Брайан Сайкс - Расшифрованный код Ледового человека: От кого мы произошли, или Семь дочерей Евы
В конечном итоге два практических достижения девятнадцатого столетия послужили ключом к пониманию того, как все происходит на самом деле: одним достижением явилось изобретение новых химических красителей для текстильной промышленности, а другим — совершенствование технологии шлифовки линз для микроскопов, которое позволило намного улучшить качество увеличения. Теперь под микроскопом можно было различить отдельные клетки, а с использованием новых красителей даже увидеть их внутреннюю структуру. Отныне появилась возможность наблюдать процесс оплодотворения, слияния крупной яйцеклетки и маленького целеустремленного сперматозоида. Можно было видеть, как в делящихся клетках формируются странные, похожие на ниточки структуры, как они собираются в центре, как затем равные их количества расходятся в две новые клетки. Эти необычные структуры — они хорошо и четко прокрашивались новыми красителями — получили название хромосомы, что на греческом языке означает буквально «окрашенные тельца». Понять роль хромосом удалось лишь спустя много лет.
В процессе оплодотворения один набор таинственных нитей как будто возникал из отцовского сперматозоида, а второй — из материнской яйцеклетки. Еще раньше это было предсказано человеком, известным всему миру как родоначальник генетики. Основы этой науки Грегор Мендель, монах из чешского города Брно, заложил на опытной грядке в монастырском огороде, где он выращивал горох в 1860-е годы. Он пришел к выводу, что наследственность (у любых видов) передается в равной мере от обоих родителей к потомству. К несчастью, Мендель умер, не увидев хромосом своими глазами, но предвидение его оказалось верным (за двумя важными исключениями — митохондриальная ДНК, о которой мы еще будем говорить в этой книге, и хромосомы, определяющие пол). Гены — специфические частицы генетического кода, находящиеся в хромосомах, наследуются в равных количествах от обоих родительских хромосомных наборов. К 1903 году определяющая роль хромосом в наследственности и тот факт, что в них должно содержаться какое-то вещество наследственности, были уже общепризнанными, но потребовалось еще полвека, чтобы узнать, из чего состоят хромосомы и как они действуют в качестве физических носителей наследственной информации. В 1953 году двое молодых ученых из Кембриджа — Джеймс Д. Уотсон и Фрэнсис Крик — расшифровали молекулярную структуру вещества, о котором давно уже знали, но считали его неинтересным и неважным. Словно для того, чтобы подчеркнуть его незаметность, веществу дали длинное название — дезоксирибонуклеиновая кислота, правда, позже появилась симпатичная аббревиатура — ДНК. Хотя было проведено несколько экспериментов по выяснению предполагаемой роли ДНК в механизме наследственности, на белки делались основные ставки, как на наиболее вероятные вещества, несущие наследственную информацию. Белки имеют сложное строение, состоят из двадцати различных компонентов (аминокислот), способны принимать миллионы различных форм. Разумеется, полагали исследователи, только таким, действительно сложным структурам под силу справиться со столь грандиозной задачей, как программирование, благодаря которому из оплодотворенной клетки вырастает и развивается полностью сформированный и функционирующий организм. Не представлялось возможным, чтобы ДНК, состоявшая всего из четырех компонентов, могла справиться с такой сложной задачей. Правда, ДНК находилась как раз в подходящем месте, в клеточном ядре, но ведь она могла заниматься там и какимнибудь простеньким делом, скажем, впитывать излишки воды, наподобие губки.
Несмотря на отсутствие интереса к этому веществу у ученых, современников Уотсона и Крика, им казалось, что именно в нем кроется ключ к разгадке химического механизма наследственности. Они решили попытаться расшифровать молекулярную структуру ДНК, применив метод, уже испытанный при изучении структуры белка. Этот метод заключался в получении длинных волокон очищенной ДНК и их обработке рентгеновскими лучами. Рентгеновские лучи проникали в ДНК, и большая их часть проходила насквозь и выходила с другой стороны. Но некоторое количество лучей сталкивалось с атомами, входящими в структуру молекулы. Лучи отражались от атомов и рикошетом возвращались к той же стороне, откуда направились. В этом месте их фиксировали с помощью фотопленки — точно такой же, какой до сих пор пользуются рентгенологи для снимков перелома костей. Отраженные рентгеновские лучи «рисовали» на пленке узор из множества точек, по которым затем можно было определить расположение атомов в молекуле ДНК.
Уотсон и Крик провели долгие недели за изготовлением различных моделей из штативов, картонных пластинок и металлических шариков, изображающих атомы. Наконец одна из моделей полностью совпала с узором рентгеновских лучей. Модель была простой, но в то же время невероятно изящной. Ее структура сразу же навела ученых на мысль о том, как может осуществляться ее генетическая функция. Молодые ученые с подкупающей уверенностью сообщали о сделанном открытии в статье, опубликованной в научном журнале «Nature»: «От нашего внимания не ускользнуло, что специфическое удвоение, которое мы постулируем, может служить копирующим механизмом генетического материала». Они оказались совершенно правы, и в 1962 году Уотсон и Крик были награждены Нобелевской премией по медицине и физиологии.
Требования, предъявляемые к генетическому материалу: возможность многократного и точного его воспроизведения, чтобы при делении клетка давала двум новым «дочерним» клеткам равные порции хромосом в ядрах. Если генетический материал в хромосомах не будет копироваться всякий раз при делении клетки, то он довольно скоро иссякнет. Копирование же должно быть очень точным, иначе вновь образованные клетки просто не будут жизнеспособными. Уотсон и Крик обнаружили, что каждая молекула ДНК состоит из двух длинных спиралей, напоминающих две переплетенные винтовые лестницы — эта структура получила название «двойная спираль». Когда подходит время копирования, две винтовые лестницы двойной спирали разъединяются. ДНК построена всего из четырех базовых компонентов, которые обычно обозначаются первыми буквами их химических названий: А — аденин, Ц — цитозин, Г — гуанин и Т — тимин. Их общее название — азотистые основания (в дальнейшем для простоты мы будем именовать их просто основаниями). Теперь забудьте про химические названия и запомните только четыре буквы А, Ц, Г и Т.
Прорыв в расшифровке структуры ДНК был сделан, когда Уотсон с Криком обнаружили: четыре кирпичика, из которых строится ДНК, могут соединяться не каждый с каждым, а только попарно: А в одной спирали подходит только к Т, находящемуся прямо напротив него в соседней спирали. Словно ключ к замку или один кусочек головоломки — паззла к другому, А идеально подходит к Т, но никогда к Г, Ц или другому А Точно так же Ц и Г на двух спиралях соединяются только друг с другом, но не с А и не с Т. Таким способом обе нити сохраняют комплементарно (то есть дополнительно друг к другу) закодированную информацию о последовательности. Например, последовательности АТТЦАГ на одной нити может соответствовать только последовательность ТААГТЦ на соседней. Когда двойная спираль разъединяет нити, особые клеточные структуры достраивают напротив АТТГАЦ старой нити новую последовательность ТААГТЦ, и в то же время новое АТТГАЦ строится напротив ТААГТЦ второй старой нити. В результате появляются две новые двойные спирали, идентичные исходной. Последовательность четырех химических букв остается в неизменности на протяжении всего процесса дублирования. Что же означает эта последовательность? Это информация в чистом виде. Сама по себе ДНК не имеет никакой другой функции в организме. Она не помогает дышать или переваривать пищу. Она только дает организму указания, как ему это делать. В клетке имеются и «менеджеры среднего звена», вещества, которые получают инструкции и, руководствуясь ими, выполняют работу,— это белки. Вам может показаться, что все слишком усложнено. Что ж, это и впрямь очень сложно, но белки на самом деле действуют по указаниям, получаемым напрямую из штаба, то есть непосредственно от ДНК.
Действительно, от того, насколько сложны клетки, ткани и организм в целом, просто дух захватывает, но при этом способ, которым записаны инструкции исходной ДНК, на удивление прост. Как и в большинстве известных нам знаковых информационных систем, таких, как язык, числа или бинарный код компьютера, важно не количество различных знаков, или букв, а та последовательность, в которой они расположены. В анаграммах, например «машинка» и «манишка», содержатся одни и те же буквы, только порядок их расположения немного различается, а в результате перед нами совершенно разные слова. Подобным образом 476 021 и 104 762 — совсем разные числа, которые обозначены одними и теми же цифрами, стоящими по-разному. Еще один пример: 001 010 и 100 100 имеют весьма разные значения в бинарном коде. Точно так обстоит дело и с порядком, в котором располагаются в ДНК четыре химические буквы. АЦГГТА и ГАЦАГТ — анаграммы ДНК, которые имеют совершенно разный смысл для клетки, так же, как «машинка» и «манишка» имеют разный смысл для нас.
