Планеты и жизнь - Лев Мухин

Попробуем все-таки сделать очередную попытку. Остановимся лишь на наиболее существенных признаках, характеризующих свойства клетки как единицы живого.

Быть может, тогда станет более понятной и главная задача: познание закономерностей возникновения принципиально нового свойства материи жизни.

Было бы несправедливо не упомянуть здесь о том, что некоторые ученые, например лауреат Нобелевской премии физик Е. Вигнер, считают эту проблему необъяснимой в рамках современной физики и химии.

Мысль о том, что невозможно описать возникновение жизни как естественный эволюционный процесс, процесс, который должен быть в принципе познаваем, еще чаще высказывается некоторыми биологами. Возникновение подобных сомнений лишь подтверждает, с одной стороны, грандиозную сложность задачи, а с другой - отражает неполноту наших знаний о процессах, происходящих в клетке.

Проблема живого, по сути дела, сводится к вопросу, поставленному в свое время крупнейшим. физиком Э. Шредингером: "Как можно объяснить с помощью физики и химии события, происходящие в пространстве и во времени в пределах живого организма?"

Поставим еще один вопрос: каков основной признак живой клетки? Ведь клетка умеет делать очень многое, мы уже в этом убедились. И все-таки основной признак жизни - размножение или воспроизведение. Мы будем трактовать термин "воспроизведение" в широком смысле, считая, что он объединяет все процессы, происходящие в клетке до того момента, пока, наконец, образуется копия исходного организма. Именно здесь начинаются главные трудности.

Часто используемый термин "самовоспроизведение" представляется мне не очень удачным, поскольку в нем неявно содержится понятие автономии, и поэтому его употребление требует известной осторожности. В научнопопулярной и даже в научной литературе часто встречается выражение типа "самовоспроизводящиеся молекулы", хотя, по-видимому, за все время существования Галактики ни одна из известных нам молекул не "самовоспроизводилась".

Если мы возьмем изолированную молекулу ДНК, изолированную клетку, изолированного человека, то ни о каком "самовоспроизведении" не может быть и речи.

Поэтому гораздо целесообразней использовать менее обязывающие формулировки, а именно: снятие копий, воспроизведение.

Таким образом, живые системы отличаются от любых неживых систем, устройств, машин и так далее наличием уникального регулирующего механизма, обеспечивающего в определенных условиях воспроизведение системы.

Этим же механизмом обладает и дубликат, и дубликат дубликата, и все последующие поколения. При всей своей фантастической сложности механизм снятия копий обладает исключительной надежностью и практически идеальной координацией во времени и пространстве.

Неживая природа не знает ничего подобного. Лишь эволюция соединений углерода достигла вершины в создании молекулярных машин, производящих свои собственные копии. В основе этого поразительного процесса лежит механизм матричного синтеза белков.

Я намеренно стараюсь сосредоточить внимание читателя на вопросах, связанных с механизмом размножения и роста, так как именно они имеют самое непосредственное отношение к проблеме возникновения жизни.

С другой стороны, они и только они резко отличают живое от неживого.

В соответствии с такой точкой зрения жизнь можно определить как состояние материи, характеризующееся потенциальной способностью осуществлять координированный во времени и пространстве непрерывный процесс образования копий со структурных единиц (клеток).

Ясно, что есть много дополнительных свойств, присущих живой клетке. Мы уже говорили об обмене веществ, или метаболизме. Можно еще раз упомянуть, например, о каталитической активности белков. Хорошо известно также, что клеточные вещества обладают оптической активностью. Однако каждое из этих свойств, взятое в отдельности, не может однозначно характеризовать жизнь.

В качестве примера рассмотрим такое очень важное свойство клетки, как обмен веществ. Но ведь оно присуще и неживому миру. Действительно, взглянем на систему река - океан, грунт - атмосфера, транспорт материала при извержении вулканов. Река выносит в океан гигантское количество воды. При испарении воды с поверхности океана на суше выпадают дожди, которые вновь питают водой реки. Чем не обмен веществ?

По-видимому, только возникновение механизма воспроизведения (в широком смысле слова) и передачи информации можно отождествить с началом эволюции собственно живых систем.

В неживой природе есть такое явление, как рост кристаллов. Более того, кристаллы одного и того же вещества похожи друг на друга как две капли воды. Но механизм роста кристалла, во-первых, не имеет практически ничего общего с ростом клетки. А во-вторых, кристаллы не умеют производить потомство. Они не могут снять копию и "пустить ее в жизнь".

Чтобы нагляднее представить себе всю сложность процесса воспроизведения жизни, необходимо подробнее остановиться на ключевых аспектах воспроизведения генетического материала в клетке (редупликация ДНК), биологического кода и синтеза белка.

Современное представление об этих процессах сформировалось на основании фундаментальной гипотезы лауреатов Нобелевской премии Д. Уотсона и Ф. Крика о структуре ДНК и блестящих экспериментальных работах лауреатов Нобелевской премии Д. Корнберга, М. Ниренберга, С. Очоа, Ф. Крика, X. Кораны и других исследователей. Тому, кто незнаком с драматической историей открытия структуры ДНК, обязательно следует прочитать замечательную книгу Уотсона "Двойная спираль".

Модель двухцепочечного строения дезоксирибонуклеиновой кислоты, предложенная Уотсоном и Криком, весьма удачно объясняет процессы размножения организма и передачи наследственной информации.

Процесс редупликации (снятия копии) резко отличается от "механического" деления микросфер. Как же идет этот процесс в клетке? Он начинается с разделения на некотором участке двойной спирали молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты при воздействии специального белка. Вот здесь-то и обнаруживается, что спиральная структура ДНК идеально приспособлена для создания своих собственных копий.

При разрыве связей, стабилизирующих молекулу ДНК, и раскручивании двойной спирали на некотором участке ДНК появляются две свободные цепочки. На одной из этих цепочек (ее называют смысловой), как на матрице, начинает синтезироваться новая цепь, состоящая из уже знакомых нам нуклеотидов.

Может, конечно, возникнуть вопрос: а нужно ли влезать в такие дебри молекулярной биологии? Но ведь мы уже говорили о том, что двадцать аминокислот располагаются в единственном, уникальном для клетки порядке, образуя нужный ей белок. А что контролирует этот процесс в клетке? Гены. А ген - это определенная последовательность триплетов (троек) нуклеотидов в ДНК.

Но ведь если мы себе представим родительскую бактериальную клетку и дочернюю бактериальную клетку, то ясно, что и "мать" и "дочь" умеют строить одни и те же белки по одной и той же программе. Что это значит?

Это может означать лишь одно: ДНК ухитряется осуществлять свое собственное воспроизведение, передавая всю содержащуюся в ней информацию от родителей к потомству.

Посмотрим, как это происходит, как из одной молекулы ДНК получаются две полностью похожие на исходную. Гипотеза (впоследствии подтвержденная экспериментально) о механизме репликации ДНК также была высказана Уотсоном и Криком. Однако сначала нужно упомянуть о так называемом правиле эквивалентности Э. Чаргаффа, установленном в 1950 году.

Азотистых оснований, из которых строится ДНК, всего четыре. Это аденин, гуанин, тимин и цитозин.

Правило эквивалентности Чаргаффа состоит в том, что в молекулах ДНК количество аденина всегда равно количеству тимина, а количество гуанина равно количеству цитозина.

Глубокий смысл этого правила (его называют также правилом спаривания оснований) прояснился, когда Уотсон и Крик установили комплементарную структуру ДНК. Другими словами, в двухцепочечной спирали ДНК напротив молекулы аденина одной цепи всегда находится молекула тимина, а напротив гуанина - цитозин.

Уотсон и Крик сразу поняли значение этого факта для воспроизведения клеточной информации. Свою первую статью в журнале "Nature" (а эта публикация, кстати говоря, принесла им Нобелевскую премию) ученые закончили знаменательной фразой: "От нашего внимания не ускользнул тот факт, что специфическое спаривание... позволяет предполагать возможный копирующий механизм для генетического материала". Г. Стент говорит, что это самое скромное утверждение в истории ндуки.

Теперь вернемся к процессу репликации. В клетке всегда есть запас свободных нуклеотидов. И когда начинается разделение полинуклеотидных цепочек двойной спирали, каждое основание притягивает комплементарное ему: в соответствии с правилом спаривания оснований напротив аденина появляется тимин, а напротив цитозина - гуанин. Таким образом, напротив каждой из двух исходных родительских цепочек образуется комплементарная дочерняя. Из одной молекулы ДНК получаются две, полностью идентичные материнской молекуле.