Компьютерра - Журнал «Компьютерра» № 23 от 20 июня 2006 года
Вспомните школьный курс биологии. Вам авторитетно доказывали, что признаки организмов определяют гены — участки ДНК. Изменения в этих участках возникают-де лишь как непредсказуемые поломки, отражающиеся на клетках и организмах — контейнерах генетической информации. Верные РНК помогают переносить информацию с величавой ДНК к исполнительным роботам-рибосомам. Естественному отбору предписано подхватывать и копировать последствия случайных ошибок в ДНК, в результате чего сами собой якобы могут появляться полезные признаки. Их накопление и породило нас с вами и весь тот живой мир, в котором нам выпало жить.
С приведенными рассуждениями согласится не только добросовестный школьный учитель, но и бо,льшая часть биологов-профессионалов, которые занимаются другими проблемами. Но от действительного состояния науки (обсуждаемого, перепроверяемого, подвижного совместного знания) эта картина чрезвычайно далека.
Большинство важных для выживания признаков (свойств) организма не заданы в ДНК, а возникают в результате индивидуального развития организма как целого. Указать конкретную причину и ее следствие в путанице проявляющихся в развитии взаимосвязей обычно невозможно. Это удается или в случаях какой-то поломки (поломался ген — исчез фермент — бактерия не может использовать питательную среду), или в тех ситуациях, когда есть два устойчивых возможных пути развития и хорошо отлаженный генетический переключатель между ними (растения гороха с желтыми/зелеными и гладкими/морщинистыми семенами в опытах Грегора Менделя). А вот на те признаки, которые определяют жизненный успех или неудачу соответствующего норме организма, влияет весь генотип и еще много факторов сверх того. Даже зная все начальные условия, мы не сможем точно предсказать, по какой именно траектории пойдет развитие организма. К сожалению, стройной классификации признаков по уровню их предопределения в ходе развития до сих пор нет. В результате выводы, полученные при исследовании простейших биохимических признаков, переносятся на всю совокупность свойств организмов.
ДНК и другие носители наследственной информации — не причины бытия клеток и организмов, не их «истинная суть» («КТ» #567), а их инструменты, которые, кстати, при необходимости могут целенаправленно перестраиваться. Некоторые изменения ДНК вероятнее остальных и чаще происходят именно тогда, когда в них возникает потребность («КТ» #585).
Система считывания информации с ДНК кроит и видоизменяет текст, с которым взаимодействует. РНК, образованная в результате этого взаимодействия, претерпевает разнообразные перестройки, механизм которых изучен лишь частично. Свойства белков, синтезирующихся на рибосомах, зависят и от их аминокислотной последовательности, восходящей, с учетом всех перипетий, к последовательности ДНК, и от взаимодействия с другими молекулами.
Вопреки желанию любителей простоты, которым хочется в каждом случае узнать об однозначном соответствии между элементарной причиной и конкретным следствием, сложные системы обладают целостными свойствами и нередко способны передавать (наследовать) свои свойства во времени. Приведем один пример. Что и как делается в том или ином месте клетки, определяет цитоскелет — совокупность белковых тяжей, пронизывающих всю клетку. Это они транспортируют и сортируют разнообразные клеточные детали. А у инфузорий цитоскелет отвечает еще и за слаженную работу бесчисленных ресничек, находящихся на поверхности тела. Если с помощью микрохирургии вырезать участок поверхности инфузории, повернуть на 180° и вставить обратно, реснички на нем будут загребать в сторону, противоположную общему движению. И вот что удивительно: такой участок может сохраниться и в нескольких поколениях потомков оперированной инфузории! Архитектура цитоскелета столь сложна и целостна, что может передавать свои свойства при делении клеток.
Изучая проявления наследственности, мы стоим перед таким клубком взаимосвязей, полное распутывание которого — сверхчеловеческая задача. Цепочка ДНК-РНК-белок-признак — лишь один из множества путей. Естественно, что когда удалось описать столь простой информационный канал, возникла иллюзия, что с его помощью можно объяснить все свойства организмов. Но теперь один за одним становятся известны фрагменты альтернативных путей, например, передачи информации от белка к белку, от РНК к ДНК и т. д. Каждое подобное открытие сопровождается разговорами, что «традиционная генетика опровергнута». Один из последних примеров — обнаружение у резуховидки Таля (Arabidopsis Thaliana, хорошо изученного экспериментального растения) способности исправлять мутантные гены в своем генотипе («КТ» #585). Предполагалось, что ключевую роль в этом играли молекулы РНК, которые «помнили» естественное состояние гена и возвращали мутантов к норме.
Так что же удалось обнаружить на сей раз?
Мино Рассользадеган (Minoo Rassoul-zadegan) и его коллеги из института INSERM во Франции работали с генетически измененными бурыми хомячками (Scotinomys)[Это уже не травка-резуховидка, а хомяк-скотиномис, млекопитающее, с генетической точки зрения — почти человек], близкими родственниками мышей. Они использовали линию хомячков с искусственно вызванной мутацией гена Kit. Как вы помните, продвинутые организмы обычно обладают двумя версиями большинства генов, расположенными в одинаковых местах материнской и отцовской хромосом. Хомячки с двумя мутантными версиями гена Kit гибнут, носители мутантной и нормальной версий несут характерные белые отметины на шерсти, а носители двух нормальных генов имеют (должны иметь!) нормальный внешний вид. Однако выяснилось, что внешние признаки мутации сохранялись и у тех генетически нормальных хомячков, отцом, матерью или более отдаленным предком которых были хомячки с мутантными генами. Этот феномен называется парамутацией.
Генетически нормальные, но внешне измененные особи передают проявления аномалии в потомстве в течение нескольких поколений (хотя и с постепенным ослабеванием). Что же переносит информацию от предков к потомкам, если не гены?
Выясняется, что синтезированная на мутантных генах РНК разбивается на фрагменты, но сохраняется в клетке (вероятно, связываясь с какими-то переносчиками). Особенно много таких фрагментов оказывается в половых клетках. В клетках генетически нормальных потомков эти РНК вмешиваются в работу нормальных генов и каким-то чудом воспроизводят аналогичные себе молекулы. Вероятно, в их присутствии синтезируемая по нормальному гену РНК оказывается аномальной. Тут есть какая-то аналогия с «работой» прионов — молекул белка с измененной пространственной укладкой. «Нормальные» белки, которые клетка синтезирует в присутствии прионов, сами становятся прионами. «Нормальная» РНК, которую синтезирует клетка в присутствии мутантной, становится такой же.
А что касается повышенного содержания РНК в половых клетках… Чарльз Дарвин на склоне лет сформулировал гипотезу пангенезиса. Согласно ей, клетки всего тела отряжают в половые клетки особых «гонцов». Благодаря этому в половых клетках собирается-де информация о текущем положении дел в организме. И как же смеялись над автором этой гипотезы![Мир, в котором мы живем, устроен так хитро, что придумать нечто совсем не отвечающее действительности почти невозможно]
Особенность описываемых экспериментов состоит в том, что к нетрадиционному воспроизводству оказалась способна информация мутантного гена, созданного искусственным путем. Мы имеем дело не с исключительным свойством данного гена, а с некой «боковой дверью», которой, наверное, могут воспользоваться и иные информационные потоки. И на основании этого обстоятельства можно сделать серьезные выводы.
Успехи техники предопределили использование технических аналогий в наших попытках понять живые системы. Как хочется выделить в клетке блок хранения информации, пути ее кодифицированной передачи, исполнительный блок и прописать четкие алгоритмы взаимодействия между этими и другими подсистемами! Так жизнь была бы устроена, если б ее создал разум, подобный нашему.
На самом деле жизнь сделала себя сама, пройдя через бесчисленные попытки нащупать решение проблемы приспособления и запоминания удачных выборов. В живой клетке носитель информации, ее читатель, интерпретатор и исполнитель тесно переплетены. Наследственность — не причина эволюции, а ее следствие. Миллиардолетний отбор шел одновременно и на способность организмов вырабатывать удачные признаки, и на способность передавать эти признаки потомкам. То, что не может быть тем или иным путем передано по наследству, не имеет эволюционной перспективы. «Нормальное» генетическое наследование, конформационная передача информации между белковыми молекулами (как в прионах), «память» цитоскелета, парамутации и, вероятно, многое другое — разные, взаимодополняющие механизмы решения проблемы передачи потомкам важных для выживания признаков.
