Максим Либанов - Почему наш мир таков, каков он есть. Природа. Человек. Общество (сборник)

Интересно, что взрыв сверхновой очень несимметричен. Представьте себе нейтронную звезду – десятикилометровый шарик с плотностью как у атомного ядра, массой Солнца и скоростью 1000 километров в секунду. А такие скорости наблюдаются! Эту звезду надо было очень несимметрично родить – в момент рождения дать ей пинка. То, что взрывы сверхновых несимметричны, очень нетривиально и очень хорошо. Это и есть тот самый пинок. Потихоньку мы действительно начинаем понимать, как взрываются сверхновые, поскольку даже из скоростей нейтронных звезд пытаемся выудить информацию о физике взрыва. Многое сделано, но многое еще предстоит.

«Нейтронные звезды страшно интересно исследовать, и в некотором смысле это имеет народно-хозяйственное значение».

Константин Северинов. Роль случая в одном научном исследовании

Константин Северинов – Доктор биологических наук, профессор Ратгерского университета (Нью-Джерси, США) и Сколковского института науки и технологии.

Этот рассказ – о том, как делаются исследования в современной биологии. Но для начала следует ввести всех в курс дела, чтобы легче было продвигаться дальше. Начнем с главного.

Центральная догма молекулярной биологии

«Догма» – не очень удачное слово. Некоторые его пугаются, думая, что это непременно нечто косное, принципиально недоказуемое, ограничивающее свободный полет мысли. Точно так же и с теорией Дарвина: почему-то есть люди, которые считают, что раз она называется теорией, то она, скорее всего, не доказана. На самом деле центральная догма молекулярной биологии просто описывает, каким образом из информации, записанной в генах, возникает что-то типа меня, присутствующих в зале слушателей или бактерий. Другими словами, как генетическая информация выражается (ученые часто говорят «экспрессируется»), в результате чего клетки приобретают свою индивидуальность.

Часто центральную догму формулируют в виде краткого афоризма: «ДНК –> РНК[22] –> белок». Вот что это значит.

Генетическая информация хранится в ДНК – это знаменитая молекула, которая выглядит как двойная спираль. Молекула ДНК – это фактически линейная последовательность оснований; для нас важно думать про них как про буквы. Это просто генетический текст. Алфавит русского языка состоит из 33 букв, и с помощью комбинаций этих букв мы можем составлять тексты, которые имеют смысл. Генетический язык для всей жизни един – он был «изобретен» только раз, и его алфавит состоит всего из четырех букв. Они называются А, G, C и T – аденин, гуанин, цитозин и тимин. Для биологической функции ДНК очень существенно, что последовательность букв, то есть генетическая информация, содержащаяся в одной цепи, отражена в – или «комплементарна», как говорят ученые, – последовательности другой цепи. Это фактически означает, что генетический текст в двойной цепочке закодирован дважды. Можно разделить цепи, а затем достроить на разделенных цепочках недостающие «буквы», чтобы спирали снова стали двойными. Теперь цепочек будет уже не одна, а две. Так генетическая информация дуплицируется и передается в поколениях. На очень грубом уровне мы возникаем из своих родителей именно в ходе такого процесса.

Итак, информация хранится, дуплицируется, то есть передается потомству, но она еще должна работать: генетический текст должен что-то нам сказать, и потом что-то должно случиться, чтобы из текста вырос живой организм. Происходит это таким образом: сначала идет процесс под названием «транскрипция»[23]. При этом одна из цепей ДНК переводится в другую молекулу, очень похожую, которая называется РНК. Последовательность букв в ней идентична исходной ДНК. А затем молекула РНК транслируется: это означает, что на ней синтезируется белок. Есть специальный генетический код, в результате которого последовательность букв в молекуле РНК, а следовательно, и в ДНК, переводится в последовательность аминокислот в белке. А белки – это то, из чего мы состоим. У меня волосы вьющиеся и темные, а у вас, возможно, другие, и связано это с тем, что белки, из которых состоят волосы, разные у каждого из нас. У разных людей эти белки очень похожи, но есть и отличия – большинство «букв» те же, но кое-где написание слегка изменено.

Итак, ДНК –> РНК –> белок. Стрелки здесь показывают, в какую сторону движется информация. Очевидно, что гены при посредничестве РНК влияют на белки – то есть на фенотип, или на то, как организм выглядит и что с ним происходит в жизни. Но обратно, от фенотипа к генам, информация не передается. То, что происходит с организмом в жизни, не влияет на его гены. Приобретенные признаки не наследуются: вопреки взглядам злополучного академика Лысенко, сколько ни обрубай мышам хвосты, бесхвостые мышата у них ни в каком поколении не появятся. Центральная догма была сформулирована в начале 1960-х годов и, безусловно, является одним из величайших фундаментальных научных открытий.

История одного опыта

Фундамент центральной догмы закладывался еще в первой половине ХХ века, и один из важнейших этапов связан с именами Сальвадора Лурии и Макса Дельбрюка, позже ставших нобелевскими лауреатами.

Макс Людвиг Хеннинг Дельбрюк – 1906–1981 – Американский биофизик немецкого происхождения, лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 1969 г. (совместно с Алфредом Херши и Сальвадором Лурией) «за открытия, касающиеся механизма репликации и генетической структуры вирусов».

Сальвадор Эдвард Лурия – 1912–1991 – Американский микробиолог, лауреат Нобелевской премии 1969 года (совместно с Алфредом Херши и Максом Дельбрюком).

Макс Дельбрюк – физик, убежавший из гитлеровской Германии в Америку. Биологией он занялся по настоянию нашего соотечественника Тимофеева-Ресовского. Дельбрюк чувствовал, что время великих открытий в физике подходит к концу, а Тимофеев-Ресовский убедил его, что природа наследственности стоит того, чтобы ею заниматься. Вместе они сделали несколько классических работ по определению размера гена. Сальвадор Лурия, в свою очередь, бежал в Америку из фашистской Италии. По специальности он был микробиолог.

Дельбрюка и Лурию заинтересовал исключительно фундаментальный вопрос – как возникают наследуемые изменения – мутации – у бактерий. Рассмотрим, например, мутации, вызывающие у бактерий устойчивость к бактериальным вирусам (их называют бактериофагами). Возьмем бактерию под названием «кишечная палочка» – она живет в каждом из нас в огромном количестве и является излюбленным модельным объектом молекулярных биологов. Если кишечная палочка встретится с вирусом-бактериофагом, она наверняка будет им убита. Но это относится к нормальной кишечной палочке (ее еще называют бактерией дикого типа). Если мы возьмем много-много бактерий и заразим их вирусом, мы увидим, что несколько бактерий непременно выживут и образуют на чашке с питательной средой вполне здоровые и жизнеспособные колонии, как будто вирус им нипочем. Можно показать, что все клетки в этой колонии стали устойчивы к вирусу. Значит, они произошли из клетки-родителя, у которой каким-то образом появилась устойчивость к вирусу. Как могла возникнуть такая устойчивость?

«Многие люди, которые занимались системой приобретенного иммунитета, не сразу поняли, при чем тут генная медицина, и прошляпили открытие своей жизни».

Здесь есть два варианта ответа. Первый вариант: встретившись с вирусом, некоторые клетки научились с ним бороться. В свое время Ламарк предположил, что жираф тянулся к высоким веткам, поэтому у него отросла длинная шея. Так и здесь: клетки, оказавшись в очень вредных, очень неприятных условиях среды, начинают бороться, изменяться, пока наконец не найдут способ победить обстоятельства. Чистое торжество воли, как в немецкой философии. Сначала изменилась окружающая среда (в нашем случае в ней появился смертельный вирус), это дало вам какой-то сигнал, и вы решили поменяться, потому что если вы не поменяетесь, то вас больше не будет, вы исчезнете. Вероятность победить невелика – скажем, 0,001 %, – но поскольку клеток изначально было много, по статистике каким-то из них непременно удастся вырвать у вируса победу, и их потомки увидят зарю следующего дня, образуют колонии.

Жан-Батист Ламарк – 1744–1829 – Французский естествоиспытатель, создатель первой целостной эволюционной теории (позднее названной ламаркизмом).

Второй вариант – так называемые спонтанные мутации. Об их существование неявно предполагал еще Чарльз Дарвин, который, впрочем, ничего не знал про гены. Спонтанные мутации возникают случайно, вне всякой связи с тем, в каких условиях находится организм и какие изменения могли бы принести ему пользу. Просто клетка без всякой причины во время деления вдруг переходит в новое состояние. Оно может никак не проявиться, но если эта клетка (или ее потомки) окажутся в условиях, где это новое состояние играет роль для выживания, они воспользуются свалившейся на них с неба возможностью.