединяются к матричному полимеру. Такие связи называют водородными. Ион водорода наиболее электроположителен, поэтому он охотно образует связи с электроотрицательными партнерами (вспомните хотя бы ион аммония NH 4 + ). Не будь водородных связей между молекулами воды, она кипе бы при гораздо более низкой температуре, лед бы тонул в воде, и уже поэтому жизнь на Земле была бы невозможной.

Но этого мало. Эффект водородных связей имеет для жизни гораздо большее значение. Именно они определяют так называемую вторичную структуру молекул белков и нуклеиновых кислот.

В белках водородные связи образуются между кислородом в группировке CO—NH и водородом в амидной группе NH . Остатки любых аминокислот могут реагировать с любыми же, водородные связи в белках неспецифичны. Именно поэтому матричный синтез полиглутаминовой кислоты теряет специфичность, как только мы пытаемся его ускорить. А непреложное условие точного матричного копирования – точное спаривание молекул.

Белки – плохие матрицы, и поэтому они не могут размножаться сами.

А нуклеиновые кислоты? Вспомним их строение. Это, как и белки, длинные молекулы полимеров. Но в отличие от белков звенья полимера – не аминокислоты, а нуклеотиды —сахара-пентозы, к которым присоединены азотистые основания – гуанин, аденин, цитозин и тимин (в РНК тимин заменяется урацилом). Связываются звенья нуклеотидов фосфодиэфирными связями остатка фосфорной кислоты H 3 PO 4 .

Полипептидные цепи белков могут соединяться попарно водородными связями – это так называемая бета-структура белка. Но, как уже упоминалось, эти связи неспецифичны. Иное дело нуклеиновые кислоты. Здесь термодинамически выгоднее образование пар аденин – тимин (или аденин – урацил) и гуанин – цитозин. Эти пары называют каноническими. Все другие в обычных условиях неустойчивы. Поэтому в двойной спирали ДНК против гуанина в одной цепи всегда стоит цитозин в другой, а против аденина – тимин. И когда на одиночной цепи, как на матрице, строится новая, точность синтеза оказывается удовлетворительной для передачи генетической информации из поколения в поколение.

Рис 14. Почему матрицами жизни стали нуклеиновые кислоты? Потому что пары оснований А – Т (и А – У для комплексов ДНК – РНК и РНК – РНК) и Г – Ц наиболее термодинамически стабильны. Они показаны наверху, расстояние между основаниями дано в нанометрах, водородные связи показаны пунктиром. Все другие пары оснований (Т – Т. Ц – Ц, А – А, Г – Г, Т – Г), показанные на нижней часта рисунка, как минимум в десять раз менее прочны, чем пара А – Т и А – У. А пара Г – Ц самая стабильная из всех. Поэтому в точности спаривания оснований в ДНК и отсюда в точности матричного синтеза нет ничего удивительного или сверхъестественного. Это чистая термодинамика.

Мы видим существенное отличие от схемы Кольцова: согласно ей подобное притягивается к подобному, глутаминовая кислота – к остатку глутаминовой же кислоты в нашем опыте. При матрицировании ДНК (и РНК вирусов) притягиваются противоположные основания, комплементарные, образующие наиболее устойчивые пары с минимумом свободной энергии. Цепи в двойной спирали можно уподобить негативу и позитиву. Напомним, кстати, что и типографский шрифт, и печати, и чеканы для монет тоже не идентичные копии отпечатков, а их зеркальные отражения.

Как и при формулировке первой аксиомы, подчеркнем: главное не материальный субстрат, а матричный принцип его синтеза. Да, в земных условиях белки оказались плохими матрицами, а нуклеиновые кислоты хорошими. Но из этого не следует, что на других планетах во Вселенной дело обстоит так же. Гены там могут состоять из других соединений (каких, нам пока неведомо), но размножаться они должны, как и на Земле, матричным путем. Иначе мы опять попадем между преформизмом и эпигенезом, так что такая категоричность вполне обоснована.

Но мы живем на Земле. Поэтому сейчас мы должны вспомнить, как генетическая информация кодируется в нуклеиновых кислотах и как она трансформируется в молекулы белков. Это нам пригодится в дальнейшем. Рассмотрим принципы генетического кода – языка жизни. Ибо, как сказал Козьма Прутков: «…не зная законов языка ирокезского, можешь ли ты делать такое суждение по сему предмету, которое не было бы необоснованно и глупо?»

Алфавит белков. Уже говорилось, что аминокислотой может называться любое соединение, содержащее аминный(—NH 2 ) и карбоксильный (—COOH ) радикалы. Отсюда следует, что число возможных аминокислот должно быть очень велико, практически бесконечно. Тем более удивительно, что природа для построения белковых молекул использует из всего этого, не поддающегося учету разнообразия всего лишь двадцать аминокислот.

Это так называемые «магические». Может быть, по каким-то неясным причинам только они годятся для использования в жизненных процессах? Нет, аминокислоты, не входящие в число «магических», можно обнаружить в составе организмов, но только не в белках. Таковы, например, тироксин (известный гормон щитовидной железы) или же норвалин (α-аминомасляная кислота). Некоторые аминокислотные остатки, уже входя в состав белковой молекулы, модифицируются. Присоединив остаток фосфорной кислоты, серин превращается в фосфосерин (в казеине молока и пепсине желудочного сока).

Или же набор белковых аминокислот отражает их большую вероятность возникновения в период происхождения жизни? Трудно однозначно ответить на этот вопрос: ведь мы не можем точно восстановить условия, существовавшие на Земле четыре миллиарда лет назад. Однако в многочисленных опытах, моделировавших самые различные пути становления органических веществ из неорганических (таких, как вода, аммиак, углекислый газ, метан, водород и др.), удалось синтезировать большой набор аминокислот, гораздо более разнообразный, чем тот, который составляют двадцать «магических».

Да и сам анализ алфавита белков наводит на размышления. Все «магические» аминокислоты можно разделить на такие группы:

1. Производные углеводородов. В этом случае аминогруппа и кислотный радикал присоединяются к углеводороду из одного, двух, трех или четырех звеньев. Таковы глицин (Гли), аланин (Ала), валин (Вал), лейцин (Лей) и изолейцин (Илей). В дальнейшем мы будем пользоваться этими сокращениями.

В эту группу входит единственная аминокислота, не содержащая асимметричного атома углерода (глицин). В прочих атомы углерода содержат разные радикалы, асимметричны, и потому эти аминокислоты могут быть представлены в правых и левых формах (а в белках – только в левых).

2. Кислые аминокислоты. Этот термин, напоминающий «масло масляное», означает, что они содержат еще один радикал —COOH , кроме того, который образует пептидную связь. Они и в белке сохраняют кислотные свойства. Это уже упоминавшаяся глутаминовая кислота (Глу) и аспарагиновая (Асп):

В некоторых белках вместо этих аминокислот имеются их амиды – глутамин и аспарагин. В таких случаях к боковой карбоксильной группе —COOH присоединяется молекула аммиака, и остаток вместо кислотных приобретает основные свойства:

Сокращенно их называют ГлуN и АспN , или же проще Глн и Асн. Так что, строго говоря, выражение «двадцать магических аминокислот» не совсем точно. В счет их входят и две простые аминокислоты и два их амида.

З. Содержащие оксигруппу —OH . Таковы серин (Сер) и треонин (Тре):

4. Основные – с аминогруппой в боковом радикале. Таковы лизин (Лиз), аргинин (Арг) и более сложная, содержащая имидазольную группу аминокислота гистидин (Гис):

5. Ароматические, с бензольными кольцами в боковых радикалах – фенилаланин (Фен или Фал) и тирозин (Тир)

6. Группа гетероциклических (индолсодержащих) аминокислот включает лишь триптофан (Три):

7. Зато целых три аминокислоты содержат в боковых радикалах атомы серы – это цистеин (Цис) цистин (димер цистеина, две молекулы цистеина «сросшиеся» вместе) и метионин (Мет):

8. И наконец, две аминокислоты, которым, строго говоря, не хватает одного атома водорода, чтобы так называться. У них аминная группа превращается в иминную, образуя пиррольное кольцо. Таковы иминокислоты пролин (Про) и его производное – оксипролин, то есть пролин, содержащий оксигруппу —OH :

Добавим, что оксипролин и цистин возникают уже в белке из пролина и цистеина.

Вот из этих-то двадцати букв аминокислотного алфавита возникло чудовищное, не поддающееся учету разнообразие белковых молекул. Все могут белки: ускорять химические реакции и быть материалом для шерсти, волос и рога, переносить кислород железо и медь убивать бактерии, обезвреживать вирусы и яды, слагать оболочки клеток и распознавать другие клетки, сокращать мускулы и вызывать холодное свечение клеток. Одного не могут – размножаться сами. Информация об аминокислотных последовательностях в белках закодирована в нуклеотидных последовательностях ДНК и РНК.

И глядя на набор «магических» аминокислот, трудно отделаться от впечатления, что этот выбор природы случаен. Так уж получилось, что первые нуклеиновые кислоты приобрели способность к матричному синтезу полипептидных цепочек из двадцати магических». И этого оказалось достаточно, дальнейшее обогащение алфавита было просто не нужно.

А вот почему все аминокислоты в белках левые? Так, по-видимому, удобнее для матричного синтеза. Некоторые организмы синтезируют довольно сложные пептидные цепочки специального назначения нематричным путем. Таковы, например, некоторые антибиотики типа грамицидина или же пептиды, слагающие оболочки бактерий. В них жесткие запреты матричного синтеза снимаются, используются иные аминокислоты, кроме «магических», как в левой, так и в правой форме.

Вот как выглядит молекула грамицидина С :

Достаточно одного взгляда на схему этой кольцевой молекулы, чтобы убедиться в невозможности ее синтеза на нуклеиновой матрице. Ведь в нее входят два остатка орнитина (Орн) – аминокислоты, не числящейся в магических и правый фенилаланин (d – фен). Действительно, синтезируют грамицидин С два фермента: один соединяет в цепочки две пятичленные последовательности, а другой сшивает их в кольцо. Вот эти ферменты синтезируются уже «настоящим» матричным путем.

Или же когда мы обнаруживаем в стенках капсул сибиреязвенной бациллы полипептид, состоящий из глутаминовой кислоты, мы вправе предположить, что он синтезируется нематричным путем. Ведь, во-первых, глутаминовая кислота в нем правая, во-вторых, пептидная связь образована в нем боковой (так называемой γ – карбоксильной) группой.

Но эти, как и другие подобные примеры, лишь подтверждают важность матричного синтеза. Без ферментов и здесь дело не обходится. И мы переходим к важному вопросу: молекулы белков состоят из двадцати аминокислот (точнее, аминокислотных остатков) в разных комбинациях. Молекулы нуклеиновых кислот собраны из четырех сортов нуклеиновых оснований. Каким сочетанием нуклеотидов в ДНК кодируется каждая из аминокислот? Каковы принципы генетического кода?

Генетический код. При слове «код» у любителей приключенческой литературы возникают определенные ассоциации. Но принцип кодирования известен не только разведчикам.

Каждый грамотный человек всю жизнь занимается перекодировкой информации.

Наше письмо – тоже код, в котором определенные символы-буквы соответствуют определенным звукам. В этом смысле можно уподобить буквы сочетаниям нуклеотидов в ДНК, а звуки – аминокислотам в белке. Между буквой и звуком нет какого-либо соответствия, кроме исторического. В этом и есть принцип кодирования. На пример, почему звук «А» мы обозначаем соответствующей буквой? Только потому, что древние греки позаимствовали из алфавита финикийцев знак α (видоизмененный знак – от семитского «алеф» – бык.

Это схематический рисунок головы быка). Если бы наши предки-славяне придумали алфавит сами, этот символ означал бы, наверное, не «А», а «Б» (бык) или «Г» (говядо – древнеславянское «бык»). Обозначают же японцы в своей слоговой азбуке – катакане звук «А» символом

– и ничего, понимают, потому что знают этот код. Так же как знаем свой код мы и как нуклеиновый код «знают» белоксинтезирующие системы клетки. Я подчеркиваю: именно клетки, потому что бесклеточные формы жизни – вирусы при стройке своих белков используют белоксинтезирующие системы хозяев.

Так как «магических» аминокислот двадцать, а оснований нуклеиновых кислотах всего четыре ясно, что каждое звено белковой цепи кодируется несколькими нуклеотидными звеньями, а именно тремя. Число сочетаний из четырех по три равняется 64. Стало быть, в коде ДНК 64 «буквы». Три из них соответствуют пробелам в типографском наборе. В средние века текст писали сплошняком, без пробелов, что, наверное, затрудняло чтение и сейчас создает трудности при расшифровке. Так, написанную слитно фразу из «Слова о полке Игореве» «исхотиюнакроватьирек» толковали «и схоти ю на кровать и рек…» или же «и схоти юнак ров (то есть могила. – Б. М.) а тьи рек». Если же сплошняком будет набран аминокислотный текст, смысла в подобном синтезе не будет. На бессмысленных, не соответствующим никаким аминокислотам сочетаниях нуклеотидов синтез обрывается – полипептидная цепочка готова.

Рис. 16. Быть может, величайшее достижение биологии ХХ века – расшифровка генетического кода. На таблице показано, каким аминокислотам в белке соответствуют триплеты нуклеотидов в матричной РНК. Например, если в первой позиции стоит урацил, во второй цитозин и в третьей гуанин, то это сочетание кодирует аминокислоту серин. 1 – аминокислоты с положительно заряженной боковой цепью; 2 – отрицательно заряженные; З – полярные (имеющие сродство к молекулам воды); 4 – неполярные, гидрофобные, отталкивающие воду. Терм – терминирующие бессмысленные кодоны. На них синтез белка прерывается.

Остальные 61 триплет (кодон) соответствуют 20 аминокислотам. Такой код, когда несколько букв читаются одинаково, называется вырожденным. Например, лейцин, серин и аргинин кодируются шестью триплетами; пролин, валин и глицин – четырьмя; изолейцин – тремя; аспарагиновая и глутаминовая кислоты – двумя, а для метионина имеется лишь один кодон. Он же, если стоит в начале гена, исполняет роль заглавной буквы.

Это похоже на ситуацию в дореволюционном русском алфавите: тогда существовало два символа для звука «ф» (ферт и фита) и целых три для «и» («и» просто, «и» с точкой и ижица).

Первые исследователи полагали, что аминокислотные цепочки прямо собираются на нуклеотидных цепочках. Дело оказалось гораздо сложнее.

Во-первых, нет никакого стерического (морфологического) соответствия между кодоном и той аминокислотой, которую он кодирует. Соответствие между ним и достигается молекулой особой нуклеиновой кислоты, которую называли по-разному: РНК – посредник, адаптор, растворимая и, наконец, транспортная. На одном ее конце присоединена аминокислота, а на другом расположена последовательность комплементарная кодону (антикодон).

Во-вторых, матрицей для белкового синтеза служит не непосредственно ДНК, а копируемый с нее «рабочий чертеж» – РНК, получившая название информационной или матричной (мРНК).

Итак, мы должны различать процессы: матрицирование самого гена, то есть синтез ДНК на ДНК, синтез мРНК на ДНК и синтез белка на матрице мРНК. Первый процесс называется репликацией, второй – транскрипцией и третий – трансляцией.

Еще короче это выражается в так называемой «центральной догме» молекулярной биологии:

В предисловии я обещал строго придерживаться того набора фактов, которого требует школьная программа. Однако некоторые положения в ней излагаются слишком сжато, иные неверно, а многие любопытные достижения последних лет просто еще не дошли до учебников. Теперь самое время на них остановиться.

Полярность гена. Длинные цепочечные молекулы биополимеров – полипептидов и нуклеиновых кислот – полярны. Иными словами начало и конец цепи аминокислотных остатков и нуклеотидов различаются друг от друга.

Рис. 15. Схема строения двухцепочечной ДНК и комплементарной ей РНК. Для простоты ДНК показана не закрученной в спираль, какой она обычно бывает в клетке. Такой участок может кодировать две аминокислоты – серин и цистеин. Ф – остаток фосфорной кислоты, А, Г, Ц, Т, У соответственно аденин, гуанин, цитозин, тимин, и урацил. Нетрудно видеть что смысловая цепь и комплементарная ей антипараллельны. 3’– конец одной стыкуется с 5’-концом другой. Синтез матричной РНК начинается 3’– конца смысловой цепи. Следовательно мРНК Нужно «читать» с 5’-конца. С него и начинается белковый синтез. Нагляднее принцип антипараллельности цепей дан на шуточной схеме внизу. Теперь представим себе, что обе нарисованные внизу змеи свернутся в кольцо и каждая возьмет в зубы собственный хвост, и мы получим точную копию кольцевой хромосомы некоторых фагов и бактерий.

Нетрудно сообразить, почему полярны полипептиды, слагающие белки. Уже упоминалось, что аминокислоты имеют две функциональные группировки, сшивающие их в полипептид, – аминную и карбоксильную. Значит, у первого звена аминокислотной последовательности остается свободной аминная группа (—NH 2 ), а у последнего – карбоксильная (—COOH ). Так и говорят: N – конец и C – конец полипептида.

Полярны и нуклеиновые кислоты, но по другой причине. Остов как РНК, так и ДНК —пятичленные сахара – пентозы, сшитые остатками фосфорной кислоты (фосфодиэфирные связи). Чтобы различать атомы углерода в пятиугольнике пентозы, химики пронумеровали их, считая от того, к которому присоединено азотистое основание. Оказалось, что в природных нуклеиновых кислотах фосфодиэфирные связи образуются только между третьими и пятыми атомами углерода в пентозах (сокращенно: 3’ и 5’; читается: «три-штрих» и «пять-штрих»). Поэтому на одном конце любой нуклеиновой кислоты сахар присоединен к цепи 3’-атомом, на другом – 5’.

А теперь зададимся вопросом: в какую сторону «читается» ген – к 3’ или 5’? Теперь, когда генные инженеры уверенно расшифровывают нуклеотидные последовательности и синтезируют их, это вопрос отнюдь не праздный.

Рис. 17. Упрощенная схема передачи генетической информации с ДНК на белок. С находящейся в ядре ДНК снимается «рабочая копия» гена – гетерогенная ядерная РНК (этот процесс называется транскрипцией). Значительная, как правило, большая ее часть не кодирует аминокислотных последовательностей и отрезается ферментами – эндонуклеазами и отбрасывается. Тогда же вырезаются и «нечитаемые» вставки – интроны. Созревшая мРНК, получившая «шапочку» (cap – англ.) на 5’-конце и полиадениловую последовательность на З’-конце, через пору в ядерной оболочке выходит в цитоплазму (часто в виде комплексов с белком – информофер или информосом, на рисунке не показанных). В цитоплазме информация считывается с мРНК белоксинтезирующими аппаратами клетки – рибосомами (трансляция). Рибосомы гуськом идут по мРНК: каждый раз, когда рибосома смещается на три нуклеотида к З’-концу, к растущей полипептидной цепи прибавляется один аминокислотный остаток. Аминокислоты доставляются к рибосомам молекулами транспортной РНК (мРНК). Отдав аминокислоту, мРНК образует снова комплекс (аминоацил – мРНК) с другой и снова вовлекается в процесс. Полипептидная цепочка, оборвавшись на бессмысленном, терминирующем кодоне, свертывается специфичным образом. Это вторичная структура белка, поддерживаемая водородными связями; обычно это однонитчатая спираль (спираль Полинга – Кори). Спираль, в свою очередь, складывается, образуя третичную структуру. Наконец, многие белки состоят из более чем одной полипептидной цепи. Таков, например, гемоглобин, молекула которого состоит из четырех субъединиц. Это четвертичная структура.

Установлено, что полипептидные цепи в клетках синтезируются от N – конца к C – концу. Значит, у матричной РНК начало там, где кодируется N - конец. Оно соответствует 5’-концу РНК. В двойной спирали ДНК разобраться труднее. Дело в том, что слагающие ее нуклеотидные цепочки направлены в разные стороны, как говорят, антипараллельны. Иными словами, одна цепь направлена в сторону З’—5’, а другая 5’—З’.

Смысловая цепь, в которой закодирована аминокислотная последовательность «считывается» ферментом РНК-полимеразой с З’-конца. Образующаяся при этом мРНК, естественно, оказывается точным аналогом комплементарной цепи и будет начинаться с 5’-конца, с того, с которого начинается трансляция, то есть белковый синтез.

Но ведь с гена снимается не только «рабочий чертеж» мРНК. Ген и реплицируется, передаваясь из поколения в поколение, от матричной клетки к дочерним. Осуществляет этот процесс – репликацию – фермент ДНК полимераза.

Считается, что молекула ДНК-полимеразы садится на ДНК и движется по ней. При этом удваивается и смысловая цепь, и комплементарная к ней. Значит репликация смысловой цепи начинается с 3’-конца, как и транскрипция. Это аналогично тому как если бы мы перепечатывали текст с конца, а читали его, как и водится, с начала. В учебниках и популярных изданиях на это, как правило, не обращают внимания.

Последние годы ознаменовались сенсационными открытиями в изучении процессов репликации и трансляции. Природа подносила нам сюрприз каждый раз, когда начинало казаться, что уж теперь мы знаем об этих явлениях все.

Вот некоторые из сенсаций, за молодостью не попавшие в учебники.

Справедлива ли центральная догма? Мы уже упоминали, что генетическая информация передается от ДНК через РНК на белок, но не в обратную сторону. Это положение назвали центральной догмой молекулярной биологии. РНК-содержащие вирусы ее не нарушают. Просто у них выпадает начальное звено этой цели – ДНК. Генетическая информация передается из поколения в поколение закодированной в последовательностях РНК, с них же и считывается белок.

В принципе разница между ДНК и РНК не так уж и велика. Пентознофосфатный остов у РНК образует другой сахар – рибоза, который отличается от дезоксирибозы лишь наличием гидроксильной группы (OH). Набор оснований тот же, за тем исключением, что вместо тимина (5-метилурацила) в РНК содержится урацил (тот же тимин, только неметилированный). Недаром в природе встречаются ДНК, в состав которых входят и дезоксирибозы и рибозы. Такова, например, ДНК вируса герпеса, от которого на губах «высыпает лихорадка». Энергетические фабрики клеток – митохондрии – в значительной степени генетически автономны от ядра, они имеют свой геном, похожий на бактериальный. ДНК этого генома также содержит рибозу – от десяти до тридцати остатков на молекулу.

Все это не нарушало стройную догму. Тем большее смятение вызвало открытие синтеза ДНК на РНК. С. М. Гершензон писал еще в 1960 году о возможности подобного процесса, однако лишь сравнительно недавно был получен в значительных количествах фермент ревертаза (обратная транскриптаза), осуществляющий эту реакцию. Теперь этот фермент – обычный инструмент генных инженеров. Теперь мы можем дополнить центральную догму:

Например, РНК-содержащий вирус птичьего миэлобластоза может в результате обратной транскрипции стать ДНК-содержащим, встроиться в геном цыпленка и вызвать злокачественное перерождение клеток. Какую роль играет синтез ДНК на нити РНК в мире высших организмов, нам пока еще неизвестно.

Смысловая цепь: одна или две? Каких-нибудь пять лет назад все мы были твердо уверены, что матричная РНК синтезируется только на одной из двух цепей ДНК, получившей название смысловой. Вторая, комплементарная ей цепь нужна лишь для репликации ДНК и репарации – «починки» поврежденных участков. Если, например, жесткая радиация вырвет кусок из одной из цепей двойной спирали, специальные ферменты – репаразы заполняют брешь, пристроив на ее месте последовательность нуклеотидов, комплементарную оставшейся.

И тем не менее в последнее время появились данные, свидетельствующие о том, что в геноме дрозофилы, например, синтез РНК может идти на обеих цепях ДНК. Это так называемый симметричный синтез. Любопытно, что он идет от одной точки в разные стороны: в каждой цепи от З’ к 5’-концу, так что обе образующиеся РНК начинаются с 5’-конца. Биологический смысл этого явления мы еще не знаем.