Текст книги "Жизнь как она есть: её зарождение и сущность"
Автор книги: Фрэнсис Крик
сообщить о нарушении
Текущая страница: 2 (всего у книги 11 страниц)
Глава 2. Космическая мистерия
Теперь, когда мы познакомились с величинами, имеющими отношение к нашей теме, и большими, и малыми, и со временем, и с пространством, мы должны в общих чертах описать то, что знаем о происхождении Вселенной, а также об образовании галактик и звезд, и наконец планет, составляющих нашу солнечную систему, так чтобы мы могли обрисовать условия, в которых зародилась жизнь на Земле или где-нибудь в другом месте космоса.
Если к проблеме происхождения жизни трудно подступиться, потому что она возникла так давно, то можно подумать, что возникновение Вселенной, которое, должно быть, произошло значительно раньше, окажется еще недоступнее для понимания. Это не совсем верно, потому что взаимодействия, необходимые для зарождения живой системы, составляют небольшой сложный ряд среди многих других возможных взаимодействий в очень неоднородной среде, тогда как во время первых этапов развития после Большого взрыва все было настолько тесно перемешано друг с другом, что в процессе большей частью преобладали именно общие принципы реакций. Вследствие чего, к разрешению этой проблемы подойти легче.
В основе почти всех последних дискуссий о происхождении Вселенной лежит теория Большого взрыва. Отсюда вытекает теоретическое обоснование, что на первом этапе, который мы обычно можем себе представить, вся материя во Вселенной должно быть занимала достаточно небольшой объем при необычайно высокой температуре. Этот первозданный болид очень быстро расширялся и, расширяясь, остывал. Стивен Вайнберг написал отличную книгу, где для широкого круга читателей в общих чертах описал тип реакций, которые, вероятнее, всего происходили в эти первые три минуты[2] 2
Weinberg, Steven, The First Three Minutes. New York: Basic Books, Inc., 1977. См. в русском переводе. С. Вайнберг Первые три минуты. Ижевск. РХД, 2001.
[Закрыть].
Представление о происходившем складывается на основе наших современных знаний об основных частицах материи и излучения, а также на довольно незначительном количестве экспериментальных фактов, таких как фон космического излучения, который сейчас наполняет собой все пространство, – слабый шорох создания, едва слышимый в радиотелескопы. Подобный воображаемый синтез не обязательно полностью достоверен. Вайнберг признается в возникающем иногда ощущении нереальности при его описании. Другие важные наблюдаемые факты, необходимые для построения теории, – это расширение Вселенной, его доказывает известное красное смещение, а также огромный избыток в современной Вселенной частиц электромагнитного излучения (фотонов) по сравнению с частицами материи (барионами), соотношение примерно 109 (миллиард) к единице, и кроме того, относительно редко встречаются более тяжелые элементы. Считается, что даже в современной Вселенной девяносто девять процентов атомов состоят из двух самых легких элементов, водорода и гелия, причем первый встречается чаще. На основании всех этих фактов физики-теоретики смогли сделать вывод, что спустя первую одну сотую долю секунды (и эта цифра даже еще менее точна), болид превратился в сложную смесь излучения и материи, быстро и сильно взаимодействующих друг с другом при необычайно высокой температуре, примерно 1011 градусов, и стал чрезвычайно быстро расширяться. Эта температура была слишком высокой для существования атомов и даже слишком высокой для предотвращения распада сложных ядер (плотных центров атомов). По мере своего расширения болид охлаждался, пройдя в быстрой последовательности через несколько этапов, в ходе которых, вследствие снижения температуры на каждом этапе, по сравнению с предыдущим, определенные процессы происходили реже, другие же стали более распространенными. В конечном счете, примерно через три минуты температура снизилась не более чем до 109 градусов, так что теперь без угрозы распада могли образовываться некоторые очень легкие ядра, такие как ядра трития и гелия. Через полчаса или около этого температура упала до 3 х 108 (300 миллионов) градусов (только в двадцать раз выше, чем внутри Солнца), и синтез новых ядер прекратился. В течение следующих миллионов лет (или около этого) Вселенная продолжала расширяться и остывать, до тех пор, пока ядра не стали захватывать электроны для образования устойчивых атомов. Тогда материя смогла начать сгущаться, превращаясь в галактики и звезды.
Вследствие этого огромного космического взрыва. Вселенная с тех пор начала расширяться. Будет ли она расширяться до бесконечности, или, в конечном счете, это расширение замедлится и полностью прекратится, и она вернется к исходному состоянию, зависит исключительно от степени ее массивности. Точно также как камень, подброшенный высоко в воздух, упадет обратно на Землю, если его скорость не окажется так велика, что он сможет этого избежать, так и Вселенная продолжит расширяться до тех пор, пока ее масса не увеличится настолько, что, в конце концов, под действием силы тяжести расширение прекратится и начнется обратный процесс. Если это так, то некоторое время спустя, в очень далеком будущем, Вселенная начнет сжиматься и произойдет еще одна катастрофа. Прежде считалось, что рассчитанная плотность Вселенной слишком мала для этого, критическая плотность соответствует примерно трем атомам водорода в каждом литре пространства. А сейчас существует предположение, что маленькие нейтральные частицы, нейтрино, которыми заполнено все пространство, вероятно, могут иметь некоторую, но очень маленькую массу, хотя прежде считалось, что они, подобно свету, невесомые. Если это так, то их может оказаться вполне достаточно, чтобы навсегда остановить расширение Вселенной.
Возможно, самый важный вывод, сделанный на основании нашей весьма ограниченной точки зрения, заключается в том, что на ранних этапах развития Вселенной, несмотря на очень высокую плотность и температуру, в каких бы то ни было значительных количествах образовались только немногие очень легкие элементы. Следовательно, за исключением водорода, все элементы, необходимые для жизни, еще должны были появиться, в частности: углерод, азот, кислород и фосфор. Этот вывод подтверждается с помощью спектроскопических наблюдений, которые доказывают, что на старейших звездах этих элементов намного меньше, чем на новых.
Обстоятельства дальнейшего развития спустя один миллион лет отчасти неясны. Как именно растущий болид, который предположительно должен был быть в пространственном отношении довольно однородным, расширялся еще дальше, чтобы образовать большие неоднородные скопления материи, которые мы наблюдаем в виде галактик, и как именно были образованы различные типы звезд – на все эти вопросы все еще нет достаточно обстоятельного ответа, хотя мы можем кратко и в общих чертах описать некоторые процессы.
Несмотря на то, что на ранних этапах развития Вселенной сила тяжести играла незначительную роль, теперь она стала приобретать ключевое значение. Мы можем видеть, что, в значительной степени благодаря силе тяжести, начинают образовываться массы материи, которые притягивают другие массы, до тех пор, пока, в конечном счете, не возникают еще более крупные скопления. Вызванные этим разрастанием и уплотнением столкновения повысят местную температуру до тех пор, пока масса не накалится до такой степени, что начнет светиться. В конечном итоге, более крупные куски материи достигнут такой высокой температуры, что начнут происходить ядерные реакции – образуется новая звезда.
С этого момента теплота, созданная ядерным синтезом, будет препятствовать сжатию звезды, так как если оно происходит, то звезда нагреется, ядерные реакции ускорятся, и в результате возрастающее давление заставит звезду немного расшириться, чтобы нейтрализовать начинающее сжатие. Этот механизм работает как регулятор, который позволяет звезде благополучно «гореть» в течение миллионов или даже миллиардов лет.
В конце концов, у звезды должно истощиться ядерное топливо. Расчеты показывают, что большие звезды сгорают очень быстро, звезды средней величины (как Солнце) – медленнее, а небольшие звезды – очень и очень медленно. Звезда, в десять раз массивнее Солнца, вырабатывает свое топливо в сто раз быстрее. Что происходит, когда начинает истощаться ядерное топливо, – достаточно сложный вопрос, и ответ на него во многом зависит от массы звезды. Процесс ядерного синтеза может создать элементы, такие как углерод и азот, из водорода и гелия. Затем звезда может попытаться использовать эти более тяжелые элементы в качестве топлива, создавая при этом еще более тяжелые, но, в конечном итоге, наступает этап, когда не остается больше элементов, ядерные превращения которых могут обеспечить ее достаточной энергией. В этот момент всеобъемлющая сила тяжести, которая сдерживалась теплотой, порождаемой ядерными процессами, одерживает верх. Звезда сжимается. Как именно это происходит, опять зависит от размера звезды и характера элементов ее составляющих. Звезды меньших размеров, вероятно, становятся белыми карликами и очень, очень медленно исчезают из виду. У более крупных звезд сжатие может быть таким быстрым, что звезда буквально взрывается, извергая до половины своего содержимого в космос и рассеивая материю с высокой скоростью во всех направлениях. Во время самого взрыва создаются многие элементы тяжелее железа (которые не очень многочисленны).
Такой катастрофический взрыв называется сверхновой звездой. В течение нескольких дней звезда светится необычайно ярко. Когда это случилось со звездой в нашей галактике в 1604 году, то это явление вызвало сенсацию. Мы до сих пор можем наблюдать остатки сверхновой звезды, ее предшественницы, наблюдаемой китайскими астрономами в 1054 году. Это большое облако светящегося газа, которое мы называем Крабовой туманностью, все еще очень быстро расширяется, и мы можем даже видеть остаток звезды, теперь пульсар (вращающаяся нейтронная звезда), в ее центре.
Именно взрывы, подобные этим, оказались основным источником большинства элементов в нашем теле (за исключением водорода). Осознание того, что многие из атомов, из которых созданы мы сами, образовались не в начале мироздания, а должны были подвергнуться действию тепла внутри звезды и быть выброшенными в космос, создает странное ощущение.
Как же в таком случае образовались планеты? Подробнее этот вопрос рассмотрен в главе 8. Здесь мы только в общих чертах опишем этот процесс. Когда мы рассматриваем в телескопы сложности нашей галактики, то можем увидеть, что многое в ней закрыто большими облаками газа и пыли, некоторые из них более рассеянные, некоторые менее, но все они, по земным меркам, очень разрежены. Частицы пыли, примерно такого же размера, что и частицы сигаретного дыма, вероятно, образованы из смеси маленьких кусочков железа, камня, льда и соединений углерода. Довольно удивительно, но в этих газовых облаках были обнаружены более пятидесяти видов плавающих малых органических молекул, особенно в более плотных облаках (где меньше ультрафиолетового света, их разрушающего), хотя в массе они в итоге составляют только около одной миллионной доли. Это химически активные молекулы, такие как цианистый водород (HCN) и формальдегид (HCHO). Какая именно часть этого огромного количества очень слабых молекул, рассеянных в пространстве, сыграла свою роль в происхождении жизни, точно неизвестно, но, скорее всего, их непосредственное участие было не слишком значительным. Мелкие молекулы, которые образуют основу жизни (см. главу 3, а также главу 5) – аминокислоты, сахарозы, основания, и т. д. – все же там не обнаружены, хотя некоторые из них можно было бы довольно легко синтезировать из тех, что встречаются в космосе. Есть некоторые предположения относительно реакций, которые могут происходить в кометах и других небольших телах Солнечной системы.
Считается, что Солнце и окружающие его планеты образовались в результате уплотнения, возникшего благодаря силе тяжести, медленно вращающегося такого облака. Как именно это произошло, все еще спорный вопрос. Грубо говоря, по мере сжатия облака скорость его вращения возрастала (чтобы сохранить момент количества движения), так что оно вытянулось в форму диска. Центр этого диска со временем стал Солнцем, тогда как оставшиеся куски материи уплотнились и образовали планеты и астероиды. Подробнее этот процесс рассмотрен в главе 8.
Большая часть этого облака, должно быть, состояла из водорода и гелия, так как эти элементы наиболее распространены на Солнце, но планета типа Земли находится слишком близко к Солнцу и в то же время не так массивна, чтобы удержать такие легкие элементы силой своего относительно слабого гравитационного поля, поэтому, вероятно, что они затерялись в космосе. (На крупных внешних планетах их все еще очень много.) Земля же со своим внутренним ядром из железа и твердой оболочкой из более легких элементов, находящихся вблизи поверхности, образовалась из скопления пепла существовавших когда-то звезд. Биосфера, в которой мы живем, – это хрупкий слой материи на поверхности довольно малой планеты звезды весьма средней величины.
Наиболее важный момент, который вытекает из этого краткого описания, заключается в том, что жизнь, насколько нам известно, вероятно, не могла зародиться вскоре после Большого взрыва, потому что необходимых элементов для ее возникновения тогда не существовало. Потребовался период в один или два миллиарда лет, возможно, больше, прежде чем достаточное количество крупных звезд завершили свой жизненный цикл и взорвались, предоставив тем самым атомы, необходимые для создания органической жизни. Затем они должны были рассеяться, чтобы из осколков образовались новые звезды и планеты. К сожалению, мы точно не знаем, насколько естественней этот процесс, поэтому мы не можем быть уверены, исходя из теоретических предпосылок, у какого количества звезд могут быть планеты, вращающиеся вокруг них, хотя, как мы увидим в главе 8, этому есть некоторые косвенные подтверждения.
Давайте теперь кратко перечислим те размеры и периоды времени, которые нас интересуют. Диаметр Солнечной системы – около одной пятнадцатой светового года. Ближайшая звезда находится на удалении 4,3 световых лет. В пределах двадцати световых лет находятся примерно сто звезд. Наша собственная галактика – это медленно вращающийся неправильный диск, состоящий из звезд, пыли и газа, примерно 100000 световых лет в диаметре, содержащий, вероятно, 1011 звезд. Ближайшая крупная галактика – Андромеда, несколько больше нашей. Она находится на удалении двух миллионов световых лет, между ними почти ничего нет (за исключением нейтрино и фотонов), хотя в непосредственной близости находятся несколько галактик меньшей величины. За ее пределами Вселенная расширяется во всех направлениях на расстояние, по крайней мере, в три миллиарда световых лет, и, может быть, содержит общее число галактик 1011 различных типов и размеров.
Возраст Земли и остальной Солнечной системы составляет примерно 4,5 миллиардов лет. Время, которое прошло со времени Большого взрыва, известно с меньшей точностью, но, вероятно, находится в пределах от семи до пятнадцати миллиардов лет. Вскоре после Большого взрыва практически не существовало тяжелых элементов, значительное их количество образовалось через миллиард (или около этого) лет после него.
Глава 3. Единообразие биохимии
В сущности, проблема возникновения жизни – это проблема органической химии, химии соединений углерода, но органической химии в необычной плоскости. Особый характер живых существ, как мы убедимся, с невероятной тонкостью и точностью подробно определен уже на уровне атомов и молекул. В начале, должно быть, именно молекулы развились таким образом, что образовалась первая живая система. Поскольку жизнь зародилась на Земле настолько давно, возможно, даже четыре миллиарда лет назад, то нам очень трудно узнать, как выглядели первые живые существа. В основе всех живых существ на Земле, без исключения, лежит органическая химия, а подобные химические соединения обычно неустойчивы в течение длительных периодов времени при том колебании температур, что существует на поверхности Земли. Постоянные сотрясения, вызванные тепловым движением в течение сотен миллионов лет, в конце концов, разрушают сильные химические связи, прочно удерживающие вместе атомы органической молекулы в течение более коротких периодов времени, например, в течение нашей собственной жизни. По этой причине почти невозможно найти «молекулярные ископаемые» из тех очень давних времен.
Минералы могут быть намного устойчивее, по крайней мере, на отчасти менее обработанном уровне, в основном потому что в их атомах для образования регулярных трехмерных структур используются прочные связи. Разрыв одинарной связи значительно не разрушит форму минерала. Ископаемые можно в изобилии наблюдать в горных породах, сформировавшихся немногим более миллиарда лет назад, к тому времени, когда организмы уже достаточно развились, и у них появились костные ткани. Обычно подобные ископаемые состоят не из первичных тканей тех организмов, а из неорганических отложений, которые просочились в них и приобрели их форму. Форма мягких тканей обычно не сохраняется, хотя иногда присутствуют следы типа червоточин – отпечатки на горных породах времени.
Существуют ли вообще ископаемые намного древнее этих? Тщательное микроскопическое исследование очень древних пород доказало, что они содержат небольшие вкрапления, которые выглядят как окаменелые остатки очень простых организмов, несколько напоминающих некоторые одноклеточные организмы, обитающие сегодня на Земле. Это имеет большое значение. Мы склонны предполагать, что в процессе эволюции многоклеточные существа развились из этих древних организмов, которые имели только одну клетку. Хотя некоторые обстоятельства здесь все еще спорны, первые организмы такого типа появились примерно 2 1/2 – 3 1/2 миллиарда лет назад. Возраст Земли примерно 4 1/2 миллиарда лет. После того как утих хаос ее первоначального формирования, наступил период длиною около миллиарда лет, в течение которого могла бы развиться жизнь на основе сложного химического состава земной поверхности, особенно в океанах, озерах и заводях. Мы совсем не располагаем ископаемыми останками того периода, потому что все еще не обнаружены сохранившиеся фрагменты осадочных пород того времени.
У нас есть только два способа подойти к этой проблеме. Мы можем попытаться смоделировать те древние условия в лаборатории. Поскольку жизнь – это, вероятно, счастливая случайность, которой даже для появления в расширенной лаборатории на поверхности планеты могло понадобиться много миллионов лет, то не слишком удивительно, что подобные исследования до сих пор далеко не продвинулись, хотя здесь есть и некоторые успехи. Кроме того, мы можем тщательно изучить все живые организмы, существующие сегодня. Так как все они произошли от какого-нибудь из тех первых простых организмов, то можно надеяться, что они все еще несут в себе некоторые следы тех самых древних живых существ.
На первый взгляд, подобная надежда представляется абсурдной. Неужели что-то может объединять лилию и жирафа? Неужели человек может иметь что-то общее с бактериями, живущими в его кишечнике? Циник мог бы заявить, что поскольку, так или иначе, все живые существа едят или их съедают, то это, по крайней мере, говорит о том, что у них есть нечто общее. Удивительно, но оказывается, что это действительно так. Единство биохимии намного глубже и полнее, чем предполагали всего лишь сто лет назад. Огромное разнообразие природы: человек, животные, растения, микроорганизмы, даже вирусы – на химическом уровне все создано по общему основному плану. Именно фантастическое совершенствование этого основного плана, развившееся в ходе естественного отбора за бесчисленные поколения, создает для нас трудности в нашей повседневной жизни при проникновении под его внешнюю форму и постижении единства изнутри. Несмотря на все различия, мы все пользуемся единым химическим языком, или, точнее, как мы увидим, двумя такими языками, близко связанными друг с другом.
Для понимания единства биохимии мы должны сначала уяснить в самых общих чертах, какие химические реакции происходят внутри организма. Живую клетку можно представить как довольно сложную, хорошо организованную химическую фабрику, которая принимает один набор органических молекул – свое питание, – расщепляет их при необходимости на более мелкие единицы, а затем вновь сортирует и соединяет эти более мелкие единицы, часто за несколько осторожных шагов, в целях создания многих других мелких молекул, некоторые из которых она выделяет, а другие использует для дальнейшего синтеза. В частности, она собирает особые наборы этих мелких молекул в длинные цепи, обычно без ответвлений, чтобы образовать жизненно важные макромолекулы клетки, три больших семейства гигантских молекул: нуклеиновые кислоты, белки и полисахариды.
Первый уровень организации, который мы должны рассмотреть, самый низший из всех, – это тот уровень, на котором атомы связываются один с другим для образования мелких молекул. Итак, один атом является довольно симметричным объектом. Его форма приближается к сферической, и если мы посмотрим на него в зеркало, то его зеркальное отражение окажется точно таким же, именно так выглядел бы и бильярдный шар. Более сложные структуры могут оказаться «разветвленными» – наши собственные руки отличный тому пример[3] 3
Здесь идет речь об оптической изомерии и оптической активности. За справкой можно обратиться к книге Н.Грин, У.Стаут, Д.Тейлор «Биология» (в 3 томах), М.: Мир, 1993 (т. I., с. 158), где сказано: «Оптическая изомерия – свойство любого соединения, которое может существовать в двух формах, относящихся друг к другу, как предмет к своему отражению. Подобно правой и левой перчаткам, эти структуры ни при каком перемещении в пространстве не могут совпасть друг с другом.» (Прим. пер.)
[Закрыть]. Если мы посмотрим на правую руку в зеркало, то увидим левую руку, и наоборот. Мы можем сложить обе наши руки, как в молитве, и кажется, что между ними мы держим зеркало. Способа, с помощью которого мы можем точно наложить одну руку на другую, даже мысленно, не существует.
У некоторых простых органических молекул, таких как спирт, «разветвленность» отсутствует; они и их зеркальные отображения одинаковы, так же, как кубок. Но большинству органических молекул это не свойственно. Сахар на обеденном столе, если взглянуть на него в зеркало, становится совершенно другим собранием атомов. Эта разница имеет значение не для всех типов химических реакций. Если бы мы нагрели такую молекулу и могли наблюдать, как увеличиваются молекулярные колебания до тех пор, пока не нарушится одна из связей, то увидели бы, что в случае, когда мы представили бы этот процесс в зеркальном изображении, относительные перемещения всех атомов оказались бы идентичными. Основные реакции в химии симметричны в условиях отражения с очень высокой степенью приближения. Разветвленность становится важной, только если две молекулы должны точно соответствовать друг другу. Мы можем увидеть это при изготовлении перчатки. Все детали перчатки: ткань, нить, даже пуговицы – каждая по отдельности, зеркально-симметричны, но их можно соединить двумя похожими, но различными способами, чтобы сшить перчатку как на правую руку, так и на левую. Очевидно, что нам нужны обе, потому что у нас две разные руки, хорошая перчатка на левую руку не подойдет на правую.
Простейшая форма асимметричной молекулы этого типа образуется, когда один атом углерода связан одинарными связями с четырьмя другими разными атомами или группами атомов. Это происходит потому, что все четыре связи атома углерода не лежат в одной и той же плоскости, а расположены с равными промежутками во всех трех измерениях и направлены приблизительно к вершинам правильного тетраэдра.
Распределение в пространстве четырех связей вокруг одного атома углерода.
Таким образом, органические молекулы (молекулы, содержащие атомы углерода) часто могут быть разветвленными, даже когда они могут оказаться мелкими, но нам нужно понять, какое значение все это имеет для клетки. Основная причина заключается в том, что биохимическая молекула не изолирована от других. Она вступает в реакцию с другими молекулами. Почти любая биологическая реакция ускоряется с помощью свойственного только ей особого катализатора. Мелкая молекула, для того чтобы прореагировать подобным образом, должна плотно прилегать к поверхности катализатора, и поскольку у мелкой молекулы есть вздутие, то оно должно быть и у катализатора. Как в случае с перчаткой, реакция не будет происходить должным образом, если мы попытаемся приспособить левостороннюю молекулу во впадину, соответствующую правосторонней.
Представьте, что в эту минуту вы можете наблюдать за работающей химической фабрикой и видеть все многочисленные происходящие там реакции, при этом молекулы быстро перемещаются с одного места на другое, приспосабливаясь к различным каталитическим молекулам, расщепляются, вновь образуются, группируются и вступают в реакцию еще самыми различными способами. Теперь представьте, что вы наблюдаете за фабрикой, являющейся точным зеркальным отражением первой. Все будет происходить как и раньше, так как в зеркальном мире законы химии те же самые. Трудности возникнут, только если вы попытаетесь объединить обе фабрики, смешивая при этом некоторые составные части одной системы с элементами зеркального мира.
Поэтому мы можем понять, почему в одном организме многие «разветвленные» асимметричные молекулы, крупные и мелкие, должны быть гармоничны. Более того, доказано экспериментально, что асимметричные молекулы с одной стороны вашего тела имеют точно такое же вздутие, что и молекулы с противоположной стороны. Но разве не могли бы существовать два различных типа организмов: один – зеркальное отображение другого, по крайней мере, в том, что касается их составляющих? Такого просто нет. В природе не существует двух различных царств, в одном из которых есть молекулы одного типа, а в другом – их зеркальное отображение. Глюкоза везде имеет одинаковое вздутие. Еще важнее, что мелкие молекулы, которые соединяются вместе для образования белка, аминокислоты, все являются L-аминокислотами (их зеркальные изображения называются D-аминокислоты: L = Levо, D = Dextro) 2, а все сахары в нуклеиновых кислотах также имеют одинаковое вздутие. Первый великий объединяющий принцип биохимии заключается в том, что все основные молекулы во всех организмах имеют одинаковое вздутие.
2 В указанной выше книге далее сказано, что правовращающие соединения обозначают буквой D, а левовращающие – буквой L. И затем: «Два изомера глицеральдегида обозначают как D-изомер (правовращающий)и L-изомер (левовращающий)». – Прим. пер..
Две разновидности аминокислотного аланина. Каждая является зеркальным отображением другой. На рисунках вверху показаны пространственные модели; внизу – модели строения молекулы. Буквами обозначены атомы. Разновидность аланина, обнаруженная в белке, – L-аланин, на рисунке слева.
Есть много других биохимических особенностей, которые необыкновенно похожи во всех клетках. Фактически существующие метаболические пути (точные пути, по которым одна мелкая молекула преобразуется в другую) часто удивительно похожи, хотя не всегда одинаковы. Поэтому существует несколько структурных особенностей, но единообразие еще поразительнее на глубочайших уровнях организации; поразительнее, потому что оно является одновременно произвольным и законченным.
Многое в структуре и механизме обмена веществ клетки основано на одном семействе молекул, белках. Молекула белка – это макромолекула, насчитывающая до тысяч атомов. Каждый белок организован определенным образом, каждый атом находится на своем месте. Каждый вид белка образует сложную трехмерную структуру, не похожую на другие, которая позволяет ему выполнять каталитическую или структурную функцию. Эта трехмерная структура образована путем свертывания лежащей в ее основе одномерной структуры, которая сложена из одной или более так называемых полипептидных цепей. Последовательность атомов вдоль этого остова образует структуру из шести атомов, повторяющуюся снова и снова. Разнообразие обеспечивают очень небольшие боковые цепочки, которые отходят от остова, по одной при каждом повторе. У типичного остова их насчитывается несколько сотен.
Неудивительно, что синтетический механизм клетки создает из этих полипептидных цепей, связывая их друг с другом непрерывной веревочкой, особый набор мелких молекул, аминокислоты. С одного конца они все похожи (на участке, который образует повторяющийся остов), но отличаются с другого конца (на том участке, который образует малые боковые цепочки). Удивительно то, что при создании белка используется лишь двадцать их разновидностей, и этот набор из двадцати видов постоянен повсюду в природе. Кроме того, ведь существуют еще другие виды аминокислот, и некоторые из них можно найти в клетке. Тем не менее, для создания белка используется только этот определенный набор из двадцати видов.
Белок похож на абзац, написанный на языке с двадцатибуквенным алфавитом, конкретная природа белка при этом определяется конкретным порядком букв. За одним тривиальным исключением – этот шрифт никогда не меняется. Животные, растения, микроорганизмы и вирусы – все пользуются одним и тем же набором букв, хотя, насколько мы можем судить, можно было бы легко воспользоваться другими похожими буквами, точно так же, как при создании нашего собственного алфавита можно было бы использовать другие символы. Выбор некоторых из этих химических букв очевиден, поскольку они очень мелкие и легко Доступны. Выбор других не столь очевиден. Если бы в каждом напечатанном в мире тексте использовался один и тот же произвольный набор букв (что, как мы знаем, далеко не так), то мы бы сделали обоснованный вывод, что этот вполне разработанный шрифт, вероятно, возник в одном конкретном месте и переходил дальше в процессе постоянного копирования. Трудно не прийти к такому же заключению в отношении аминокислот. Набор из двадцати видов до того универсален, что его выбор, по-видимому, относится к самому началу появления всех живых существ.
Атомистическая модель малого белка, ферментной рибонуклеазы S. Темные атомы образуют часть активного участка фермента. Обычно белок полностью окружен молекулами воды.
Природа пользуется еще одним, совершенно отличным химическим языком, который также довольно единообразен. Генетическую информацию любого организма содержит в себе одно из двух близко связанных семейств гигантских цепочечных молекул, нуклеиновых кислот ДНК и РНК, подробнее описанных в главе 5. Каждая молекула имеет безмерно длинный остов с регулярной, повторяющейся структурой. И снова боковая группа присоединена через равные промежутки, но в этом случае существует только четыре типа; у генетического языка только четыре буквы. Длина типичного малого вируса, такого как вирус полиомиелита, около пяти тысяч букв. Генетическое сообщение в клетке бактерии обычно насчитывает несколько миллионов букв; а у человека – несколько миллиардов, упакованных в центре каждой из наших многочисленных клеток.
