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.
В каждой дочерней молекуле ДНК одна из цепочек двойной спиралиродительская, а другая - синтезированная. Поэтому, когда начнут делиться дочерние клетки, то у части "внучатых" молекул ДНК уже не останется родительских атомов в полинуклеотидных цепях. Тем не менее природа выполнила свою цель: "родительская" информация записана в каждой молекуле ДНК, и процесс комплементарной репликации полностью обеспечивает передачу информации от родителей к потомкам.
После открытия знаменитой структуры двойной спирали немало времени ушло на поиски экспериментальных методов, которые смогли бы подтвердить правильность описанного выше механизма репликации ДНК- Это был очень важный и необходимый этап научного поиска, поскольку решение вопроса о структуре ДНК не являлось еще полной гарантией непогрешимости Уотсона и Крика в проблеме репликации генетического материала.
В то время многие солидные биологи думали, что ДНК вообще прямо не реплицируется, а существует некая таинственная молекула-посредник, которая "запоминает" информацию родительской ДНК, а затем уж с нее, как с матрицы, снимаются копии дочерних молекул ДНК. Этот способ передачи информации они назвали консервативным. Способ передачи информации, предложенный Уотсоном и Криком, получил название полуконсервативного.
Полуконсервативный механизм репликации был полностью подтвержден в классических опытах М. Меселсона и Ф. Сталя. Особенность опыта состояла в том, что исходная молекула ДНК, за репликацией которой следили ученые, содержала не обычные атомы азота, а тяжелые, с атомным весом 15. Для этого культура бактерий выращивалась на питательной среде, включающей в себя лишь меченый азот 15N. Деление же этих "тяжелых" клеток происходило в среде, содержащей обычный азот. Меселсон и Сталь исследовали ДНК различных поколений при помощи специального метода, позволяющего в отдельности видеть "тяжелую" и нормальную ДНК.
Вот этот опыт и позволил получить изящное прямое доказательство справедливости полуконсервативного механизма репликации молекулы ДНК, предложенного Уотсоном и Криком. Меселсон и Сталь убедительно продемонстрировали, что после удвоения числа бактерий вся их ДНК оказалась гибридной, то есть промежуточной по весу между "тяжелой" и нормальной. С каждым новым поколением наблюдалось уменьшение количества тяжелой ДНК и увеличение числа нормальных "легких" молекул.
С какой же скоростью происходит рост новых цепей ДНК?
Работая с культурой уже знакомой нам "еколи" (кишечной палочки), ученые оценили величину скорости роста цеди бактериальной дезоксирибонуклеиновой кислоты. Эти оценки невольно заставляют поражаться совершенству, которого достигла природа, создавая молекулярные машины-клетки. Оказалось, что 1400 нуклеотидов в секунду наращиваются на дочерней цепи - реплике. Мы сумеем лучше осмыслить, насколько велика эта скорость, вспомнив, что родительская молекула-спираль должна раскручиваться, чтобы получалась свободная цепь матрица для синтеза. Так вот, скорость раскручивания ДНК в процессе репликации около 140 оборотов в секунду! Лишь сравнительно недавно такие скорости были достигнуты в лучших высокоскоростных центрифугах.
Процессы, которые мы рассматривали сейчас, не кажутся особенно сложными, но уже и на этой стадии жизни клетки, если взглянуть на весь механизм репликации в целом, сразу же возникнут принципиальные трудности.
Почему, собственно говоря, ДНК должта расплетаться, раскручиваться? Что заставляет ее это делать? Американский ученый А. Корнберг в результате упорной почти десятилетней работы доказал, что и в процессе репликации центральную роль сграют все те же ферменты.
Иными словами, без ферментов не может идти образование новых цепей ДНК. Фермент и расплетает двойную спираль, и строит новую полинуклеотидную цепочку.
Эксперименты Корнберга и его сотрудников по синтезу ДНК существенно расширили представления о репликации и синтезе генетического материала. Общая картина процесса репликации представляется достаточно ясной. Есть стартовая, родительская молекула ДНКЕсть ферменты, есть разрыв стартовой молекулы и синтез молекул потомков.
Поражает прежде всего временная сбалансированность всех процессов, проходящих в нормальных условиях в живой клетке. Очевидно, что этот механизм ясляется результатом длительной эволюции и не мог появиться внезапно, дй еще во всем своем блеске, как Афина из головы Зевса. Но, к сожалению, механизмыпредшественники природой утеряны. В этом и состоит принципиальная трудность при попытках построить эволюционную схему от молекул к клетке.
Итак, один из центральных вопросов: как возник механизм репликации и синтеза нуклеиновых кислот?
К сожалению, здесь можно заниматься лишь самыми общими рассуждениями. Специалисты по предбиологической эволюции получили синтетические полинуклеотиды.
По всей видимости, в условиях примитивной Земли могло происходить накопление некоторых количеств этих молекул. Но заметим, что к этим опытам нужно относиться с известной осторожностью, так как условия, в которых проводился синтез, вряд ли могли реально существовать на примитивной Земле. Это одно важное замечание.
В то же время ученые, занимающиеся абиогенным синтезом, обратили внимание на то, что в их опытах количественный выход полипептидов всегда выше, чем выход полинуклеотидов. Этот важный факт дает возможность предположить, что к моменту образования полинуклеотидов на стерильной Земле уже были достаточно высокомолекулярные полипептиды.
А что, если бы удалось экспериментально доказать, что какой-либо синтетический полипептид может способствовать полимеризации полинуклеотидов? Тогда мы имели бы возможность построения гипотетических механизмов - предшественников современных механизмов репликации и синтеза нуклеиновых кислот.
Предположение о слабой каталитической активности полипептида выглядит очень перспективным. В этом случае первичный полипептид мог бы выполнять функции, аналогичные функции ДНК-полимеразы, фермента, участвующего в биосинтезе ДНК в клетке. Поскольку белки, по-видимому, "старше" нуклеиновых кислот, эта гипотеза могла бы быть проверена экспериментально.
Возможно, что механизм репликации возник уже после образования протоклеток и включения в них полимеров. Действительно, ведь современные процессы репликации, синтеза генетического материала и матричного синтеза белка происходят в растворах, концентрация органических соединений в которых весьма высока.
Очень трудно представить себе, что на примитивной Земле могли существовать места, где достигались бы такие концентрации. Только при достижении критической концентрации, аналогичной критической массе в ядерной физике, могли пойти решшкативные процессы.
Вот почему репликативная функция могла появиться позже, чем протоклетки, и ей предшествовала длительная эволюция полимеров и первичных структур типа протеиноидных микросфер. Эта упрощенная схема не решает, конечно, таких важных вопросов: каким образом осуществляется контроль репликации ДНК в клетке и что обеспечивает удивительную надежность при образовании копии? И уж конечно, остается открытым вопрос о моменте включения и полипептидов и полинуклеотидов в протоклетки.
Но ведь мало передать информацию. Клетка при делении дает потомство. Оно должно превратиться во взрослые, полноценные организмы. Пища в окружающем мире есть. Автотрофные организмы используют углекислый газ как источник углерода, микроорганизмы извлекают из окружающей среды необходимые для питания простые вещества. В любом организме эти простые вещества превращаются в сложные полимерные молекулы, среди которых центральное место занимают белки.
Не будь белков, клетка была бы мертва.
Представим себе на минуту клетку с нуклеиновыми кислотами, но без белков. Все, что нужно клетке дЛя жизни, записано в молекуле ДНК. Но эта инструкция мертва. Некому открыть словарь нуклеиновых кислот, нет исполнителей инструкций.
Встречается ли такая ситуация в современной биологии? Конечно же. В мире вирусов. Маленький кусочек нуклеиновой кислоты мертв. Но стоит ему попасть в клетку, как начинаются удивительные процессы. Вторгаясь в клетку, вирус "приказывает" ей жить по-другому, нежели она жила до этой драматической встречи.
Но самое главное: в основе нормальной работы клетки и работы по "чужому приказу" лежит один и тот же механизм. Именно этот механизм в эволюционном плане - величайшая загадка и современной молекулярной биологии, и проблемы происхождения жизни. Речь идет о матричном синтезе белка и генетическом коде.
Глава VIII
ВЕЛИКАЯ ЗАГАДКА КОДА
15 миллиардов лет развивалась Вселенная. Из протокапли родились частицы, элементы, звезды, галактики.
Мысль человека сумела объяснить многие процессы, происходящие в неживой природе. Конечно, и в физике элементарных частиц, и в планетной космогонии, и в космологии остаются еще не решенные вопросы. Но мне кажется, что по своему удельному весу в истории развития научного мышления человека, по своему философскому и общенаучному значению среди нерешенных вопросов нет более крупной, притягательной и таинственной проблемы, чем проблема происхождения жизни.
В рамках этой проблемы наибольшее число вопросов вызывают эволюция генетического кода и процесс матричного синтеза белка. Видимо, именно на матричном синтезе замыкается весь круг проблем, связанных с происхождением живых систем. Как-то после семинара в Институте белка Академии наук СССР мы разговаривали с академиком А. Спириным в его лаборатории. Он демонстрировал созданные в институте модели рибосом - клеточных органелл, принимающих участие в постройке белковых молекул.
"Не могу представить себе, - сказал он, - чтобы рибосомы могли каким-нибудь образом эволюционировать.
Они столь совершенны, что должны были появиться сразу".