Карл Саган - Космос
Просочась сквозь поры клеточного ядра, мы обнаружим что-то вроде последствий взрыва на фабрике спагетти – множество беспорядочно разбросанных нитей и спиралей, представляющих собой два типа нуклеиновых кислот: ДНК, которая знает, что следует делать, и РНК, которая доставляет инструкции от ДНК к остальным элементам клетки. Это лучшее, что смогла произвести эволюция за четыре миллиарда лет, здесь собрана полная информация о том, как создать клетку, дерево или человека. Объем информации, заключенной в ДНК человека, таков, что, если изложить ее обычным языком, она составит сотню толстых фолиантов. Но что особенно важно, молекулы ДНК умеют создавать точные (за очень небольшими исключениями) копии самих себя. Они действительно знают чрезвычайно много.
ДНК представляет собой двойную спираль, две перекрученные нити, напоминающие спиральную веревочную лестницу. В ходе воспроизведения нити разделяются при помощи специального раскручивающего протеина, а затем каждая нить синтезирует идентичную копию из строительных блоков – нуклеотидов, плавающих вокруг в вязкой жидкости клеточного ядра. Когда процесс раскручивания запущен, замечательный энзим, называемый ДНК-полимеразой, следит за тем, чтобы копирование протекало с почти идеальной точностью. Если случается ошибка, специальные энзимы вырезают дефект и заменяют ошибочный нуклеотид правильным. Эти энзимы – молекулярные машины потрясающих возможностей.
Помимо создания точной своей копии – чем обеспечивается наследственность – ядерные ДНК управляют всей деятельностью клетки – ее метаболизмом – путем синтеза других нуклеиновых кислот, информационных РНК, каждая из которых, покинув ядро, в нужное время и в нужном месте управляет созданием одной молекулы того или иного энзима. Созданная молекула будет теперь отвечать за определенный аспект клеточной химии.
ДНК человека – это лестница длиной в миллиарды нуклеотидов. Большинство их возможных комбинаций совершенно бессмысленны: они бы привели к синтезу протеинов, не выполняющих никаких полезных функций. Лишь крайне малое число молекул нуклеиновой кислоты годится для форм жизни, столь сложных, как мы с вами. И все же число возможных полезных комбинаций нуклеотидов невероятно велико – оно во много раз превосходит количество протонов и электронов во всей Вселенной. А значит, число человеческих индивидуальностей, которые могли бы существовать, неизмеримо превосходит число всех когда-либо живших людей; человеческий род обладает громадным невостребованным потенциалом. Должны существовать такие комбинации нуклеиновых кислот, которые станут работать намного лучше – какой критерий ни выбери, – чем любой из когда-либо существовавших человеческих организмов. К счастью, мы пока не знаем, как построить альтернативную последовательность нуклеотидов, чтобы вывести новый тип человеческих существ. Возможно, в будущем мы научимся собирать нуклеотиды в любой желаемой последовательности и добиваться каких угодно требуемых характеристик – реалистичная, но тревожная перспектива.
Эволюция совершается через мутации и отбор. Мутации могут происходить в ходе репликации ДНК, когда энзим ДНК-полимераза допускает ошибку. Однако ошибается он очень редко. Мутации также случаются под действием радиации, ультрафиолетового излучения Солнца, космических лучей или содержащихся в окружающей среде химикатов. Такие воздействия способны изменить отдельные нуклеотиды и даже завязать нуклеиновые кислоты узлом. Если темп мутаций становится слишком высоким, мы теряем то, что накопили за четыре миллиарда лет тщательного эволюционного отбора. Если он слишком низок, то перестают появляться новые разновидности, которые могли бы приспособиться к будущим изменениям окружающей среды. Эволюция жизни требует более или менее точного баланса между мутациями и отбором. Когда этот баланс достигнут, появляются замечательные приметы адаптации.
Изменение в отдельном нуклеотиде ДНК приводит к изменению одной аминокислоты в протеине, который эта ДНК кодирует. Красные кровяные тельца людей европеоидной расы имеют форму, близкую к сферической. А у некоторых представителей негроидной расы они напоминают по форме ущербную луну. Серповидные клетки переносят меньше кислорода и потому ведут к анемии определенного рода. Но зато они обеспечивают высокую сопротивляемость малярии. Вряд ли кто-то станет спорить, что лучше страдать анемией, чем умереть от малярии. Это весьма существенное различие в свойствах крови – разницу можно без труда заметить на фотографиях красных кровяных телец – является результатом изменения всего лишь одного нуклеотида из десяти миллиардов, составляющих ДНК типичной человеческой клетки. Мы все еще не знаем, каковы могут быть последствия изменений в большей части других нуклеотидов.
Внешне мы, люди, совсем не похожи на деревья. Без сомнения, мы иначе воспринимаем окружающий мир. Однако в самой глубине, в молекулярном сердце жизни, мы и деревья суть одно и то же. Наша наследственность обеспечивается нуклеиновыми кислотами; химией наших клеток управляют протеины в роли энзимов. Но самое главное, для перевода информации, содержащейся в нуклеиновых кислотах, в информацию протеинов используется одна и та же кодовая книга, общая практически для всех живых созданий на планете[20]. Обычно это молекулярное единство объясняют тем, что все мы: деревья и люди, морской черт (удильщик) и плесенный грибок, а также парамеция – ведем свое происхождение от одного общего предка, одного экземпляра, давшего начало жизни в древней истории планеты. Но как же впервые появились эти наиважнейшие молекулы?
В лаборатории Корнеллского университета мы среди прочего занимались предбиологической органической химией, пытаясь сыграть отдельные ноты музыки жизни. Мы пропускали электрическую искру через смесь водорода, водяного пара, аммиака, метана, сероводорода – газов, составлявших атмосферу первобытной Земли. Все они, между прочим, присутствуют в наше время в атмосфере Юпитера и встречаются в космосе. Искра имитировала грозовые разряды, также характерные для древней Земли и современного Юпитера. Первоначально сосуд был полностью прозрачен: исходные газы совершенно невидимы. Однако через десять минут пропускания через него электрических разрядов мы замечали странный коричневый налет, медленно оседающий на стенках сосуда. Постепенно толстый слой бурого дегтя совершенно скрывал происходящее внутри. При использовании ультрафиолетового излучения, моделирующего свет молодого Солнца, результат получался более или менее таким же. Деготь представлял собой чрезвычайно богатую смесь сложных органических молекул, включая составные части протеинов и нуклеиновых кислот. Оказалось, что получить материал, из которого построена жизнь, очень легко.
Подобные эксперименты впервые проделал в начале 1950-х Стенли Миллер, который был тогда аспирантом у химика Гарольда Юри. Юри приводил убедительные аргументы в пользу того, что в первичной атмосфере Земли, как и почти везде во Вселенной, преобладал водород, что впоследствии водород с Земли постепенно диссипировал (рассеялся) в космос, чего не случилось на массивном Юпитере, и что жизнь возникла до того, как водород был потерян. После того как Юри предложил пропустить через подобную смесь газов электрический разряд, кто-то спросил у него, какие продукты он ожидает получить в таком эксперименте. Юри ответил: «Бейльштейна». «Бейльштейн» – это громадный 28-томный немецкий компендиум, перечисляющий все известные химикам органические молекулы[21].
Используя только наиболее широко распространенные на древней Земле газы и практически любой источник энергии, способный разрушать химические связи, мы смогли получить основные строительные блоки жизни. Но в нашем сосуде звучали лишь отдельные ноты музыки жизни, а не сама музыка. Молекулярные строительные блоки необходимо еще расположить в правильном порядке. Жизнь, конечно, нечто большее, чем аминокислоты, из которых состоят протеины, или нуклеотиды – составляющие нуклеиновых кислот. Но даже формирование из этих строительных блоков длинных молекул-цепочек являло собой значительный прогресс в экспериментах. В условиях, близких к тем, что были на древней Земле, аминокислоты объединялись в молекулы, напоминающие протеины. Некоторые из них могли хотя и очень слабо, влиять на полезные химические реакции, подобно тому как это делают энзимы. Нуклеотиды составляли нити нуклеиновой кислоты длиной в десятки блоков. При благоприятных условиях в лабораторной пробирке короткая молекула нуклеиновой кислоты может синтезировать идентичную себе копию.
И все же никому пока не удалось, смешивая газы и воды первобытной Земли, добиться, чтобы в конце эксперимента из лабораторной колбы выползло нечто живое. Мельчайшие известные живые объекты – вироиды – состоят менее чем из 10 000 атомов. Они вызывают целый ряд различных болезней у культурных растений и вывелись, вероятно, относительно недавно из более сложных, а не из более простых организмов. В самом деле, трудно представить себе еще более простые организмы, которые являлись бы хоть в каком-то смысле живыми. Вироиды состоят из одной только нуклеиновой кислоты, в отличие от вирусов, которые также имеют протеиновую оболочку. Они представляют собой всего-навсего единичную нить РНК линейной или кольцевой формы. Вироидам удается быть столь маленькими и все-таки процветать, потому что они законченные паразиты. Подобно вирусам, они просто завладевают молекулярными машинами гораздо более крупной и хорошо работающей клетки и превращают ее из фабрики, производящей новые клетки, в фабрику вироидов.
