Великий квест. Гении и безумцы в поиске истоков жизни на Земле - Маршалл Майкл

Однако куда важнее оказались события 1950-х и 1960-х. Открытие структуры ДНК стало огромным прорывом в понимании того, как работают живые клетки. Выяснилось, что жизнь неизмеримо сложнее, чем Опарин, Холдейн и Миллер могли себе представить в 1953 году, и что получение некоторых аминокислот и других органических компонентов первичного бульона вовсе не равно объяснению зарождения жизни. То есть тогда был сделан лишь первый шаг на пути, который оказался неожиданно долгим.

Часть II

Странные сущности

Живые организмы – это странные сущности, что в той или иной мере наверняка осознавали люди разных эпох.

Жакоб Моно,

“Случай и необходимость”[101]

Глава 4

Революция ДНК

Если мы хотим разобраться с тем, как возникла жизнь, нам прежде всего следует понять, как она устроена. В начале XX века биологи, скорее всего, такими знаниями еще не обладали. Когда в 1920-е годы Опарин впервые вообразил капли желе в древнем океане, научные представления о внутренней жизни клетки были очень ограниченными. В те времена еще можно было рисовать себе клетку бактерии в виде мешочка, наполненного ферментами и другими веществами и устроенного не слишком сложно, хотя и занятого кипучей деятельностью. Однако эпохальные открытия следующих десятилетий показали, что работой клетки управляет чрезвычайно тонкая и сложная регуляция. Особенно важным стало открытие структуры и механизмов работы ДНК. Биохимики узнавали о ведущей роли ДНК в устройстве молекулярной машинерии всякой живой клетки чем дальше, тем больше, однако же понять, как вся эта конструкция возникла исходно, оказалось отнюдь не просто.

Сейчас ДНК очень популярна. При упоминании этих трех букв на ум приходит целый сонм образов и ассоциаций: изящная структура самой молекулы, вопросы наследственности и родительства, генетические заболевания, мутации, вызванные радиацией, но, возможно, также и “дизайнерские дети”, и пугающие истории вроде “Не отпускай меня” и “Гаттака”. Иными словами, представления о генах, которые состоят из ДНК, вошли в нашу речь и культуру.

Для большинства биологов огромная роль ДНК стала полной неожиданностью, поскольку всю первую половину XX века они считали эту молекулу чем-то второстепенным. ДНК казалась слишком простой для того, чтобы служить хранилищем генетической информации. Именно поэтому многие ученые связывали гены с молекулами посложнее – с белками[102].

Первым вещество, которое сейчас назвали бы ДНК, начал изучать швейцарский биолог Фридрих Мишер, который в 1868 году работал в Тюбингенском университете (сейчас это земля Баден-Вюртемберг ФРГ, а тогда Тюбинген входил в Королевство Вюртемберг)[103]. Пытаясь идентифицировать химические вещества из белых кровяных телец, полученных из гноя с хирургических повязок, Мишер обнаружил нечто неожиданное: неизвестный субстрат молочно-белого цвета, напоминающий комки шерсти. Исходно он находился в ядре клетки (лат. nucleus) – в ее округлой и более темной части. Мишер назвал это белое вещество “нуклеином” и в 1871 году опубликовал результаты своих исследований[104].

Мишер изучал нуклеин в общей сложности четверть века. Он выяснил, что это соединение содержит углерод, азот, кислород и фосфор. А еще нуклеин проявлял свойства кислоты и потому со временем был переименован в “нуклеиновую кислоту”. Оказалось, что этой кислоты особенно много в головках сперматозоидов, что не могло не навести на мысль о наследственности. Но Мишеру и его коллегам даже в голову не пришло, что передачу генетических признаков способно осуществлять всего одно соединение. Опять-таки – ДНК казалась им слишком просто устроенной. Читать рассуждения Мишера, зная развязку всей этой истории, очень досадно, ведь он был так близок к разгадке.

Немецкий биохимик Альбрехт Коссель, вдохновившись работами Мишера, посвятил значительную часть своей карьеры разделению нуклеиновой кислоты на компоненты. За период с 1885 по 1901 год он сам и его студенты выяснили, что ДНК образована из пяти разных веществ меньшего размера. Сейчас мы называем их “нуклеотиды”: аденин, цитозин, гуанин, тимин и урацил[105].

Но, пожалуй, самый большой вклад в изучение нуклеиновой кислоты внес (заодно “подстегнув” пренебрежительное отношение к ней ученых) биохимик Фебус Левин. Он родился на территории современной Литвы, однако в начале 1890-х его семья, спасаясь от еврейских погромов, была вынуждена переехать в США. Этот худощавый невысокий человек, имевший привычку носить чрезвычайно потрепанную шляпу, владел дюжиной языков, играл на скрипке и, несмотря на довольно слабое здоровье, работал как проклятый.

Так вот, Левин выяснил, что нуклеиновую кислоту можно разделить на более мелкие молекулы, называемые нуклеотидами[106]. Каждый нуклеотид состоит из трех частей: азотистого основания, остатка сахара и фосфата. Стало быть, нуклеиновая кислота представляет собой соединенные в цепочку нуклеотиды.

Более того: оказалось, что нуклеиновых кислот на самом деле две – они отличаются друг от дружки тем, какой именно сахар в них присутствует. Выходило, что “нуклеиновая кислота” Мишера – это смесь из двух компонентов, а не одно вещество. В одной из двух нуклеиновых кислот присутствует сахар рибоза, поэтому Левин назвал ее рибонуклеиновой (РНК). Другая же содержит дезоксирибозу, которая очень похожа на рибозу, но все-таки имеет некоторые отличия – это уже дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК).

Второе различие ДНК и РНК касается состава нуклеотидов. Обе молекулы содержат аденин, цитозин и гуанин – но если в состав ДНК входит также тимин, то в РНК его заменяет урацил.

К несчастью, одно из предположений Левина было неверным. Установив, что четыре основания ДНК всегда присутствуют в равных количествах, он сделал из этого вывод, что такая простая молекула с повторяющейся однообразной структурой никак не может служить носителем генетической информации.

Первый шаг на пути к пониманию того, что гены находятся именно в ДНК, сделал британский микробиолог Фредерик Гриффит – причем сделал его благодаря чистой случайности. В 1920-х годах он исследовал бактерию под названием Streptococcus pneumoniae, которая вызывала смертельную вторичную инфекцию у заболевших гриппом (так называемой испанкой) в эпидемию 1918 года. Гриффит заметил, что этот микроб имеет две формы: способный вызывать инфекцию штамм с гладкой поверхностью и безвредный штамм с шероховатой поверхностью. Когда ученый убил гладкие бактерии, они, как и следовало ожидать, оказались лишенными способности к инфекции. Однако когда он смешал мертвые гладкие бактерии с живыми шероховатыми, вторые приобрели способность вызывать смертельную инфекцию и передавать это свойство своим потомкам. Переносящее в этом случае свойство заразности начало (сейчас мы назвали бы его “ген”) перешло от погибшей гладкой бактерии к живой шероховатой. Но Гриффит, проявив чрезмерную осторожность, опубликовал в 1928 году этот свой выдающийся результат в одном малоизвестном журнале[107].

К счастью, нашелся человек, который подхватил эту идею и дал ей новую жизнь. Им стал Освальд Эвери из Рокфеллерского университета в Нью-Йорке. Невысокий очкарик, Эвери страдал от гипертиреоза, из-за чего глаза у него были выпучены – пока в 1934 году ему не удалили щитовидную железу. В 1930-х и 1940-х годах команда Эвери повторила эксперимент Гриффита и смогла идентифицировать то самое начало. Ученые скрупулезно разрушали или удаляли все “подозреваемые” вещества – но остающиеся компоненты смеси по-прежнему передавали смертоносное свойство бактериям. Все изменилось только при добавлении разрушающих ДНК ферментов. Стало быть, именно она хранит в себе гены. “Кто бы мог подумать?” – напишет Эвери в письме своему брату. В 1944 году ученые опубликовали соответствующую статью[108]. Однако, невзирая на все старания Эвери, эти результаты не получили всеобщего признания – его эксперименты сочли выполненными недостаточно тщательно.