Глава 27. ДНК

Внутри каждого клеточного ядра находится 46 спутанных пучков – хромосом, из которых 23 материнские и 23 отцовские. В них содержатся все необходимые инструкции по созданию и дальнейшему поддержанию жизни организма.

Хромосомы, в свою очередь, сделаны из длинных нитей дезоксирибонуклеиновой кислоты – ДНК. Одна нить нуклеиновой кислоты обернута вокруг другой, образуя сплетённую пару.

ДНК – самая важная и самая необычная молекула на Земле, основа нашей жизни.

В вашем организме насчитывается 100 000 000 000 000 клеток. В каждой клетке содержится почти 2 метра плотно упакованных нитей ДНК. В объёме, равном точке над буквой «i», спрессовано около 400 метров ДНК. Подсчитано, что общая длина этих нитей в теле человека составляет 20 000 000 000 000 километров. Это половина расстояния от Солнца до ближайшей звезды. Только вдумайтесь, внутри вас находятся тончайшие жизнеобразующие нити такой протяжённости, которую свет, летящий со скоростью 300 000 км/с, преодолевает целых два года.

Каждая нить ДНК содержит 3 200 000 000 знаков кодирования. Можно посчитать общее число возможных комбинаций кодировки ДНК, обеспечивающих вашу уникальность. Получается поистине грандиозная цифра – единица с 1 миллиардом и 900 миллионами нулей на конце. Чтобы записать такое число на бумаге, потребуется отпечатать примерно 2 тысячи книг наподобие этой.

Самое удивительное, но мы совсем не вершина земной сложности. Если в ДНК человека содержится около 3-х миллиардов пар оснований, то, например, у тритона их около 20-и миллиардов.

По своей форме молекула ДНК походит на винтовую лестницу. Спираль – это нуклеиновая кислота. Вертикальные «стойки» состоят из разновидности сахара рибозы, кислорода и фосфора. Ключевая информация записана на перекладинах – «ступеньках», состоящих из двух молекул, каждая из которых крепится к одной из вертикальных стоек «лестницы».

«Ступеньки» – это химические компоненты, попарно сцепившиеся четыре буквы генетического алфавита. Последовательность, в которой эти буквы появляются, если двигаться вверх или вниз по лестнице, составляет наш генетический код. Их обозначают начальными латинскими буквами соответствующих химических оснований:

Аденин – A

Цитозин – C

Гуанин – G

Тимин – T

Различная комбинация букв полностью кодирует всю генетическую структуру живого.

А является парным основанием с Т и только совместно они могут создать «ступеньку лестницы». Аналогично G является парным основанием с С.

Соответственно, существует всего четыре возможных вида «ступенек»: А-Т, Т-А, С-G, G-С.

В очень простом понимании ДНК представляет собой сценарий действий на все случаи жизни, закодированный в ядре живой клетки. Причём код элементарный – всего четыре буквы.

ДНК воспроизводится очень необычным способом. Как молнии на свитере обе нити молекулы расходятся, половинки разделяются, чтобы образовать новую ДНК.

Каждая нить легко подбирает себе пару. Если верхняя «ступенька» одной нити состоит из гуанина, то верхняя «ступенька» другой нити состоит из цитозина. Пройдя все «ступеньки» и автоматически подбирая пары для всех нуклеотидов, в конце «лестницы» вы получите готовый код новой молекулы ДНК. Удивительно, что все эти преобразования в нашем организме происходят буквально за считанные секунды.

Пары оснований стремятся встать друг над другом таким образом, чтобы свить параллельные цепочки в спираль.

Отдельная цепочка содержит зеркальную генетическую информацию относительно другой.

Код первой цепочки считывается для синтеза белка, а вторая цепочка продолжает делать копии нуклеотидной последовательности ДНК на параллельную нить.

Каждая из цепочек двойной спирали является своеобразным химическим текстом в виде комбинаций А, С, G, Т. Всё вместе образует полную запись устройства и функционирования организма.

Подобная структура в виде спирали, свитой из двух многоатомных нитей, является наиболее стабильной и прочной в природе. Поэтому генетическая информация очень надёжно сохраняется в ДНК.

Происходят ли ошибки при кодировании?

Да. Запись и воспроизведение информации никогда не бывают идеальными. Всегда наличествует возможность накладки.

Действительно, примерно в одном случае из миллиона «буква» встаёт не на своё место. Со временем такие изменения накапливаются. Однако, вовсе не все ошибки вредные. Часто они плодят многообразие. Именно поэтому отдельные индивиды и даже целые популяции отличаются друг от друга.

Кроме того, ошибки могут привести к конкурентному преимуществу внутри вида. Например, повышенное содержание в крови жителей высокогорья красных кровяных телец эритроцитов – полезная особенность.

Интереснее всего узнать, каково же главное предназначение ДНК. Современное научное понимание проблемы приводит нас к шокирующему выводу.

Все данные свидетельствуют о том, что главный смысл работы ДНК состоит в создании ещё большего числа ДНК. В результате – 98% ДНК нашего тела являются «мусором». Лично нам эти лишние молекулы совершенно не нужны.

Это иллюзия, что ДНК работает на нас, на разумных существ. По большому счёту, ДНК работает исключительно на себя, эксплуатируя наш организм. Складывается ощущение, что глобальная цель биологической жизни состоит в обеспечении вечного копирования ДНК.

Что особенно необъяснимо, сама молекула при ближайшем рассмотрении выглядит интригующе безжизненной, химически инертной. Кстати, поэтому она относительно хорошо сохраняется в ископаемых остатках.

ДНК напоминает равнодушный автомат. Она ничего не умеет, кроме как делать копии.

Получается интересная ситуация.

Главная функция ДНК совершенно бессмысленна без белков. Но, в свою очередь, белки бесполезны для живого организма без ДНК.

Это очень странно. Две столь разные, но уникально сложные структуры, бесцельны друг без друга, и нужны лишь тогда, когда взаимодействуют.

Тогда, каким же образом одномоментно возникла эта эффективно сотрудничающая пара?

До недавнего времени убедительного ответа на этот вопрос не было. Объяснить столь необычный факт можно было лишь вмешательством внешних сил. Однако, сегодня ответ, похоже, найден. Идея состоит в том, что современному клеточному миру предшествовала ещё более древняя эпоха зарождения жизни.

Глава 28. РНК-мир

Ключевой проблемой происхождения жизни является вопрос о том, каким образом информация нуклеиновых кислот переводится в белковую информацию.

Белки выполняют всю работу в клетке, жизнь без них невозможна. Но они не способны сохранять наследственную информацию. А без этой функции жизнь невозможна тем более. Задачу решает ДНК.

То есть, ДНК не работает без белков, а белки – без ДНК. ДНК и белки не говорят на одном биологическом языке. Им нужен «переводчик». Эту функцию выполняет рибонуклеиновая кислота – молекула РНК, своеобразный посредник между ДНК и белками.

РНК представляет собой полимер, состоящий из множества похожих рибонуклеотидов. Каждый рибонуклеотид состоит из трёх частей: фосфорной кислоты, азотистого основания и рибозы.

С одной стороны, РНК способна самостоятельно катализировать химические реакции и соединять аминокислоты. То есть, она способна проделывать ту же работу, что и белки.

С другой стороны, РНК, как и ДНК, способна к самовоспроизводству. Главное отличие от ДНК заключается в том, что РНК состоит из одной нити. Следовательно, можно предположить, что функция кодирования была заимствована у РНК более устойчивой ДНК в ходе эволюции.

Сказанное означает, что РНК может одновременно выполнять обе функции – и хранение информации, и активную работу. Соответственно, возможен живой организм без ДНК и белков, в котором все функции реализуются исключительно молекулами РНК.

Так возникла идея о том, что клеточному миру предшествовал РНК-мир.

Согласно этой теории, первая жизнь на Земле состояла из множества колоний молекул РНК. Именно в этих колониях случайным образом самоорганизовалась протоклетка в виде жировой оболочки. Генетический код изначально был записан только в РНК-последовательностях.

Теория РНК-мира подтверждается имеющимися научными данными.

Во-первых, в живом организме именно РНК переносит в цитоплазму информацию, закодированную в ДНК. Копирование осуществляется необычайно быстро. Запись полного комплекта ДНК одной клетки занимает всего семь часов.

Во-вторых, РНК реально участвует в синтезе белков в соответствии с записанными в молекуле ДНК «инструкциями».

Главный постулат генетики заключается в том, что передача информации осуществляется по линии ДНК – РНК – белок. Правда, есть неприятные исключения из этого правила. В частности, к ним относятся ретровирусы, целиком состоящие из РНК. Наиболее известный из них – ВИЧ, вызывающий СПИД.

Возникает естественный вопрос. Если РНК способна выполнять обе функции, зачем тогда природе понадобились ДНК и белки?

Ответ на удивление прост. Несмотря на то, что РНК способна выполнять их функции, ДНК и белки просто лучше подходят для решения именно конкретных задач. ДНК – для хранения генетической информации, а белки – для ферментативной деятельности. То есть, РНК это твёрдый троечник, тогда как ДНК и белки в своей специализации – «круглые» отличники.

Конечно, природа стремится к совершенству. Но и не разбрасывает попусту имеющиеся ресурсы. С появлением ДНК и белков, РНК вполне могла стать лишней молекулой, а стала главной, связующим звеном всех «кирпичиков» жизни.

Открытие РНК-мира разрешило многие загадки в теории эволюции. Однако, главные вопросы попросту были перенесены с одного уровня на другой.

Откуда взялась самая первая РНК?

Как она случайно самовоспроизвелась в первый раз?

Каким образом возникли рибонуклеотиды?

Попробую, если не ответить на указанные вопросы, то хотя бы обозначить всю сложность их решения.

Ключевым моментом добиологической эволюции стало соединение азотистого основания и рибозы. Согласно теории, из простейшей органики синтезировались рибонуклеотиды, строительные «кирпичики» для образования молекулы РНК.

Однако, несмотря на все старания учёных, ничего подобного не удаётся воспроизвести во время эксперимента. Это концептуальная проблема.

Дело в том, что азотистые соединения и рибоза очень живучи. Теоретически, они могут самопроизвольно образоваться даже в открытом космосе. Тем более, они могли сформироваться в условиях древней Земли. Беда в том, что столь «неприхотливые» частные элементы категорически не хотят объединяться в единую структуру при аналогичных условиях, созданных в лабораториях.

Естественным путем могут возникнуть аминокислоты. Доказано экспериментом.

Естественным путем может появиться сложная органика. Доказано экспериментом.

Но никто не смог синтезировать нуклеотиды.

Следующая проблема состоит в том, что, после своего появления, нуклеотиды должны были соединиться в полимерную цепочку, которая стала бы удлиняться.

Мы знаем, что для усложнения и роста любой структуры нужна энергия. И чем она сложнее, тем больше требуется энергии. Даже если в какой-то момент случайно образовалась устойчивая полимерная цепочка, она не смогла бы самовоспроизводиться, если нет постоянного источника энергии.

Выходом из ситуации могла стать рекомбинация. То есть, обмен между молекулами РНК своими отдельными участками. Тогда, постепенно они могли удлиняться, образуя сложные нуклеотиды без постоянного привлечения внешнего источника энергии. Правда, и в таком раскладе по-прежнему неясно, почему отбиралась именно полезная информация.

Теоретически доказано, как с помощью белкового фермента из одной молекулы РНК можно вырастить целую колонию. Поскольку сама РНК может являться ферментом, то можно допустить, что катализатором роста колонии РНК могла стать сама РНК. Получается замкнутый цикл постепенно эволюционирующей жизни. Идея хороша хотя бы тем, что объясняет, как возник метаболизм, обмен веществом, что в итоге привело к наследованию полезных свойств.

Однако, в эксперименте из одной молекулы РНК вырастить большую колонию никак не получается. Кроме того, в замкнутом цикле, где молекула РНК самовоспроизводится, потому что является ферментом этого самовоспроизводства, не может появиться механизм эволюции. В обособленном мире неоткуда взяться многообразию. Замкнутая система, которая постоянно усложняется, также нереальна, как вечный двигатель.

Есть элегантный выход из порочного круга.