Этот правый, левый мир

Глава 14. Живые молекулы

В математике всегда можно провести четкую грань между любыми двумя классами математических объектов. Геометрическую фигуру мы либо можем, либо не можем совместить с ее зеркальным изображением. Асимметричная фигура относится или к правому, или к левому типу. Каждое целое число или четно, или нечетно. Нет целого числа, четность которого можно было бы истолковать двояко. Но в реальном мире всегда трудно провести определенные границы; исключение представляет только микромир, где действуют квантовые законы, например, деготь — твердое тело или жидкость? А какого цвета ликер «Шартрез» — зеленого или желтого? Большинство физических свойств может меняться непрерывно в виде спектра, но без четких внутренних разграничительных линий. Как бы вы ни пытались определить границу, всегда найдутся объекты, столь близкие к ней, что недостаточная точность обычного языка не позволяет определить, по какую сторону от этой линии они лежат.

К свойству, называемому жизнью, все сказанное относится в полной мере.

Вспомните вирусы, эти самые маленькие из известных биологических объектов, которые обладают способностью «есть» (поглощать различные вещества из окружающей среды), расти и воспроизводить себе подобных. Они много меньше бактерий (бактерии даже заражаются вирусами, так же как люди бактериями). Они беспрепятственно проходят через самые тонкие фарфоровые фильтры. Миллионы их поместятся на кончике иглы. Вирусы невидимы в обычный микроскоп, поскольку размеры их меньше длины световой волны, но у биохимиков есть очень тонкие методы исследования строения вирусов при облучении их рентгеновскими лучами или бомбардировке элементарными частицами.

Можно, правда, сказать, что и кристалл «растет», но в весьма тривиальном смысле. Если поместить кристалл в раствор того же вещества, из которого состоит решетка кристалла, то это вещество начнет осаждаться на его поверхности; чем больше откладывается вещества, тем крупнее становится кристалл. Но вирусы, как и все живые существа, растут более удивительным образом. Извлекая из окружающей среды химические элементы, они синтезируют соединения, которых нельзя найти в ней, а затем создают из этих соединений сложные структуры — собственные копии. Способность вирусов заражать другие организмы и иногда убивать их связана именно с этим свойством. Вирусы населяют клетки зараженного организма и подчиняют себе их механизм, как бы снабжая его новыми рабочими чертежами. Они заставляют клетки изготовлять не то, что им положено, а то, что нужно самим вирусам для воспроизводства.

В своей способности размножаться (производить себе подобных) вирус ведет себя, как живое существо. Но, будучи удален из живой ткани, он кристаллизуется! Кристаллы, образованные вирусами, часто принимают форму правильных многогранников: тетраэдров, икосаэдров, додекаэдров, ромбододекаэдров и так далее. Кристаллы эти абсолютно инертны и не проявляют никаких признаков жизни. Они так же «мертвы», как кристаллы кварца. Но введите этот кристаллик в растение или животное того вида, который поражается этим вирусом, и он сразу начнет свою смертоносную деятельность.

Первый вирус, открытый человеком и один из наиболее хорошо изученных к настоящему времени, вызывает «мозаичную болезнь» у растений табака. Кристаллизуясь, он образует крошечные стерженьки, которые можно увидеть в электронный микроскоп. Недавно было обнаружено, что каждый такой стерженек имеет спиральную структуру, образованную примерно 2000 молекул белка, а каждая молекула белка состоит из 150 аминокислот. Белковые молекулы навиваются на полый сердечник, идущий с одного конца стерженька к другому. В белок (а не в сердечник, как думали раньше) «вделана» одна-единственная правая спираль молекулы особого углеродного соединения, называемого нуклеиновой кислотой.

Нуклеиновая кислота не является белком, но как и последний, она относится к разряду полимеров, то есть соединений, гигантские молекулы которых образованы меньшими молекулами, выстроенными в цепочку. Звенья этой цепочки, известные под названием нуклеотиды, состоят из атомов углерода, кислорода, азота, водорода и фосфора; но если белки складываются из двадцати аминокислот, то в состав нуклеиновой кислоты входят только четыре различных нуклеотида. Тысячи нуклеотидов могут соединяться подобно аминокислотам в белке, образуя почти бесконечное множество различных комбинаций — миллиарды молекул различных нуклеиновых кислот. Как и молекулы аминокислот, каждый нуклеотид асимметричен — все они «левые». Поэтому каркас молекулы нуклеиновой кислоты, как и каркас белковой молекулы, образует правую спираль.

Существуют два вида нуклеиновых кислот — ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота). Каждый вирус состоит из белковой оболочки, содержащей одну или несколько спиралей нуклеиновой кислоты. Вирус табачной мозаики содержит только одну спираль РНК. Некоторые вирусы состоят только из ДНК, некоторые — из ДНК и РНК. Нет сомнения, что зараженный вирусами организм убивает именно нуклеиновая кислота, а не белок. Когда вирус нападает на бактерию, его белковая оболочка прикрепляется к ней снаружи и остается там, а нуклеиновая спираль, как бур, проходит сквозь стенку внутрь клетки и начинает наводить новый порядок в механизме воспроизводства клетки. Вскоре клетка начинает изготовлять копии не себя самой, а захватчика-вируса. Сотни его дубликатов, укомплектованные и белковыми оболочками и спиралями нуклеиновых кислот, вырываются из пораженной клетки и нападают на ее соседок.

Как и белковые спирали, правые пружинки нуклеиновой кислоты часто свиваются в правые спирали большего размера. В 1962 году биохимики Йельского университета описали «трехступенчатую спираль» нуклеиновой кислоты — вирус бактериофага Т-2. (Бактериофаг — это вирус, поражающий только бактерии.) Головка его имеет форму бипирамидальной гексагональной призмы (рис. 40). К головке прикреплен белковый хвостик. Внутри головки заключена одна молекула ДНК, которая может просовываться и в хвостик. Эта молекула представляет собой «трехступенчатую» спираль. Первичная спираль — каркас молекулы ДНК. Он завивается вторично и наконец в третий раз превращается как бы в туго намотанную катушку ниток, которая плотно входит в призматическую головку вируса. Хвостиком вирус прикрепляется к клетке-кормилице и пробивает небольшую дырочку в ее мембране. Затем, вероятно, хвостик сжимается и один конец молекулы ДНК проникает в пробитую дырочку. Потом катушка в головке вируса начинает вращаться по часовой стрелке и вся молекула ДНК пробирается через отверстие, чтобы начать свое черное дело.

Нуклеиновая кислота встречается не только в вирусах: в виде ДНК она входит в состав каждой живой клетки от одноклеточных организмов вроде амебы до клеток человеческого тела. Сейчас имеются веские доводы в пользу того, что неуловимые гены — невидимые «частицы», несущие наследственную информацию в виде генетического кода, — вовсе и не являются какими-то самостоятельными элементами, как думали раньше. Это участки на двукратно закрученной спиральной молекуле ДНК. В каждой клетке человеческого тела помещаются 46 похожих на палочки образований, называемых хромосомами, каждая из которых содержит по крайней мере одну пару скрученных правых спиралей ДНК. Точный порядок, в котором четыре различных нуклеотида располагаются вдоль каждой спирали, и есть генетический код, который сообщает клетке, что ей делать. (Эти четыре основных кирпичика — аденин, тимин, гуанин и цитозин — обычно обозначают сокращенно первыми буквами А, Т, Г, Ц.) Каждая аминокислота соответствует трехбуквенной комбинации. Из четырех возможных букв можно составить 64 различные трехбуквенные комбинации — этого более чем достаточно для того, чтобы «описать» точный состав всех аминокислот и порядок, в котором они должны соединяться, образуя заданный белок. «Ген» — это просто часть сообщения, записанного на молекуле ДНК от одного ее конца до другого. Каким способом расставляются «знаки препинания» в этом сообщении, чтобы отметить место, где начинается и где кончается ген, — вопрос, который (в тот момент, когда пишутся эти строки) еще предстоит решить[33].

Подсчитано, что если выпрямить и соединить в одну линию все спирали ДНК в одной клетке человеческого организма, то они образуют тонкую нить длиной свыше метра[34]. Можно ли с помощью всего лишь четырех разных символов, расположенных линейно один за другим вдоль этой нити, передать количество информации, достаточное для управления развитием такого сложного организма, как человеческое тело? Можно. Несомненно, что на этой метровой нитке с помощью четырехбуквенного кода можно записать информацию, которой с лихвой хватит для обеспечения «рабочими инструкциями» всего процесса создания, роста и воспроизводства каждого человеческого существа со всеми его индивидуальными особенностями!

В 1962 году Джеймс Дьюи Уотсон, работающий ныне в Гарварде, и английские биологи Фрэнсис Гарри Комптон Крик и Морис Хью Фредерик Уилкинс получили Нобелевскую премию за свой вклад в открытие строения спирали ДНК. Это, по-видимому, крупнейшее открытие нашего века, оставляющее позади даже открытие ядерной энергии. Еще десять лет назад механизм наследственности был покрыт тайной и представлялся исключительно сложным. Но теперь совершенно неожиданным образом обнаружилось, что механизм этот сравнительно прост. Работа по расшифровке генетического кода продвигается вперед с такой головокружительной быстротой, что вскоре, возможно, мы сумеем контролировать ход эволюции и управлять им. Расшифровка генетического кода даст нам возможность создать синтетическую жизнь, победить рак и другие болезни, раскрыть механизм памяти человека.

Молекула нуклеиновой кислоты, входящая в состав клетки животного или растения, является неотъемлемой составной частью клетки. Напротив, молекула нуклеиновой кислоты вируса — это нечто вроде свободного странствующего набора генов, она не связана жестко со своей клеткой, а способна к воспроизводству в условиях любой чужой клетки, если только в ней содержатся необходимые вещества в количестве, достаточном для такого размножения. Можем ли мы сказать, что вирус табачной мозаики «живой»? Большинство биохимиков считают, что можем, поскольку он способен создавать себе подобных и мутировать. (Мутация есть не что иное, как появление копии, несколько отличающейся от оригинала; причем эта разница сохраняется во всем потомстве мутанта.) Подсчитано, что обычная молекула нуклеиновой кислоты в живой клетке может произвести примерно четыре миллиона своих копий, прежде чем сделает небольшую ошибку, в результате которой получится мутант. Появление мутантов вряд ли может вызвать недоумение; удивительно скорее то, что их появляется так мало. В наши дни многие биохимики, не колеблясь, скажут, что сама по себе спираль ДНК, заключенная в вирусе табачной мозаики, «живая». Они высказываются так потому, что именно молекула ДНК, а не белковая оболочка обладает способностью к самовоспроизводству и мутациям.

Следует признать, что наши дебаты о том, считать ли «живой» или «неживой» молекулу ДНК или РНК, по существу сводились к семантическому спору. На уровне молекул нуклеиновой кислоты термин «жизнь» оказывается попросту недостаточно точным для того, чтобы можно было его правильно использовать. «Голубой» и «зеленый» — в обычной речи достаточно точные слова, но от каждого из них в отдельности мало пользы, если пытаться описывать зелено-голубой цвет. Словами «растение» и «животное» нельзя описать простейшие формы жизни, которые обладают характеристиками и растений и животных. Слова «птица» и «пресмыкающееся» как будто четко разграничивают классы позвоночных животных, но куда отнести археоптерикса? Это вымершее позвоночное можно отнести как к птицам, так и к земноводным, и не стоит тратить время на выяснение вопроса, была ли это земноводная птица или летающий ящер.

То же самое можно сказать о «живом» и «неживом». Даже если мы определим жизнь как способность размножаться и мутировать, то и тогда границы применимости этих терминов будут весьма неопределенными. Есть все основания полагать, что в один прекрасный день будет построено электронное устройство, которое сможет создавать копии самого себя и даже мутировать. Великий венгерский математик Джон фон Нейманн теоретически обосновал возможность построения такой машины. Назвали бы вы эту машину «живой»?

Нужно учесть также, что известны живые существа, например, рабочие пчелы, которые стерильны и не могут размножаться. Хотя ясно, что они живые. Наконец, вполне реально, что в скором будущем биохимики смогут синтезировать молекулу углеродного соединения и получить нечто вроде нуклеиновой кислоты, которая окажется в состоянии изготовить свою, пусть плохонькую, копию. Так что, как видите, даже если взять в качестве критерия жизни размножение и мутацию, то понятие о жизни остается довольно туманным. В наши дни много говорят о том, найдут ли на Марсе жизнь посланцы Земли. Но ведь существует и третья возможность: они найдут на Марсе нечто такое, про что никто не сможет сказать, жизнь это или нет!

Вернемся к простой истине, отмечавшейся выше: вирусы по сложности своей структуры занимают промежуточное положение между кристаллами и неживыми органическими молекулами, с одной стороны, и простейшими одноклеточными формами животного и растительного мира — с другой. Вирус — это «зелено-голубой» предмет, который нельзя называть ни голубым, ни зеленым. Это создание, находящееся в сумеречной, переходной области между живым и неживым, и язык наш еще недостаточно богат, чтобы точно ее классифицировать.

Независимо от того, назовем мы нуклеиновую кислоту живой или нет, факт остается фактом — биологи наконец выделили самую глубинную, основную структуру жизни — жизни, как мы ее знаем. Пастер был прав в большей степени, чем думали его коллеги, когда утверждал, что лево-правая асимметрия — ключ к тайне жизни. В каждой живой клетке на земле заложены правые спирали нуклеиновой кислоты. Асимметричная спиральная структура — несомненно основа жизни. Она несет всю информацию, которая необходима живому организму, чтобы вырасти в исключительно сложную машину, создающую себе подобных и эволюционирующую посредством такой оригинальной процедуры, как допущение случайных ошибок при копировании. «Если белки — основной строительный материал жизни, — писал д-р Крик в своей статье „Нуклеиновые кислоты“ („Сайентифик Америкен“, сентябрь 1957 года), — то нуклеиновые кислоты — это ее рабочие чертежи, это молекулы, на которых записана Тайна Жизни, если можно вообще говорить о такой вещи».

Мы уже ставили вопрос о возможности существования на других планетах «жизни», основанной не на углеродных соединениях. Никто этого, конечно, точно не знает, но большинство биохимиков считают, что самовоспроизводство и мутации, вероятно, слишком сложные явления, чтобы их можно было осуществлять с помощью молекул, лишенных огромного разнообразия и гибкости углеродных соединений. Кремний ближе всех стоит к углероду по своей способности реагировать с другими элементами и образовывать многочисленные соединения, но его цепочки относительно коротки и неустойчивы по сравнению с углеводородами, которые так необходимы для жизни на нашей планете.

По-видимому, через несколько лет наши космические станции сообщат нам, есть ли на Марсе жизнь или что-нибудь вроде жизни. Сезонные изменения цвета темных пятен на поверхности Марса говорят о возможности существования там низших растений типа наших мхов. Если окажется, что эти марсианские растения состоят из белков и нуклеиновых кислот, то весьма реальна опасность, что марсианские вирусы и даже бактерии смогут поражать наших космонавтов. В свою очередь марсиане, если они существуют, могут оказаться беззащитными перед нашими вирусами и бактериями. Почитатели Герберта Уэлса помнят, конечно, как Земля была в конце концов спасена от марсианского нашествия (в романе «Война миров») из-за того, что марсиане не смогли противостоять действию земных микробов. Это одна из причин (а есть и другие!), по которым биохимики убеждают ученых, занимающихся космическими исследованиями, посылать для исследования других планет только стерилизованные аппараты и соблюдать величайшую осторожность при возвращении их на Землю.

Одна из наиболее замечательных черт жизни, хотя о ней и говорят меньше, чем о других, — это способность организма извлекать из окружающей среды химические соединения, молекулярная структура которых по большей части симметрична, и изготовлять из них правые и левые асимметричные соединения углерода. Растения, например, используют симметричные неорганические соединения вроде воды и углекислого газа и превращают их в асимметричные молекулы крахмала и сахара. Мы видели в предыдущей главе, что тела всех живых существ насыщены асимметричными углеродными молекулами, а также асимметричными спиралями белков и нуклеиновых кислот. Поскольку у каждой асимметричной молекулы есть зеркальный изомер, то вся жизнь на Земле могла бы продолжаться, если бы все организмы внезапно превратились в свои зеркальные отражения. Случись это с каким-то одним организмом, скажем с человеческим, он вряд ли сумел бы выжить. Человеческое тело с его десятками тысяч асимметричных соединений после такого преобразования оказалось бы не в состоянии усваивать асимметричную пищу. Но если получить зеркальное отражение молекулярных структур всех живых существ, то есть каждый органический стереоизомер заменить зеркальным двойником, то все жизненные процессы будут протекать, как и раньше.

Но как право-левая асимметрия возникла в живых организмах Земли? Почему органические соединения образуются именно в этой форме, а не в другой? Почему все белки и нуклеиновые кислоты левые? Никто не может дать ответ на эти вопросы, потому что никто не знает, как зародилась жизнь на Земле. Однако предположения биохимиков на этот счет с каждым днем становятся все определеннее и обоснованнее. В следующей главе будет дан краткий обзор современных научных взглядов по этому интересному вопросу.