Текст книги "Поиски жизни в Солнечной системе"
Автор книги: Норман Х. Хоровиц
Жанры:
Биология
,сообщить о нарушении
Текущая страница: 1 (всего у книги 12 страниц)
Annotation
Как зародилась жизнь на Земле? Существует ли она на других планетах Солнечной системы или еще где-нибудь во Вселенной? Этим вопросам, издавна волновавшим человека, посвящена книга известного американского ученого Нормана Хоровица, крупного экзобиолога, одного из научных руководителей программы "Викинг", целью которой был поиск следов жизни на Марсе.
Адресована читателям, интересующимся достижениями современной науки, желающим глубже понять окружающий нас мир.
Норман Х. Хоровиц
Предисловие редактора перевода
Предисловие автора к русскому изданию
Вступление
Глава 1. Что такое жизнь?
Глава 2. Возникновение жизни: самозарождение и панспермия
Глава 3. Происхождение жизни: химическая эволюция
Глава 4. Есть ли жизнь на других планетах?
Глава 5. Марс: мифы и реальность
Глава 6. Полет "Викингов": вода, жизнь и марсианская пустыня
Глава 7. Полет "Викингов": где же марсиане?
Глава 8. Жизнь в Солнечной системе
Словарь терминов
notes
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
Норман Х. Хоровиц
Поиски жизни в Солнечной системе
Предисловие редактора перевода
Современная наука располагает богатым материалом о физико-химической основе жизни, о путях, которые могли несколько миллиардов лет назад привести к возникновению примитивных организмов. В то же время нельзя забывать, что мы судим о принципах структурной и функциональной организации живых существ в общем-то на основании одной модели: хорошо известного нам земного варианта жизни. Несмотря на огромное разнообразие видов, населяющих Землю, все они основаны на "углеродной биохимии". Обмен веществ всех земных организмов – от простейших до человека – катализируют белки-ферменты, состоящие из одних и тех же двадцати аминокислот: универсальны принципы хранения и передачи наследственной информации и механизм биосинтеза белка; существует глубокое сходство в работе мембранных энергопреобразующих систем различных организмов. Единственна ли такая "углеродная модель" или где-нибудь вне Земли, возможно, существуют иные формы жизни? Обнаружение таких форм имело бы огромное значение для понимания принципов организации живой материи. Вместе с тем открытие инопланетных организмов, принципиально не отличающихся от земных, скажем, своим генетическим кодом, в корне изменило бы наши представления о месте и характере процессов, приведших к возникновению и распространению жизни во Вселенной.
Сегодня наука рассматривает проблему существования внеземной жизни в очень широком плане; обсуждаются даже возможности установления связи с гипотетическими цивилизациями иных звездных миров. Однако первоочередной и наиболее важной задачей ныне стало исследование вопроса об обитаемости планет Солнечной системы. Если не считать наивных с сегодняшней точки зрения суждений о присутствии живых существ на планетах и даже на Солнце (высказывавшихся в прошлом после признания гелиоцентрической системы Коперника), то можно утверждать, что действительно научный интерес к проблеме жизни на планетах Солнечной системы пробудился лишь на рубеже нашего столетия. Развитие астрономии и биологии достигло к тому времени такого уровня, что стало возможным реально оценить круг небесных тел, где наличие жизни практически исключено, и выделить наиболее вероятных "претендентов" – ближайшие к Земле планеты, прежде всего Марс.
Наблюдения с Земли не позволяли сколько-нибудь достоверно судить не только о присутствии на этой планете живых организмов, но и просто о реально существующих там климатических условиях. А различные косвенные данные, полученные в ходе наблюдений, подогревали фантазию и заставляли строить увлекательные, но, как мы теперь знаем, фантастические гипотезы. Сейчас даже трудно сказать, на что эти гипотезы повлияли больше – на научное мышление или на художественное творчество. Во всяком случае, именно под их влиянием появились такие произведения, как "Война миров" Г. Уэллса, "Аэлита" А. Толстого. "Марсианские хроники" Р. Брэдбери. Среди исследователей проблемы были энтузиасты, например американский астроном П. Ловелл или советский ученый Г. А. Тихов, были и скептики. Однако читатели старшего поколения, наверное, помнят, что в 40-50-х годах в научно-популярной литературе широко обсуждалась перспектива обнаружить на Марсе если не марсиан или леса тянь-шаньских елей, то уж во всяком случае лишайники, что в общем отражало и взгляды специалистов.
Ситуация изменилась коренным образом в 1957 г. Запуск в СССР первого спутника ознаменовал выход человечества в космическое пространство, и вопрос о возможной встрече с внеземной жизнью перешел в разряд реальных. Прежде всего появилась техническая возможность прямого исследования планет и других объектов Солнечной системы. Помимо чисто фундаментальной, общебиологической стороны проблемы существенным был признан и ее другой аспект: контакт человека с ранее неизвестными видами патогенных микроорганизмов и перенос их на Землю могли представлять серьезную угрозу. Поэтому поиск внеземной жизни стал практической задачей космических исследований.
При этом чрезвычайно важно было определить пределы поиска, т. е. свести довольно расплывчатую проблему к конкретному кругу вопросов, на которые можно получить убедительный ответ с помощью современной аппаратуры.
Потребовалась своеобразная инвентаризация, а в чем-то и ревизия существующих представлений о природе жизни и физико-химических пределах ее распространения. Но главное, была необходима широкая мировоззренческая концепция, позволяющая осмыслить феномен жизни в плане общей эволюции материи во Вселенной.
Такой концептуальной основой для экзобиологического обследования планет и других космических объектов стали представления, разработанные еще в 30-х годах нашим выдающимся соотечественником академиком А. И. Опариным. Согласно его взглядам, возникновение жизни неразрывно связано с химической эволюцией соединений углерода, происходящей как на Земле, так и в космическом пространстве. Подчас приходится слышать, что при всей философской ценности теоретических воззрений А. И. Опарина они чрезвычайно далеки от практики. Опыт становления экзобиологических исследований свидетельствует об обратном. Именно с началом космической эры пробудился широкий научный интерес к проблеме происхождения жизни. По-видимому, это не просто совпадение, что в 1957 г., незадолго до запуска первого в мире искусственного космического тела, в нашей стране состоялся и первый Международный симпозиум по проблеме происхождения жизни, т. е. проблема из чисто умозрительных построений энтузиастов-одиночек превратилась в активно разрабатываемую отрасль экспериментальной науки.
Среди участников исторического московскою симпозиума был и американский ученый Норман Хоровиц, книгу которого мы представляем вниманию советского читателя. Его имя хорошо известно биологам разных специальностей. Еще в 40-х годах, начав работать в области генетики микроорганизмов (результаты этих исследований легли в основу современной молекулярной генетики), он первым попытался использовать генетико-биохимические подходы для анализа процесса эволюционного становления жизни. Позднее, в 60-70-х годах, возглавив биологический отдел Лаборатории реактивного движения, Н. Хоровиц участвовал в разработке и осуществлении программы "Викинг", основной задачей которой был поиск следов жизни на Марсе. О результатах этих исследований и их значении в общем контексте проблемы происхождения жизни и ее распространения в Солнечной системе он и рассказывает в своей книге.
Эксперименты, проведенные на поверхности Марса с помощью научной аппаратуры "Викингов", интересны не только с чисто технической точки зрения, т. е. как измерение определенных запланированных ранее параметров, имеющих отношение к жизнедеятельности возможных обитателей Марса. Любопытен и другой аспект исследований. Любой ученый мечтает об эксперименте, дающем однозначный и четкий ответ на поставленный вопрос. Вместе с тем, по крайней мере в биологических исследованиях, приходится сталкиваться и с результатами, допускающими неоднозначную трактовку. ("Теория должна быть разумной, а факты не всегда таковы", – это высказывание видного американского генетика Дж. Бидла автор взял в качестве эпиграфа к одной из глав книги.) И дело здесь не в каком-то дефекте методик измерения, а в том, что наша исходная информация об изучаемом объекте не всегда достаточна для того, чтобы однозначно и четко спланировать эксперимент.
С подобной ситуацией ученым пришлось столкнуться и при анализе результатов измерений, проведенных приборами "Викингов" на "красной планете". Три эксперимента были нацелены на выявление продуктов обмена веществ возможной микрофлоры Марса: газообмен, выделение радиоактивной метки и выделение продуктов пиролиза. Если бы спускаемые аппараты "Викингов" не были укомплектованы еще и высокочувствительным газовым хроматографом в комбинации с масс-спектрометром для обнаружения органических соединений в грунте, то на основании результатов трех названных ранее экспериментов, мы, возможно, склонились бы к мысли, что Марс обитаем. Однако отсутствие органических соединений в образцах грунта сыграло решающую роль и заставило ученых искать объяснение полученных результатов не в метаболизме мифических обитателей Марса, а в своеобразных химических свойствах неорганических компонентов поверхности планеты.
Так можно ли считать вопрос о жизни на Марсе окончательно и бесповоротно решенным? Расстаться с полными своеобразного очарования иллюзиями об обитаемом Марсе, конечно, нелегко. Закрадывается мысль, что получить исчерпывающий ответ на этот вопрос можно лишь при непосредственном исследовании планеты космонавтами, высадившимися на ее поверхности, или хотя бы при лабораторном анализе образцов грунта, доставленных в наземную лабораторию. Высказываются предположения (подчас не имеющие убедительных экспериментальных оснований), что под грунтом Марса могут существовать огромные массы жидкой воды и обитать живые организмы. Иными словами, нужно еще попробовать, еще постараться, и тогда…
Но, строго говоря, вся совокупность данных современной науки не дает основания верить в существование марсианской биосферы. Читатель убедится в этом, ознакомившись с книгой Н. Хоровица, где дан подробный, логичный, но вместе с тем понятный для неспециалиста анализ научных представлений об адаптационных возможностях земных организмов и реальных условиях, существующих на поверхности Марса. Тем не менее экзобиологические исследования этой планеты нельзя считать завершенными. Теперь их целью должен быть не поиск ныне живущих организмов, а выяснение вопроса о существовании там жизни в более ранние эпохи, когда на поверхности планеты присутствовала жидкая вода. На повестку дня встают палеобиологические, особенно микропалеобиологические, исследования Марса, что, по-видимому, станет возможным лишь при непосредственном изучении исследователями образцов грунта. Время покажет, будут ли эти образцы отбираться автоматическими станциями и доставляться на Землю или их соберут и исследуют космонавты в ходе пилотируемых экспедиций. В любом случае научно-инженерное и технологическое обеспечение таких исследований потребует огромных материальных средств и, быть может, совместных действий ученых различных стран мира. И тогда, возможно, образцы марсианского грунта лягут на лабораторные столы исследователей-землян.
Книга Н. Хоровица побуждает нас еще раз задуматься об уникальности Земли как планеты жизни и необходимости объединить свои усилия во имя ее сохранения. Хочется надеяться, что умная, увлекательная книга американского ученого будет с интересом встречена советскими читателями.
М. С. Крицкий
Предисловие автора к русскому изданию
Запуск в 1957 г. первого искусственного спутника Земли (советский "Спутник-1") возвестил наступление космической эры. Наблюдая холодными октябрьскими вечерами за движением в небе маленького космического корабля, люди стали осознавать, что человечество находится на пороге новой эпохи исследований. Отныне мы не были привязаны к Земле силой гравитации, перед нами открывалась возможность посетить другие миры Солнечной системы: сначала Луну, затем планеты. Что же должен был сделать человек, высадившись в иных мирах? Ответ не вызывал сомнений: прежде всего выяснить, существует ли там жизнь.
Эта книга написана почти 30 лет спустя после полета первого спутника. Ее цель – рассказать о том, что известно сегодня о жизни на других планетах Солнечной системы. Но прежде, чем отправиться на эти планеты, следует задать себе несколько фундаментальных вопросов, касающихся природы жизни, ее химических основ и происхождения. Лишь разобравшись в них, можно судить о возможности жизни в иных мирах. Как мы узнаем из книги, к 1971 г. ученым стало ясно, что только на Марсе можно было с некоторой вероятностью ожидать наличия жизни.
Итак, поиски сосредоточились на Марсе, загадочном Марсе, планете, породившей бесчисленные романтические сказки и не менее фантастические наблюдения многих ученых. Аппараты "Викинг", выведенные на орбиту вокруг Марса и совершившие в 1976 г. посадку на его поверхность, не обнаружили там ни самой жизни, ни условий благоприятных для ее существования. На равнинах Хриса и Утопия угасла давняя мечта человечества: мы оказались одиноки в Солнечной системе.
Ученым предстоит еще проделать огромную работу по исследованию Марса. Остается, например, неясным, существовала ли там жизнь в прошлом, когда на поверхности планеты была вода. Удастся ли в глубине марсианской коры обнаружить останки микроорганизмов или органические вещества? И этим не исчерпываются все вопросы. Тем не менее первые исследования, о которых рассказывается в книге, особенно интересны. Причем не только потому, что они дали четкий ответ на очень старый вопрос. В них, как никогда ибо в Солнечной системе нет другого тела, подобного Марсу, переплелись жажда научного поиска, технические достижения и общественный энтузиазм.
В свежей книге я попытался языком, доступным широкой аудитории, поведать о событиях, непосредственным участником которых являлся. Я чрезвычайно рад возможности лично представить книгу советскому читателю и глубоко признателен за это издательству "Мир".
Июль 1987 г.
Норман X. Хоровиц
Посвящается Перл.
Критик и болельщица, стилист, редактор,
вдохновитель – она сделала бы это лучше
Вступление
Проведенные в 1960-1970-х годах исследования планеты Марс, кульминацией которых явилась посадка (1976) на поверхность планеты двух космических аппаратов "Викинг" с приборами на борту, воплотили давнюю мечту человеческой цивилизации. Поскольку эти исследования дали отрицательный ответ на самый волнующий вопрос относительно жизни на Марсе, многие люди склонны рассматривать полученные результаты как бесспорную неудачу. В действительности же это блестящий успех. Серия прекрасно спланированных и проведенных космических полетов за десятилетие превратила Марс из загадочной планеты с долгой романтической судьбой в один из наиболее изученных объектов Солнечной системы. Для ученого, которому довелось участвовать в осуществлении "марсианской программы", она была и остается выдающимся научным предприятием, как и любое другое первое исследование нового, неведомого мира. По широте научных интересов, необычайной сложности приборов, размаху и многообразию (а также эффективности) организационной структуры, волнениям как участников, так и наблюдателей, по своей исторической значимости исследование Марса заняло уникальное место в истории науки нашего времени.
Отсутствие следов жизни в местах посадки обоих аппаратов "Викинг" и данные, неоспоримо свидетельствующие, что все другие районы Марса столь же безжизненны, достаточно убедительно говорят о том, что жизнь в пределах Солнечной системы существует лишь на Земле. Это заключение вызывает непреходящий интерес. Все, кто внимательно следил за ходом исследований Марса, начавшихся в 1965 г. с полета аппарата "Маринер-4", не были удивлены таким концом. Однако у многих, особенно у людей, далеких от науки, это вызвало такое разочарование, с которым они до сих пор не могут примириться.
Представление об обитаемости Марса занимает особое место в нашем восприятии действительности, оно оказало сильное влияние на весь ход и методы исследования планеты. Этим объясняется тот примечательный факт, что вся серия полетов, связанных с изучением Марса, была завершена всего за 20 лет – начиная с запуска первого советского спутника ("Спутник-1", октябрь 1957 г.), открывшего космическую эру. Предположение, что Марс – это просто "вариант" Земли, но только с более суровыми условиями, которое бытовало, несмотря на обилие фактов, свидетельствовавших в пользу иной точки зрения, заметно повлияло на выбор программы биологических экспериментов, проведенных аппаратами "Викинг". Подобные взгляды нашли свое отражение и в международном соглашении о необходимости строгой стерилизации всех космических аппаратов, предназначенных для исследования этой планеты. Укоренившиеся представления о Марсе оказались столь сильными, что подействовали даже на обычно здравые суждения ученых. Об этом свидетельствуют, в частности, те полуфантастические идеи, которые были в ходу еще совсем недавно. Их проверка и последующее уточнение (главным образом в период 1965–1976 гг.) представляют собой выдающуюся главу в истории современной науки.
Моя книга – это своеобразный отчет о тех событиях, увиденных глазами одного из участников, который, хочу надеяться, будет понятен и интересен неспециалистам. Ничего подобного марсианскому проекту с его уникальной смесью фантастики, научных устремлений, технических возможностей и всеобщего энтузиазма не предвидится в ближайшем будущем хотя бы потому, что в Солнечной системе нет другого столь же привлекательного объекта, как старый Марс. Я попытался также объяснить непосвященному читателю научные основы поиска внеземных форм жизни и условия, необходимые для существования жизни, связав все это с выбором Марса как единственно подходящего объекта для таких исследований. Я надеюсь также доказать, почему эти исследования теперь можно считать завершенными.
Мне хотелось бы сердечно поблагодарить моих коллег за важные замечания, сделанные к различным главам рукописи; в этой работе принимали участие Элизабет Бертэни, Дж. Б. Фамер, Джесси Гринстейн, Дэвид Хоровиц, Джерри Хаббард, Эндрю Ингерсолл, Роберт Лейтон, Линн Маргулис, Стенли Миллер, Брус Мюррей, Лесли Оргел, Маартин Шмидт и ныне покойный Ральф Робин. Кроме того, в изложении некоторых вопросов мне оказали помощь Бентон Кларк, Джон Эдмонд, Клиффорд Моран, Конуэй Снайдер, Дэвид Стивенсон, Стивен Вогель и Юк Янг. И я глубоко признателен всем моим друзьям. Однако никто из них ни в коей мере не несет ответственность за какие-либо упущения книги все изложенные в ней взгляды отражают только мою точку зрения.
Я особенно благодарен Харди Мартелю, который помог мне ярче выразить внутренний "настрой", присущий моему повествованию. Я признателен Джениджой Ла Белле, обратившей мое внимание на стихотворение Теодора Ретке, строки которого взяты эпиграфом к гл. 2, а также Шерил Коппер – за умелое редактирование и Джерри Ван-дер-Вуду за помощь в подготовке иллюстраций.
Н. Хоровиц
Глава 1. Что такое жизнь?
Не так уж много времени прошло с тех пор,
как генетика и биохимия стали самостоятельными науками,
каждая из которых… пытается подобрать ключ к феномену жизни.
Биохимики обнаружили ферменты, а генетики – гены.
Уильям Хеш, «Генетика бактерий и бактериофагов» (1968)
Год 1958. Эпоха бурного развития космических исследований, и вам предложили принять участие в подготовке исследований по обнаружению жизни на Марсе. Предложение принято (разве откажешься?) – и вскоре вы замечаете, что поглощены мыслями о том, как искать жизнь в другом мире. Как опознать живые объекты другой планеты? Что мы имеем в виду, когда называем что-либо «живым»? Впрочем, подобные вопросы занимали философов еще со времен Аристотеля.
Обычно не трудно решить, живой объект перед нами или нет. Мы связываем "состояние жизни" с определенным внешним видом и поведением, а отсутствие таковых, как правило, приводит к совершенно справедливому заключению, что данный объект не является живым. В особо интересных или важных случаях, например когда нужно установить, живы или нет семена, найденные в древнеегипетских гробницах, или наступила ли смерть данного человека, используются определенные тесты. Но пригодны ли подобные критерии для обнаружения жизни на Марсе? По-видимому, нет. Наша концепция "живого" должна быть достаточно широкой, чтобы мы могли распознать жизнь в любом ее проявлении и с достаточной точностью и вместе с тем не обнаружить ее там, где она отсутствует. Для этого нужно глубоко проникнуть в сущность природы живой материи, как это и делает современная биология.
Жизнь и генетический механизм
Живые системы отличаются от неживых двумя важными особенностями. Прежде всего, даже самый простой организм по своему составу и строению гораздо сложнее любого сравнимого с ним по размеру объекта неживой природы. Мы до сих пор еще не знаем полностью, какова структурная организация живой клетки, ибо обнаруживаются все новые ее компоненты – и конца этому не видно. Следует помнить, что при этом не принимается во внимание сложность организации многоклеточных организмов, где огромные популяции клеток, специализированных на выполнении определенных функций, должны взаимодействовать по согласованной и взаимовыгодной программе. Данное обстоятельство влечет за собой вторую отличительную особенность живых организмов: оказывается, структура и организация клетки, по-видимому, обусловлены ее предназначением, конечной целью которого является выживание организма. В прошлом эти уникальные свойства живых организмов привели к убеждению, что они обладают некой «жизненной силой» – таинственным, нефизическим началом, которым обусловлены особенности, отделяющие живой мир от неживого непроходимой пропастью. Сейчас подобные рассуждения кажутся нелепыми. Мы знаем, что живая материя по своему химическому составу принципиально не отличается от неживой: живые существа состоят из тех же атомов и молекул и ничего более в себе не заключают. Что отличает их от всего остального мира, так это способ, которым их атомы и молекулы соединены друг с другом. Таким образом, жизнь есть проявление определенных комбинаций молекул.
На нашей планете, как известно, основные жизненные процессы обеспечиваются молекулами только двух типов: белками и нуклеиновыми кислотами. Белки образуют ферменты – высокоэффективные катализаторы [1], способствующие протеканию в живых системах самых разнообразных химических реакций. Те или иные химические изменения и характеризуют всю жизнедеятельность живых существ; усвоение пищи, образование новых клеток и клеточных компонентов, сокращение мышц и передача нервных импульсов – вот лишь несколько функций, при осуществлении которых происходит химическое превращение молекул одного типа в другой. Эти и множество других специфических реакций, происходящих в организме, «отбираются» и возбуждаются при непосредственном участии ферментов; последние, таким образом, определяют направление и выход конечного продукта всего сложного комплекса процессов, называемого обменом веществ, или метаболизмом, который характерен только для живого организма.
Живые клетки синтезируют белки, которые обладают и другими функциями. К неферментативным белкам относятся гемоглобин, инсулин, различные антитела. Наиболее распространенным белком, синтезируемым в организме млекопитающих, является коллаген – своего рода строительный материал для костей, кожи или зубов.
Нуклеиновые кислоты выполняют совершенно иную функцию. Они образуют гены – носители всех видов генетической (наследственной) информации. Имеются два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК), и обе они обнаружены во всех клетках. Несмотря на большое сходство в их химическом строении, во всех известных нам организмах (за исключением некоторых вирусов) генетическую функцию несет ДНК. Генетическая информация, по-видимому, целиком связана с синтезом белковых молекул: их химическим строением, временем и скоростью синтеза.
Как нуклеиновые кислоты, так и белки образованы очень большими молекулами, состоящими из линейно расположенных маленьких субъединиц – "строительных блоков". У нуклеиновых кислот эти строительные блоки называются нуклеотидами. Четыре различных типа нуклеотидов составляют молекулы ДНК и РНК (их строение показано на рис. 1). Генетическая информация кодируется последовательностью нуклеотидов, так же, как информация, содержащаяся в напечатанной странице, кодируется последовательностью букв. Строительными блоками белков являются аминокислоты. В природе их существует великое множество, но только 20 одни и те же 20 аминокислот во всех известных видах – используются при образовании белков (строение аминокислот показано на рис. 2).
Рис. 1. Четыре нуклеотида ДНК и РНК, объединенные вместе, образуют короткий сегмент нуклеиновой кислоты. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания (их названия и обозначения указаны на рисунке), присоединенного к пятиуглеродному сахару (рибозе у РНК и дезоксирибозе у ДНК), который в свою очередь связан с молекулой фосфорной кислоты. Фосфорная кислота связывает нуклеотиды в цепях нуклеиновых кислот
Рис. 2. Белковые аминокислоты
Важной характеристикой аминокислот является оптическая изомерия. Все они (за исключением самой простой – глицина) могут существовать в двух формах, которые отличаются одна от другой так же, как левая рука отличается от правой, т. е. являются зеркальным отражением друг друга (рис. 3). Два оптических изомера идентичны по своим химическим свойствам, но поскольку их невозможно совместить (перчатку с правой руки нельзя надеть на левую), они не могут заменять друг друга при построении белковых молекул или каких-либо иных трехмерных родственных структур. Интересно, что аминокислоты всех известных белков относятся к левовращающим, L(levo), изомерам. В принципе в каком-то ином живом мире все аминокислоты могли бы быть и правовращающими, или D(dextro), изомерами, и этот мир функционировал бы так же, как и земной. Тот факт, что в нашем мире L-аминокислоты оказались предпочтительнее, чем D, вероятно, следует рассматривать как историческую случайность. На какой-то другой планете, где аминокислоты также играли бы определенную роль в биохимии организмов, с равной вероятностью возможны как L-, так и D-формы.
Рис. 3, Оптическая изомерия возникает в случае, если четыре различных радикала связаны с одним и тем же атомом углерода. Как видно из рисунка, образовавшиеся при этом две трехмерные (пространственные) структуры, зеркальные изображения друг друга (D, dextro и L, levo), не совмещаются. В белковые аминокислоты входят следующие радикалы, связанные с центральным атомом углерода: 1 – СООН; 2 – Н; 3 – NH 2; 4 – любой из 20 различных боковых радикалов. Белковые аминокислоты имеют L-конфигурацию за исключением глицина, самой простой аминокислоты, у которой боковым радикалом является Н и зеркальные изображения неразличимы. (Данная схема иллюстрирует лишь возможность пространственного расположения атомных группировок вокруг углерода, а не реальные относительные размеры атомов и радикалов.)
Типичная молекула белка образована одной или несколькими цепочками, называемыми полипептидами, каждая из которых в свою очередь состоит из нескольких сотен соединенных друг с другом аминокислот. Обычно все их 20 типов представлены в каждой такой цепочке (рис. 4). Цепочки свернуты в сложные трехмерные структуры, или конформации, нередко напоминающие спутанный клубок ниток. Особые свойства белковых молекул – как ферментов, так и неферментов – зависят от их конформации. Когда конформация нарушена (в результате процесса, называемого денатурацией), белок перестает функционировать, даже если его аминокислотные цепочки остаются неповрежденными. При соответствующих условиях денатурированные белки могут самопроизвольно ренатурировать – при этом их функции восстанавливаются. Подобное восстановление свидетельствует о том, что трехмерная конфигурация молекулы определяется только последовательностью аминокислот, которая, как известно, кодируется генами.
Рис. 4. Объединенные в цепочки аминокислоты образуют белки. На рисунке показан сегмент, содержащий (слева направо): глицин, аланин, метионин и аспарагин
Правила, которые определяют последовательность аминокислот, просты, но доказательство их существования по праву считается одним из величайших достижений биологии XX в. Говоря кратко, последовательность аминокислот, характеризующая ту или иную полипептидную цепь, определяется отдельным геном, и этот ген не выполняет более никаких других функций. Белок, состоящий из одной цепи (или нескольких, но идентичных по последовательности), кодируется единственным геном: белок, состоящий из двух цепей, отличающихся по структуре, кодируется двумя различными генами и т. д. Кодирование осуществляется следующим образом: каждой аминокислоте соответствует комбинация трех нуклеотидов из четырех типов, составляющих ДНК. Из четырех различных нуклеотидов можно составить 64 комбинации по три нуклеотида: ААА, ААГ, АГА и т. д…
Эти буквы соответствуют азотистым основаниям нуклеиновых кислот, изображенным на рис. 1. Каждый триплет кодирует одну аминокислоту, за исключением трех бессмысленных ("нонсенс") триплетов, которые обозначают окончание считывания кода. Таким образом, 20 аминокислотам соответствует 61 триплет, и следовательно, в генетическом коде большинству аминокислот соответствует два или три триплета (см. табл. 1).
Таблица 1. Генетический код
Аминокислота Триплеты оснований
Глицин
ГГТ, ГГЦ, ГГА, ГГГ
Аланин
ГЦТ, ГЦЦ, ГЦА, ГЦГ
Валин
ГТТ, ГТЦ, ГТА, ГТГ
Лейцин
ТТА, ТТГ, ЦТТ, ЦТЦ, ЦТА, ЦТГ
Изолейцин
АТТ, АТЦ, АТА
Серин
ТЦТ, ТЦЦ, ТЦА, ТЦГ, АГТ, АГЦ
Треонин
АЦТ, АЦЦ, АЦА, АЦГ
Аспарагиновая кислота
ГАТ, ГАЦ
Глутаминовая кислота
ГАА, ГАГ
Лизин
ААА, ААГ
Аргинин
ЦГТ, ЦГЦ, ЦГА, ЦГГ, АГА, АГГ
Аспарагин
ААТ, ААЦ
Глутамин
ЦАА, ЦАГ
Цистеин
ТГТ, ТГЦ
Метионин
АТГ
Фенилаланин
ТТТ, ТТЦ
Тирозин
ТАТ, ТАЦ
Триптофан
ТГГ
Гистидин
ЦАТ, ЦАЦ
Пролин
ЦЦТ, ЦЦЦ, ЦЦА, ЦЦГ
«Нонсенс» (бессмысленные колоны)
ТАА, ТАГ, ТГА
Итак, генетическая информация каждого организма состоит из закодированной в его ДНК комбинации программ, которые и управляют синтезом большого числа ферментов и других белковых молекул. Этим основным положением обусловлены все другие особенности жизнедеятельности организма: его развитие, структура, тип обмена веществ и поведение, так как все они генетически предопределены. Таким образом, нуклеиновые кислоты и белки образуют сцепленную, взаимозависимую систему: синтез молекул обоих типов зависит от активности множества ферментов, для синтеза которых необходима информация, содержащаяся в ДНК. Именно в такой самоподдерживающейся генетической системе и закодированы все уникальные свойства живой материи.
