Наука плоского мира IV: Судный день
Шрифт:
У ДНК имеются два поразительных свойства, которые играют заметную роль в сложной химии жизни: кодирование информации и ее копирование. (Другие молекулы обрабатывают информацию, полученную от ДНК; например, создают белки по рецептам ДНК.) С этой точки зрения живой организм подобен молекулярному компьютеру. Само собой, жизнь этим не ограничивается, однако именно ДНК находится в центре любой дискуссии о жизни на Земле. ДНК – наиболее важный «космический лифт» жизни, та платформа, которая поднимает ее на новые высоты.
Живые организмы сложны не потому, что живая материя – это какая-то особенная материя, как считали когда-то виталисты, но потому, что она чрезвычайно сложно организована. ДНК на рутинном уровне сохраняет организацию жизни. Каждая живая клетка организма содержит его геном, своего рода закодированное послание от ДНК с планом поведения на молекулярном
Именно поэтому оказалось возможным клонировать овечку Долли: взять обычную клетку от взрослой овцы и вырастить из нее другую овцу. Хотя на самом деле для подобного фокуса требуются три взрослых овцы. У первой, назовем ее «Мамой», берем клетку. Затем нам надо убедить ядро этой клетки «забыть», что она взята у взрослого животного, и начать «думать», что она вернулась в яйцеклетку. Для этого мы имплантируем ее в яйцеклетку второй овцы («Донора»). После чего помещаем яйцеклетку в матку третьей овцы («Суррогатной матери»), где она развивается, как обычный ягненок.
Долли частенько называют идеальной копией «Мамы», но это не совсем точно. Во-первых, некоторые участки ДНК Долли принадлежали не «Маме», а «Донору». Но даже если бы это небольшое различие было устранено, Долли все равно могла чем-то отличаться от своей «Мамы», так как ДНК овцы не является особенно подробной инструкцией «Как самому создать овцу с нуля». Скорее это рецепт, предполагающий, что вы уже знаете, как работать на этой кухне. В этом рецепте не будет подсказок наподобие: «Положите фарш в смазанную жиром форму и поставьте ее в духовку, разогретую до 200 °C». Там будет что-то вроде: «Поставьте фарш в духовку», то есть считается, что вы уже знаете и про форму, и про необходимую температуру. Так происходит и в описанном случае, овечья ДНК опускает такой важный пункт, как: «Засуньте все в овцу», но пока это единственное место, где вы можете вырастить ягненка из оплодотворенной яйцеклетки. Таким образом, суррогатная мама сыграла значительную роль в том, что случилось, когда заработала программа ДНК по изготовлению Долли.
Многие биологи считают, что это несущественно, поскольку донор яйцеклетки, как и суррогатная мать, попросту выполняют то, что заложено в их собственных ДНК. Но дело в том, что в репродуктивном цикле многие факторы, не заложенные в ДНК, могут играть важную роль. Хороший пример – дрожжи, одноклеточные грибы, превращающие сахар в алкоголь и выделяющие углекислый газ. Генетический код одного из видов дрожжей уже полностью расшифрован. Тысячи экспериментаторов играли в генетические игры с колонией дрожжей, пока наконец не поместили грибки в центрифугу и не выделили их ДНК, а из нее – генокод. В ходе таких экспериментов на дне пробирки остается осадок. Вы его выплескиваете, поскольку это не ДНК, а следовательно, никакого значения для генетики не имеет. Так все, конечно, и делали вплоть до 1997 года, пока один генетик не задал глупый вопрос: «Если это – не ДНК, то зачем оно вообще? Из чего все-таки состоит этот осадок?»
Ответ оказался простым и одновременно обескураживающим. Это были прионы. Великое множество прионов.
Прион – крошечная белковая молекула, которая может действовать как катализатор при образовании белковых молекул, подобных самой себе. Однако в отличие от ДНК прионы делают это не посредством репликации. Вместо этого они используют уже существующие белки, устроенные почти так же, как и сами прионы: те же атомы, тот же порядок, но молекулы свернуты иначе. Прионы цепляются к такой молекуле, раскачивают ее и придают ей нужную им форму. Чем больше участвует прионов, тем быстрее идет процесс.
Прионы – своего рода молекулярные проповедники: размножаются не делением, а обращением язычников в себе подобных. Одним из наиболее известных прионов стал тот, которого подозревают в губчатой энцефалопатии крупного рогатого скота (ГЭКРС), то есть коровьем бешенстве. Основным компонентом коровьего мозга является белок, который может быть изменен прионами. Вот почему зараженные коровы теряют координацию, бесцельно бродят, пуская слюну, и выглядят так, словно спятили.
Для чего же прионы нужны дрожжам? Без прионов дрожжи не могут размножаться. Инструкции по созданию белка в их ДНК иногда имеют отличия, и белок закручивается неправильно. Когда клетки дрожжей делятся, каждая половинка получает свою копию ДНК и часть прионов,
И вообще, в системе кодирования ДНК многое до сих пор неясно. Но в чем мы сумели разобраться, так это генетический код. Некоторые участки ДНК представляют собой «рецепты» белков. В каком-то смысле их действительно можно назвать проектом для создания белковых молекул, так как в них перечислены все компоненты и указан точный порядок. Молекулы белка производятся из набора более мелких молекул, называемых аминокислотами. У большинства организмов, в том числе у человека, такой набор состоит из 22 аминокислот. Если вы построите в ряд достаточно много аминокислот и позволите им свернуться в плотный клубочек, получается белок. В инструкциях ДНК, правда, не указывается, в какую именно сторону должна быть закручена молекула, однако обычно она самопроизвольно делает это правильно. Изредка, когда этого все же не происходит, срабатывают вспомогательные молекулы, понуждающие ее закручиваться в нужную сторону. Прямо сейчас, когда вы читаете эти строки, такая вспомогательная молекула по имени Hsp90 переворачивает всю молекулярную генетику с ног на голову. Hsp90 заставляет белковую молекулу принимать положенную форму, даже если участки ДНК, ответственные за кодирование подобных белков, мутировали. Когда организм подвергается стрессу, отвлекая Hsp90 от выполнения положенных ей функций, эти скрытые мутации внезапно проявляются, и молекулы белка начинают сплошь и рядом принимать неправильную форму, соответствующую коду мутировавшего ДНК. Это означает, что генетические изменения могут быть вызваны и не генетеческими причинами.
Участки ДНК, кодирующие функциональные белки, называются генами. Все остальные участки называются по-разному. Некоторые из них кодируют белки, контролирующие, в свою очередь, момент «включения» того или иного гена, производящего определенные белки; такие участки называются регуляторными (гомеотическими) генами. Существуют участки, в просторечии называемые «мусорными ДНК», что на научном языке означает: «Черт его знает, зачем оно нужно». Некоторые слишком буквально мыслящие ученые понимают это так: «Эти ДНК вообще не нужны», ставя тем самым коня природы позади телеги человеческого понимания. Скорее всего, эти участки представляют собой некую смесь: на ранних стадиях эволюции ДНК они выполняли некую роль, в данный момент ненужную (но, возможно, они еще пригодятся, скажем, если появится какой-нибудь древний паразит); кроме того, они контролируют способ, которым гены активируют и дезактивируют производставо белков; наконец, это участки ДНК, контролирующие предыдущие участки, и так далее, и так далее. Таким образом, некоторые участки ДНК действительно могут оказаться «мусорными», а некоторые, как шутят генетики, могут оказаться закодированным посланием: «Здесь был Бог. Я существую, да, ха-ха-ха».
Эволюционный процесс не всегда идет прямым и понятным людям путем. Но это еще не означает, что Дарвин ошибался. Это значит, что даже если он прав, в отсутствие нарративиума история, абсолютно понятная для эволюции, для людей не будет иметь смысла. Мы допускаем, что многое из обнаруженного в живых организмах давало им какое-нибудь преимущество на каждом этапе их развития, но игра до того сложна, что мы не можем связно рассказать, зачем именно было нужно то или иное преимущество. Чтобы показать, насколько странным путем, даже в сравнительно простых обстоятельствах, может идти эволюционный процесс, лучше всего обратиться не к животным и не к растениям, а к электронным схемам.
С 1993 года инженер Адриан Томпсон занимается естественным отбором среди интегральных схем. В основе лежит технология, известная как генетический алгоритм, широко использующаяся в кибернетике. Алгоритм – это такая специальная программа, «рецепт» решения той или иной задачи. Одним из способов поиска алгоритмов для решения по-настоящему сложных задач является «скрещивание» и естественный отбор. Под «скрещиванием» понимается «смешивание элементов одного алгоритма с частями другого». Биологи называют это рекомбинацией. Каждый организм, размножающийся половым путем, в том числе и наш, скрещивает родительские хромосомы именно в этой манере. Подобная технология, равно как и ее результат, называется генетическим алгоритмом. Когда этот метод работает, все идет просто великолепно. Его главный недостаток в том, что не всегда можно толково объяснить, как именно алгоритм добивается своих результатов. Впрочем, вернемся к электронике.