Текст книги "Беседы о жизни"
Автор книги: Станислав Галактионов
Соавторы: Григорий Никифорович
сообщить о нарушении
Текущая страница: 12 (всего у книги 13 страниц)
Объяснение подобному явлению следует, по-видимому, искать в своеобразной «ошибке» процесса репликации, происшедшей в прошлом (и, судя по различию в аминокислотных последовательностях, в довольно отдаленном прошлом). Участок ДНК, несущий информацию об аминокислотной последовательности некоего предкового, «ископаемого» глобина, оказался в матричной копии сдублированным дважды, и каждая из двух последовательностей после этого формировалась в процессе дальнейшей эволюции отдельно.
Вообще говоря, последовательность этого типа дублировалась в геноме млекопитающих не один и даже не два раза, судя по наличию обладающих особыми функциями цепей гемоглобина – так называемых γ– и δ-цепей, а также уже упоминавшейся молекулы миоглобина (как мы помним, ее пространственная структура весьма сходна со структурой субъединиц, составляющих молекулу гемоглобина). Этот эффект, называемый дупликацией гена, был известен генетикам еще в «домолекулярную» эпоху, однако выяснение его роли в эволюционном процессе следует целиком «записать на счет» молекулярной биологии.
Описанный пример свидетельствует о том, что точечные мутации являются вовсе не единственным способом осуществления эволюционного процесса. Наоборот, помимо дупликации гена, эволюция может идти за счет многих других хитроумных, хотя и редких по сравнению с точечными мутациями, но крайне важных явлений.
Назовем прежде всего выпадения части последовательности генетического материала, так называемые делеции. Механизм их возникновения можно представить себе следующим образом: молекула ДНК, с которой в процессе репликации снимается комплементарная копия, изогнулась в какой-то части с образованием петли, скажем, так, как рисуют траекторию самолета на схемах, поясняющих, что такое «мертвая петля». В результате часть генетического «текста» оказывается пропущенной. При сравнении аминокислотных последовательностей белков, состоящих в сравнительно близком «родстве», такие выпавшие участки обнаруживаются очень легко.
Рассмотрим вкратце еще один эффект, влияющий на формирование аминокислотных последовательностей белков, – кроссинговер при аберрантной конъюгации. Использование здесь этих мудреных слов следует понимать всего лишь как авторскую шутку, желание немножко припугнуть читателя, до сих пор тщательно оберегаемого от всяких научных терминов. Мы обойдемся без объяснения точного смысла каждого из этих устрашающих понятий, а попросту рассмотрим пример названного эффекта – аномальный гемоглобин Лепоре.
В отличие от названий аномальных гемоглобинов, возникших в результате точечной мутации, название гемоглобина Лепоре не происходит от географической местности – это просто фамилия семьи, в которой он был впервые обнаружен.
Аномалия типа Лепоре отличается от только что рассмотренных. Состоит она в следующем: в нормальном организме среди прочих типов цепей гемоглобина встречаются уже упоминавшиеся выше β– и δ-цепи. Они имеют одинаковую длину – 146 остатков и очень близки по аминокислотной последовательности; различия касаются лишь 10 положений. Так вот: у лиц с аномалией типа Лепоре есть только одна цепь такой длины. Ее структуру легко может себе представить всякий, кто хотя бы однажды видел кентавра или русалку: начальная часть этой молекулы имеет последовательность β-цепи, конец – последовательность δ-цепи. Хорошо изучены два случая аномалий подобного типа: Нв Лепоре Вашингтони Нв Лепоре Голландия. Различие между ними заключается в том, что у первого β-последовательность сменяется δ-последовательностью на участке между 22-м и 55-м остатком, у второго – между 87-м и 116-м остатком. Столь приблизительное определение этой границы объясняется просто: на участках 23―54 и 86―115 аминокислотные последовательности обеих цепей совпадают.
Вот и все (или, по крайней мере, все основные) «методы» и «приемы» эволюционного процесса на молекулярном уровне. И пожалуй, приведенных сведений вполне достаточно для иллюстрации того, откуда взялась «целесообразность» организации биологических молекул и механизмов постоянного совершенствования их функционирования, совершенствования, происходящего на протяжении многих поколений. Стало быть, пора завершать наш краткий очерк процессов молекулярной эволюции?
К сожалению, нет, ибо ответ на более общий вопрос – о том, откуда взялись столь «разумно» организованные системы, какими являются живые существа, – не может ограничиться только описанием сути и механизмов молекулярной эволюции.
Предбиологическая эволюция
В самом деле, до сих пор речь шла лишь об основных принципах эволюции систем, в которых может изменяться все, что угодно, кроме центрального механизма: кодирования наследственной информации с помощью молекул ДНК и реализации ее по определенным стабильным законам в виде белковых молекул. С помощью изложенных понятий можно без труда объяснить развитие из наиболее примитивного существа, обладающего таким механизмом, любой сколь угодно высокоразвитой органической формы – тюльпана, скумбрии и даже кошки. Однако остается без ответа еще один очень интересный вопрос: а откуда все-таки берется изначальный механизм? Каким образом появился этот самый фонвизинский «первое-т портной»?
Ведь если попытаться хотя бы очень приблизительно оценить вероятность самопроизвольного возникновения сложнейшего молекулярного устройства ДНК ― РНК ― белок или даже одной-единственной молекулы ДНК, то она окажется невообразимо малой. Во всяком случае, такой «акт творения» готового молекулярного механизма воспроизводства без господа бога обойтись не в состоянии. Так что мысль о том, что структуры молекулярных механизмов жизни могли самопроизвольно возникнуть сразу, представлялась с самого начала чересчур фантастичной. «…Картина одинокой молекулы ДНК на отмели первичного океана, производящей всю остальную жизнь, была еще менее правдоподобной, чем миф об Адаме и Еве в райском саду», – пишет Дж. Бернал в своей книге «Происхождение жизни».
Иными словами, оказалось неизбежным разделить процесс происхождения живых существ на два этапа: более ранний – предбиологическую (или химическую) и собственно биологическую эволюцию. Основные положения теории предбиологической эволюции впервые сформулированы советским биохимиком А. Опариным в 1924 году. Согласно развиваемым им представлениям, получившим впоследствии солидное теоретическое и экспериментальное обоснование в работах многих исследователей, в добиологический период в земной гидросфере могли самопроизвольно образовываться сравнительно простые органические вещества. На их основе формировались студнеобразные капельки – коацерваты, внутри которых происходили некоторые химические процессы, в той или иной мере влияющие на стабильность коацерватных капелек. Процесс химической эволюции как раз и заключается в постепенном усложнении этих систем.
Интересно отметить, что идеи химической эволюции с энтузиазмом восприняли не только ученые, но и… писатели-фантасты. Страницы из повестей и рассказов заполнили повествования о самых различных проявлениях «первичной жизни» и на Земле, и на других планетах. А уж некоторые из них (скажем, «Солярис», известный нам по роману С. Лема и фильму А. Тарковского, с его «живым» океаном) кажутся почти непосредственно связанными с «коацерватной» гипотезой А. Опарина.
Герой другого научно-фантастического сочинения, уже упоминавшийся нами академик Брайнин, тот прямо-таки и получил свой пресловутый «живой белок» по рецептам предбиологической эволюции. Очень просто: взял он ванну с водой да и набросал туда «…огромное количество реактивов, органических и неорганических, содержащих атомы водорода, кислорода, азота, серы, железа, никеля, цинка и других элементов.
– Не думайте, что я делал это без всякой системы, – с гордостью продолжает академик. – Химические реактивы я вводил примерно в тех соотношениях, которые бы обеспечивали приблизительный элементный состав белков. Однако я не утруждал себя излишне точными взвешиваниями. Ведь природа, создавая живой белок, не пользовалась аналитическими весами! Мощные электрические мешалки непрерывно перемешивали содержимое ванны. Под ней стояли электрические печки, которые нагревали воду до кипения. Над моим первобытным океаном яростно светили четыре мощные ртутные лампы сверхвысокого давления, излучавшие потоки ультрафиолетовых лучей. Две рентгеновские установки облучали море потоками жесткого излучения, а помещенные в разных местах радиоактивные изотопы обрушивали на находящиеся в ванне вещества потоки альфа-, бета– и гамма-лучей, пронизывали бульон мощным потоком нейтронов».
Ну что же, кое-какой звон бравый академик, несомненно, слышал.
Исследование проблем химической эволюции оказалось связанным с выяснением двух важнейших вопросов: возможности образования в предбиологических условиях определенных классов органических соединений и определения путей создания в возникших на их основе коацерватах основных молекулярных механизмов самовоспроизведения.
В настоящее время конкретный и однозначный ответ на второй вопрос еще не может быть, по-видимому, сформулирован, хотя наиболее общие положения будущей теории химической эволюции уже заложены. Веским подтверждением правильности гипотезы А. Опарина может служить весьма значительный материал, накопленный в связи с исследованием первой проблемы: образования органического вещества в условиях, близких существовавшим на Земле в добиологический период. Здесь мы ограничимся лишь краткой сводкой именно данных такого рода ввиду большей их конкретности.
В условиях, близких существовавшим на Земле в предбиологический период (практическое отсутствие в атмосфере кислорода при значительном содержании метана, аммиака, водорода), под воздействием разнообразных факторов – электрический разряд, радиация и т. п. – происходит образование многих органических веществ. Начиная с пионерских работ американца С. Миллера, наблюдавшего синтез в смеси аммиака, метана и воды под действием электрических разрядов сравнительно сложных соединений (аминокислот, сахаров, органических кислот), были выполнены многочисленные исследования, показавшие возможность образования в столь же, казалось бы, примитивных смесях также некоторых нуклеотидов и даже порфиринов – соединений весьма сложной структуры, играющих важную роль в биохимических процессах.
Было также показано, что при более длительном выдерживании этих смесей наблюдается полимеризация аминокислот с образованием полипептидов – соединений той же химической природы, что и белки. Аналогично в ряде опытов обнаружили также самопроизвольное образование полинуклеотидов – полимеров, подобных нуклеиновым кислотам. Более того, в опытах со смесями, содержащими синильную кислоту (HCN), наличие которой также предполагается в первичной атмосфере Земли, было показано, что полипептиды могут образовываться в неорганических смесях непосредственно, минуя стадию аминокислот.
Самопроизвольное возникновение в описанных экспериментах систем, близких по химическому составу живым организмам, по крайней мере в ряде существенных деталей, позволяет утверждать с очень значительной долей уверенности, что именно на их основе и произошло формирование неких первоначальных примитивных образований, из которых впоследствии развились простейшие формы жизни. При формировании аппарата самовоспроизведения – центральной особенности этих систем, несомненно, существенную роль сыграли процессы типа естественного отбора.
Тем не менее конечный результат опыта академика Брайнина – появление «хищных» амебоподобных существ – увы, не вызывает ни малейшего доверия.
Все эти «мощные ртутные лампы», «потоки альфа-, бета– и гамма-лучей» и т. д. могли лишь ускорить появление в смеси исходных, сравнительно простых веществ. Но для образования более сложных органических структур все эти воздействия (не забудем еще про кипячение), мягко говоря, совершенно излишни. И уж конечно, три недели – срок опыта, поставленного академиком, – совершенно недостаточны для развития процессов, протекающих по механизму естественного отбора среди молекулярных систем, в которых намечаются лишь первичные зачатки способности к самовоспроизведению.
Таким образом, нельзя провести абсолютно четкую границу между этапами химической и биологической эволюции. В связи с темой разговора, предпринятого в этой книге, нам хочется лишь подчеркнуть, что элементарные механизмы, лежащие в основе обоих этапов эволюционного процесса, могут описываться и обсуждаться на языке физико-химических понятий.
Опять напрашивается все тот же вопрос: не означает ли это очередной попытки упразднения биологических наук? Ведь в начале главы мы в качестве основного резона их сохранения приводили именно то обстоятельство, что с помощью точных наук не удается полностью объяснить образование и строение биологических систем.
И на этот раз существованию биологии ничто не угрожает. Дж. Бернал, упоминая о своем разговоре с А. Эйнштейном о проблемах редукционизма, пишет: «Из этой беседы я вынес заключение, что жизни присущ еще один элемент, хотя логически и отличный от элементов физики, но ни в коем случае не мистический – это элемент истории. Все явления, изучаемые биологией, образуют непрерывную цепь событий, и каждое последующее звено нельзя объяснить, не принимая в расчет предыдущие».
Каждый живой организм является выражением истории всех без исключения поколений своих предков. Эта история воплощена в последовательности оснований ДНК, и хотя физика и химия в состоянии составить каталог большинства типов отдельных событий, из которых слагается эта история, они не могут предугадать ни их последовательности и комбинаций, ни тем более отношения к ним решающей силыбиологического развития – естественного отбора. Нет, биология сохранит свою самостоятельность, хотя процесс проникновения в эту науку методов точных наук – физики, химии, математики – наверняка является процессом необратимым и – позволим себе чисто личное замечание – очень, очень отрадным.
Заключение
Вот теперь действительно авторы могут с законной гордостью почить на вполне заслуженных лаврах. Еще бы: главная часть работы завершена, создан еще один, весьма краткий и чрезвычайно легкомысленный (это в особенности льстит самолюбию авторов) курс основ молекулярной биологии. Конечно, не все прошло гладко: то и дело в нашем изложении появлялись всевозможные упрощения, огрубления и прочие схематизации, но в конце концов об этой «выхолощенной» модели основных: жизненных процессов читатель был честно предупрежден еще в начале.
И все же на общем ярко-голубом фоне блаженного довольства, охватившего авторов, нет-нет да и появляются маленькие, но тем более зловещие темные пятна: а не пересолили ли они, авторы, по части постоянной демонстрации победных успехов современной молекулярной биологии? Не слишком ли усердно оберегали они читателя от знакомства с не то, что еще не решенными, но даже порой и не вполне четко сформулированными проблемами? А ведь если их опасения оправданы, то у читателя вполне мог возникнуть целый ряд ошибочных, скажем прямо, выводов. И первым среди них будет почти наверняка такой: «В биологии все наиболее интересные открытия уже сделаны, и как место приложения исследовательских талантов эта область, увы, бесперспективна».
Перед лицом такого возмутительного заявления авторы, стряхнув временную расслабленность и отодвинув в сторону ставшие вдруг тесными лавровые венки, хотели бы со всей страстностью, с максимально позволительной в печатном слове запальчивостью воскликнуть:
– Ничего подобного!
Ведь работы М. Фарадея, Г. Герца, Дж. Максвелла, установивших основные законы электричества и магнетизма, не закрыли, а, наоборот, открыли дверь наиболее интересным исследованиям в области электрофизики, радиоэлектроники, электротехники. Точно так же и все новейшие свершения в молекулярной биологии лишь заложили самый изначальный фундамент фантастического, ныне еще трудно предсказуемого прогресса биологии грядущей.
На сегодняшний день в биологии не сделано гораздо больше, чем сделано. Между тем в своем сочинении мы, естественно, стремясь показать наш биологический товар лицом, тщательно старались обходить даже самые жгучие проблемы, остающиеся нерешенными.
Взять, к примеру, хотя бы биологические мембраны – тончайшие поверхностные образования клеток и ряда субклеточных частиц. Как мы уже упоминали, с их помощью осуществляется регулирование процессов переноса веществ между клеткой и наружной средой, между различными клетками и частями клетки.
Впрочем, это только так говорится – «к примеру, мембраны», на самом деле мы глубоко уверены, что в будущем многотомном издании «Курс теоретической биологии» (наподобие известного курса теоретической физики Л. Ландау и Е. Лившица) том «Молекулярная мембранология» станет едва ли не самым объемистым: ведь эти самые мембраны обладают совершенно удивительными свойствами. Избирательность мембран – свойство пропускать молекулы или ионы одного сорта и задерживать другие, может быть, еще и не покажется столь удивительной тем из читателей, которые знакомы с устройством и принципом действия решета. Но вот способность так называемого активного транспорта, то есть переноса веществ из растворов меньшей концентрации в растворы с более высокой концентрацией, поистине озадачивает.
Учитывая, что время для подробных объяснений уже упущено (заключение любого сочинения призвано к тому, чтобы обобщать и подытоживать, а не объяснять), отметим лишь, что по всем физическим канонам такой процесс не может проходить самопроизвольно: он требует затраты энергии (вспомним хотя бы работу компрессора). Действительно, как оказалось, процессы активного транспорта каким-то образом подключены к обычной «системе электроснабжения» клетки: та же АТФ, те же ферменты и т. д. Однако молекулярные механизмы, лежащие в основе процессов активного транспорта, до сих пор неизвестны.
Свойственное многим биологическим мембранам явление возбудимости также исследовано еще недостаточно, а ведь именно оно лежит в основе механизмов проведения нервного импульса. Под действием некоторых раздражителей, например, электрического тока, происходит кратковременное изменение проницаемости мембраны по отношению к отдельным ионам, сопровождающееся изменением разности электрических потенциалов по обе стороны мембраны. Благодаря этому возбуждаются соседние участки мембраны, и возбуждение волнообразно распространяется дальше. И хотя этот эффект, повторяем, является ответственным за важнейшую функцию нервных клеток, о его молекулярных механизмах известно на сегодняшний день очень мало.
Что же касается поразительной способности биологических мембран к перерегулированию ряда собственных функций и функций целой клетки под воздействием ничтожных концентраций некоторых веществ, то об этом их свойстве биологам ныне известно, по существу, лишь то, что оно действительно имеет место. Ни малейшего представления о том, каким именно образом эти эффекты реализуются, мы не имеем.
Этот горестный перечень относится лишь к сравнительно узкому кругу проблем, непосредственно примыкающих к рассмотренным в этой книге. А сколько еще важнейших областей биологического исследования ожидают появления решающих, революционных идей или фактов! Назовем хотя бы наиболее важные: проблему морфогенеза (формирования из зародышевой клетки определенной структуры сложного организма) или вопросы функционирования головного мозга. По сей день эти проблемы возвышаются загадочными каменными плитами, покрытыми недоступными пониманию иероглифами, и терпеливо ждут новых Шампольонов…
Кроме этого, даже ситуация в областях, о которых уже шла речь в нашей книге, увы, весьма и весьма далека от идиллического всеведения. Мы старались по возможности обходить острые углы «белых пятен»; не будем их перечислять и сейчас, но уж поверьте: предстоит еще очень большая работа, прежде чем мы окончательно поймем молекулярные механизмы самовоспроизведения.
Словом, при всем величии достигнутого главные открытия и главные достижения биологической науки, бесспорно, еще впереди.
Менее вероятно, хотя и не исключено, появление и такого вывода: «Все эти штучки, всякие там РНК―ДНК, не интересны никому, кроме самих биологов; во всяком случае, практической пользы от них никакой».
Ну, положим, если говорить о «практической пользе» одних только ферментов, опровержение такого мнения не составляет никакого труда.
Ферментные препараты используются ныне во многих отраслях промышленности, прежде всего химической, пищевой, текстильной. Хлебопечение, виноделие, пивоварение, консервное производство, молочное производство – современная технология в этих областях промышленности попросту немыслима без ферментных препаратов. По некоторым подсчетам, общая стоимость пищевых продуктов, приготовляемых ежегодно в Японии с помощью ферментных препаратов из одного только плесневого грибка «кодзи», составляет около миллиарда долларов.
Крахмало-паточное производство, спиртовое производство также используют ферментные препараты в самом широком масштабе, в текстильной промышленности с помощью обработки специальными ферментами удалось добиться резкого улучшения качества шелковых и хлопчатобумажных тканей. Да спросите, наконец, любую домашнюю хозяйку, нравится ли ей «энзиматический стиральный порошок»!
Словом, толковать о «практической пользе» ферментов нет нужды: наверное, люди, более сведущие в различных областях технологии, смогли бы указать еще массу возможностей их использования. Но ферменты сами по себе – это еще вовсе не молекулярная биология. Какова же может быть польза именно от нее?
Естественной областью первоочередного приложения добытых нелегким трудом (и, что немаловажно, ценой больших материальных затрат) сведений о молекулярных механизмах основных жизненных процессов являются медицина и сельское хозяйство. Пока – подчеркиваем: пока – прок от внедрения достижений молекулярной биологии в эти отрасли невелик. Известный американский биохимик М. Ичас пишет по этому поводу: «…Правда, трудно пока найти хотя бы одного больного, которому бы прогресс, достигнутый в этой области в последнее десятилетие, принес пользу. Однако вполне логично ожидать, что развитие молекулярной биологии в конце концов окажется чем-то полезным и медицине, пусть не в деталях, но хотя бы в общих вопросах, скажем, в вопросе о том, что в принципе возможно и что невозможно». Эти слова написаны около десяти лет назад, и сегодня, может быть, М. Ичас не был бы столь категоричен в отношении конкретной пользы.
Однако неизмеримо более важным представляется то идейное воздействие, которое современная биология оказывает на медицину, на ее исследовательские методы. В начале века в Германии было основано «Свободное объединение биологически мыслящих врачей» (возможно, оно существует и по сей день). Конкретные тезисы, провозглашаемые членами этого объединения в то время, ныне не заслуживают сколько-нибудь серьезного отношения, но сама идея формирования «биологически мыслящего врача» звучит в высшей степени привлекательно. Ведь в наши дни уже никто не сомневается, например, в том, что проблема раковых заболеваний может быть решена только весьма выдающимися биологами, хотя бы и обладающими дипломами врачей.
Наконец, несколько замечаний по поводу возможной читательской реакции такого сорта: «Все, о чем здесь написано, чрезвычайно просто. Кажется, что любой человек, более или менее привычный к рассуждению и не чуждый начальных физико-химических знаний, мог бы свободно додуматься до большинства описанных здесь истин – не в деталях, конечно, а в принципиальных чертах».
Ответственность за появление у читателя подобных мыслей в значительной степени лежит на авторах; в то же время это замечание из числа тех, на которые трудно дать вполне аргументированный ответ. Поэтому, предварительно (уже в последний раз!) покаявшись перед читателем, мы ограничимся рассказом исторической притчи, действие которой развивается на протяжении последнего столетия.
В конце XIX века один очень большой ученый, физик и химик, авторитетно высказался по поводу шумных в то время препирательств между сторонниками и противниками редукционизма (само это слово тогда еще не было в ходу, но это неважно): «Если оказывается напрасным стремлением, при всяких серьезных попытках терпевшем всегда фиаско, объяснить механическим путем известные физические явления, то, само собою разумеется, еще менее удастся это сделать для значительно более сложных и запутанных явлений органической жизни».
Автор этого сурового изречения – знаменитый В. Оствальд, которого называют иногда основателем физической химии; можно предполагать, что познаниями в этой области он значительно выделялся среди современников. Будучи ученым с очень широким кругом интересов, он, в частности, основал «Оствальдовскую серию классиков точных наук». Это переиздания наиболее значительных оригинальных работ, периодически выходящие в форме небольших книжечек. Серия эта издается и по сей день; один из последних выпусков (1975 год) озаглавлен: «Молекулярная генетика. К истории ее развития». Это сборник, в котором помещены среди прочих знаменитая статья Дж. Уотсона и Ф. Крика «Генетическая роль структуры дезоксирибонуклеиновой кислоты», Ф. Крика с сотрудниками «Общая природа генетического кода белков», американского биохимика Р. Холли с сотрудниками «Структура рибонуклеиновой кислоты»…
Можно, конечно, по этому поводу высказать что-нибудь об иронии судьбы: такая публикация именно в «Оствальдовской серии классиков»! Однако мы воспользовались этой историей совершенно в других целях: чтобы отвести от открытий и идей молекулярной биологии упрек в самоочевидности.
Каждый новый факт в этой области добывался ценой длительных блужданий в дебрях подчас совершенно нелепых гипотез и представлений, нередко яростно отстаиваемых большей частью научной общественности. Что ж, тем значительнее заслуга создателей основ молекулярной биологии – наших современников.
Кто-то из досужих статистиков подсчитал, что более девяноста процентов великих ученых, когда-либо проявивших себя в науке – от самых зачатков цивилизации до сегодняшнего дня, – это наши современники. Мы не знаем методики подобного подсчета и не беремся судить о справедливости этого вывода в отношении других научных дисциплин, но в отношении ученых-биологов цифра 90 процентов не кажется нам завышенной. Впрочем, может быть, это только тщеславие людей второй половины XX века?
