Александр Гангнус - Эволюция для всех, или Путь кентавра
ПОИСКИ ВЫХОДА
В науке так бывает нередко: только начинает казаться, что на горизонте появился просвет, как новый факт или новое рассуждение показывает, что до решения путь еще не близкий. И если я скажу, что теперь ученые уже знают, что появилось раньше — ДНК, РНК или белок — и как могло произойти, что они встретились, да еще «узнали» друг друга (ведь в современной клетке далеко не каждая нуклеиновая кислота не с каждым белком может «найти общий язык»), то заранее попрошу тебя мне не верить. Эта трудная проблема еще далека от своего разрешения, может быть, она подождет, пока ты не станешь биохимиком и не займешься ею всерьез.
Но безвыходных положений не бывает, и сейчас, когда я пишу эти строки, в десятках лабораторий мира ученые нащупывают пути решения этой загадки. Что же именно делается?
Вспомним главные молекулярные превращения в клетке.
ДНК →ДНК (самовоспроизведение, репликация генной записи клетки).
ДНК → РНК (строительство самых простых, транспортных и более сложных информационных рибонуклеиновых кислот над особыми участками цепи ДНК — генами).
РНК → белок (строительство белковой цепи в рибосомах по записи информационной РНК и с помощью «услуг» транспортных РНК).
Кажется, все ясно, в основе всего — ДНК, от нее и следует вести родословную наших предков. Но ни одно из этих трех превращений не идет без белка-фермента, причем для каждого превращения нужен свой особый фермент, а для того — опять-таки особый ген в ДНК и вся процедура с двумя РНК. Заколдованный круг!
Некоторые российские и американские ученые сделали важное открытие, разрывающее этот порочный круг хотя бы в одном месте. Выяснилось, что отдельные гены, звенья ДНК и даже целые молекулы ДНК могут не только собирать (с помощью белка-фермента) РНК, но и, наоборот, собираться сами с помощью молекул РНК — правда, для этого нужен еще один особый фермент. Это потрясающее открытие, о котором мы поговорим в последней главе этой книги: творение новых генов на основе РНК могло бы объяснить некоторые загадочнейшие зигзаги эволюции растений и животных и поможет когда-нибудь человеку победить наследственные болезни и искусственно создать новые, нужные нам виды домашних животных и культурных растений. Здесь же для нас важно то, что неимоверно сложная спираль ДНК могла быть в принципе создана, если в первобытной луже встретились гораздо более простые РНК и белок.
Но может быть, для начала не нужна была и РНК? В нескольких лабораториях мира удалось собрать белковоподобную короткую молекулу антибиотика грамицидина без всяких рибосом и нуклеиновых кислот. Кодом-инструкцией для сборки цепочки грамицидина послужил другой белок. Все это означает, что первые шаги жизни были возможны и без чудесной встречи трех сложнейших молекул. Жизнь, может быть, началась на чисто белковой основе, и только позже ее усовершенствовало появление РНК, а еще позже создание настоящего гена.
СОЛЯРИС НА ЗЕМЛЕ
…Вот уже много лет кружит космический корабль землян вокруг планеты Солярис. Понять странные явления, происходящие на планете, пока не удается. Гибнут люди, они не могут найти взаимопонимания с необычайным живым и разумным веществом — океаном планеты Солярис…
Читатель, наверное, узнал сюжет фантастического романа польского писателя Станислава Лема. И фильм такой есть. У нас на Земле все живые существа — отдельно. Тебя не перемешаешь со мной, люди — отдельно даже от обезьян, а от кур и подавно. А вот на Солярисе вся жизнь планеты вместе, она единая, все живое — это океан Солярис, и океан Солярис — это единственный живой организм планеты. А интересно, может такое в самом деле где-нибудь быть?
Всякая фантастика основана на каких-то реальных знаниях. Лем хорошо знал историю споров по поводу проблемы происхождения жизни. Действительно, жизнь без существ, без организмов, возможно, существовала когда-то и на нашей планете. Эта мысль принадлежит выдающемуся англичанину Дж. Берналу, борцу за мир и ученому. «Быть может, никакого точного начала жизни не было вообще, — писал он. — Могли установиться известные циклы, которые были самовоспроизводящимися, то есть молекула А производила молекулу В и так далее, до тех пор, пока молекула Z снова не производила молекулу А. На этой стадии всю среду можно было бы назвать живой в биохимическом смысле, хотя ни единого организма еще не существовало». В сказке Л. Кэрролла Чеширский кот умел исчезать так, чтобы от него оставалась улыбка. Жизнь без организмов, на первый взгляд, напоминает эту симпатичную, но фантастическую улыбку без кота. Но только на первый взгляд…
Да, поначалу жизнь могла быть и такой, и мы не сразу поняли бы, что это жизнь, случись нам где-нибудь в космосе с ней встретиться. Может быть, миллионы лет существовала на нашей планете — или на какой-то другой планете в космосе — такая жизнь, жизнь без организмов. Медленно, не спеша, вершились круги замкнутых химических реакций, множество таких кругов. Но эти по-разному идущие процессы шли не без помех, рядом происходили другие химические процессы, иногда разные реакции — начало одной и конец другой — объединялись и порождали новые вещества, например, такие, которые могли бы стать катализаторами, ускорителями всего этого «кипения» в целом. Об этом медленном усовершенствовании химической, доорганизменной жизни ученые говорят так: путь от химической к биологической эволюции шел через процессы самоупорядочения и самоорганизации.
БИОКРИСТАЛЛ
Зима. Мороз градусов 30. Окна в домах, автобусах и троллейбусах покрываются изнутри удивительным узором. Пятьдесят лет наблюдал морозные узоры мудрый профессор из Ульяновска А. А. Любищев. Он был биолог, а точнее — энтомолог, насекомых изучал, но находил время задумываться об интересных явлениях природы, даже если они на первый взгляд и не имели отношения к его основной профессии.
Вглядись и ты в эти узоры…
Вот тропический лес. Деревья с пышными кронами, похожие то на пальмы, то на папоротники. Лианы, переплетение ветвей. Можно разглядеть растения, очень похожие на настоящие, особенно древние, уже вымершие. Иногда в древних горных породах геологи натыкаются на отпечатки древних морозных узоров, и не всегда легко отличить эту подделку природы от настоящего отпечатка древнего растения.
Скелет одноклеточных радиолярий и многоклеточных губок образован «органоминеральным» кристаллическим веществом, состоящим на 20–30 процентов из органики, а в остальном из минерального кристалла. В индивидуальном развитии такого организма идет процесс минерализации — замещения биомолекул минералом, причем законы кристаллографии и биохимии здесь тесно переплетены. Когда-то под высоким давлением в раскаленной сухой среде этот же процесс был обращен другую сторону. И когда поверхность планеты несколько остыла и появились лужи и моря, в них уже плавали и растворялись множество таких первых кентавров, полукристаллов-полуорганизмов — биокристаллов, готовых стать жизнью… И дальнейшая эволюция живого шла в огромной степени под действием законов кристаллографии. Жидкие кристаллы сегодня работают в дисплеях портативных компьютеров и телевизоров. Но оказывается, весь мир живого, задолго до рождения современных высоких технологий, природа построила по этим высоким технологиям…
Прямо или косвенно законы биокристаллографии управляют не только живой природой, но и высшим ее проявлением, эстетической сферой человеческой культуры. Внизу — проект входа на Всемирную выставку 1900 года. Архитектор Бине придумал его под впечатлением трудов дарвиниста Э. Геккеля с зарисовками скелетов радиолярий.
На самом же деле перед нами в тысяче обличий просто кристаллы воды.
Но кристаллизация на стекле (а также на тротуаре, на камнях) происходит в усложненных и не всегда в одинаковых условиях. Пар из воздуха то медленно и неохотно оседает на гладкой поверхности (при низкой влажности), то обильно. Часть льда порой тут же стремится испариться обратно — особенно если ветер дует. Люди на стекло дышат — опять же совсем другие условия кристаллизации. На стекле есть и выявляются при кристаллизации тончайшие царапинки от шлифовки. И все это порождает свои особенности рисунков Деда Мороза. Но при всем этом разнообразии в «стиле» всех морозных пейзажей есть нечто общее. Морозные узоры трудно спутать с нарастанием других кристаллов. «Стиль» Деда Мороза-художника определяется кристаллизационными свойствами молекул воды.
Ученые не раз задумывались, а не могли ли процессы кристаллизации, упорядоченного соединения молекул веществ сыграть свою очень важную роль в начале жизни и позже, уже в ходе эволюции? Уже знакомый нам биолог, философ и добрый мудрый человек Дж. Бернал в последние годы жизни писал о будущей большой науке, куда войдут в рамках общих законов и биология, и кристаллография, и эту будущую науку Бернал называл обобщенной кристаллографией. Дальше я постараюсь рассказать о некоторых «мостиках» между кристаллами и миром живого, но не удивляйся, что мостиков этих будет мало. Для науки это довольно новая область, и здесь когда-нибудь будут совершены большие открытия.
