Текст книги "Если Вселенная изобилует инопланетянами… Где все?"

Автор книги: Стивен Уэбб

сообщить о нарушении

Текущая страница: 24 (всего у книги 36 страниц)

Есть несколько способов, которыми Луна оказывала или действительно продолжает оказывать влияние на Землю. Например, Луна вызывает океанские приливы. Вскоре после того, как Луна сформировалась, она была гораздо ближе к Земле, чем сейчас, поэтому приливы 4 миллиарда лет назад были бы огромными – рай для серферов. Было высказано предположение, что эти большие приливы были фактором зарождения жизни, возможно, действуя как гигантский смеситель первичного бульона и создавая богатые питательными веществами водоемы, где могла зародиться жизнь. Даже без Луны у нас все равно были бы океанские приливы: Солнце вызывает приливы примерно вдвое меньше нынешних лунных приливов. Однако мы бы упустили сизигийные и квадратурные приливы, которые зависят от относительного положения Солнца и Луны.

Более тонкий лунный приливный эффект возникает из-за его влияния на земную кору. Эффект гравитации Луны мог усилить вулканическую активность на Земле и увеличить дрейф континентов. Так что возможно, хотя и не точно, что безлунная Земля была бы менее геологически активной; атмосфера Земли, образовавшаяся в результате вулканической дегазации, могла бы занять гораздо больше времени, чтобы достичь стадии, на которой могла бы возникнуть жизнь. Мы обсуждали важность тектоники плит в Решении 62.

Однако наиболее важным эффектом, который следует рассмотреть, является то, как Луна влияет на наклон оси вращения Земли. Восемь планет вращаются вокруг Солнца в одной плоскости или вблизи нее; наклон оси вращения – или осевой наклон – планеты – это угол наклона ее экватора к этой орбитальной плоскости. Наклон оси вращения Земли в 23,5° приводит к приятным временам года, которыми мы наслаждаемся. Другим планетам повезло меньше. У Меркурия наклон оси вращения 0°, поэтому его экваториальные области напоминают ад. Жизнь, какой мы ее знаем, не могла бы выжить. (Интересно, что наблюдатель на любом из полюсов Меркурия увидел бы Солнце всегда на горизонте. Относительно мало солнечной энергии может быть поглощено на полюсах, и действительно, полярные области Меркурия покрыты льдом.) Уран, имеющий наклон оси вращения 98°, почти лежит на боку. Один полюс получает солнечный свет в течение половины уранианского года, в то время как другой полюс находится в темноте. Опять же, это менее чем идеальные условия для жизни. Земля – с нашей предвзятой точки зрения – кажется «в самый раз».

Событие столкновения, сформировавшее Луну, привело бы к смещению оси вращения Земли от ее первоначального положения. Что еще более важно, как показали компьютерные симуляции, Луна играет роль в стабилизации осевого наклона Земли на протяжении многих миллионов лет. Это важно, потому что даже небольшие изменения наклона оси вращения могут вызвать резкие изменения климата планеты. Например, наклон оси вращения Земли колеблется примерно на ±1,5° с периодом колебаний 41 000 лет. Это лишь небольшое изменение, но оно, по-видимому, связано с чередой ледниковых периодов, которые Земля пережила за последние несколько миллионов лет. У Марса нет стабилизирующего влияния на его наклон оси вращения (Фобос и Деймос – всего лишь валуны, с недостаточной массой, чтобы оказать какое-либо влияние), поэтому, хотя осевой наклон Марса в настоящее время составляет 25°, это значение колеблется от 15° до 35° с периодом 100 000 лет. Расчеты показывают, что в более длительных временных масштабах наклон оси вращения Марса изменяется хаотически: за последние 10 миллионов лет он мог варьироваться от 0° до 60°. Наклон оси вращения Земли, без стабилизирующей Луны, также блуждал бы хаотически – до значений 90°. Даже объект с половиной массы Луны, который был бы относительно большим спутником, имел бы недостаточную массу для стабилизации наклона Земли. Нашей родной планете требуется большой спутник, чтобы предотвратить блуждание ее наклона оси вращения и изменение климата от одной крайности к другой. (Ситуация, однако, более тонкая, чем это, как мы обсудим в Решении 74.)

Рис. 5.16 Наклон оси вращения Земли – ее наклон относительно плоскости эклиптики (другими словами, плоскости ее орбиты вокруг Солнца) – порождает времена года. Для таких планет, как Земля, которая имеет «умеренный» наклон оси вращения, большая часть солнечной энергии падает в экваториальные области, где полуденное Солнце всегда высоко в небе. Полярные области находятся в постоянном освещении в течение 6 месяцев, но также и в постоянной темноте в течение 6 месяцев; даже когда Солнце находится в небе, оно никогда не бывает выше, чем позволяет наклон оси вращения (23,5° в случае Земли), поэтому земля никогда не нагревается очень сильно солнечным светом. Таким образом, полярные области холодные, а экваториальные – жаркие. (Диаграмма не в масштабе.)

Жизнь на Земле хорошо адаптировалась к изменениям климата в прошлом, но трудно представить, как могли бы процветать развитые наземные животные, если бы здесь повторилась марсианская схема изменений наклона оси вращения. Жизнь на Земле, безусловно, не развилась бы в те формы, которые мы видим сегодня.

В приведенном выше обсуждении много «если», «но» и «возможно». Мы не знаем, необходим ли большой спутник для того, чтобы планета стала подходящим домом для сложных форм жизни. Наш эгоцентричный взгляд неизбежно предвзят. Мы считаем, что Луна была полезна для развития жизни здесь, но мы не знаем, была ли бы жизнь невозможна без нее. Возможно, если бы мы жили на безлунном мире, мы были бы благодарны, глядя вверх и не видя огромного куска скалы, висящего в небе.

И все же это навязчивое подозрение остается. Возможно, двойные планеты, такие как наша система Земля-Луна, необходимы для жизни по ряду причин. И все же они, похоже, формируются в результате случайных событий. Возможно, уникальность нашего спутника объясняет, почему мы одиноки. Возможно, в этом и заключается трагедия Луны.

Решение 64: Возникновение жизни редко

Решение проблемы жизни видится в исчезновении проблемы. Людвиг Витгенштейн, Логико-философский трактат

Ответ Харта на вопрос Ферми (см. Решение 50) заключался в том, что зарождение жизни почти чудесным образом редко. С практической точки зрения, мы одни: Земля обладает единственной разумной жизнью – единственной жизнью – в видимой части бесконечной вселенной. Это чудо теряет часть своего блеска в бесконечной вселенной, поскольку в этом случае бесконечное число планет обладает разумными формами жизни. Однако довольно трудно принять идею бесконечной вселенной с бесконечным числом обитаемых планет, не в последнюю очередь потому, что существовало бы бесконечное число вас и меня, размышляющих над вопросом Ферми. Это трудно принять. Не можем ли мы вместо этого принять часть идеи Харта? Можем ли мы отказаться от астрономического понятия бесконечной вселенной и рассуждать исключительно с точки зрения биологии? Возможно, жизнь – это не чудо, но тем не менее возникает лишь редко. Возможно, вселенная кажется стерильной, потому что – за исключением земного острова жизни – она и есть стерильна.

Абиогенез – процесс, посредством которого неживая материя порождает жизнь – может быть редким; а может и нет. Ученые в настоящее время не знают, как возникла жизнь, и поэтому никто не может надежно оценить вероятность того, что материя сделает шаг от неодушевленного к одушевленному. Сама по себе невероятность абиогенеза может действительно разрешить парадокс Ферми; или может оказаться, что землеподобные миры почти всегда развивают жизнь. Биологи добились успехов в последние десятилетия в попытках понять происхождение жизни, поэтому, хотя остаются два диаметрально противоположных мнения (как это обычно бывает с любым аспектом парадокса Ферми), с одной группой, утверждающей, что Природе трудно создать жизнь, и другой группой, утверждающей, что жизнь почти наверняка появится, как только позволят планетарные условия, мы можем надеяться, что вопрос будет решен до того, как пройдет еще много десятилетий. Тем временем стоит рассмотреть достоинства обеих позиций, чтобы увидеть, какой свет это проливает на парадокс Ферми. Однако сначала нам нужно сделать длинное отступление и рассмотреть, что мы подразумеваем под «жизнью» и как жизнь на Земле могла возникнуть.

Что такое жизнь?

В школе мой учитель всегда мог найти лазейки в попытках нашего научного класса дать определение жизни. Он указывал, что, согласно некоторым из наших определений, огонь жив (поскольку он растет, воспроизводит себя и так далее). С другой стороны, согласно нашим определениям, мул не жив (поскольку он не может воспроизводить себя). Для целей этого раздела я попробую представить другое определение земной жизни. Мой старый учитель, вероятно, все еще мог бы найти несколько лазеек в определении, и в любом случае определение может быть неуместным в будущем. (Через десять лет, возможно, ученые разработают самосознающий компьютер. Будет ли компьютер жив? Или через столетие, возможно, исследователь миссии Альтаира обнаружит дурно пахнущий розовый кристалл, который каждое утро превращается в слизь, цепляясь за борта космического корабля и поедая металл. Жива ли эта слизь? В обоих случаях, согласно моему определению, ответ был бы «нет» – хотя, возможно, ответ должен быть «да». Однако нам нужно с чего-то начать, и приведенное ниже определение, по крайней мере, составляет основу для обсуждения.)

Я определяю нечто как живое, если оно обладает следующими четырьмя свойствами.

Во-первых, живой объект должен состоять из клеток. Каждое живое существо на Земле состоит либо из одной клетки, либо из совокупности клеток. Если бы мы знали, как возникли клетки, то мы вполне могли бы быть на пути к пониманию того, как возникла сама жизнь.

Существуют два совершенно разных типа клеток: прокариоты и эукариоты. Прокариотические клетки лишены центрального ядра. Они простые, маленькие и существуют в различных типах. Прокариотические организмы чрезвычайно успешны, в значительной степени потому, что их простота означает, что они могут быстро размножаться. Относительно недавнее и глубокое открытие заключается в том, что существуют два разных типа прокариот:^[346] археи и эубактерии – или «настоящие» бактерии (или, как я буду писать для простоты, просто бактерии). Рисунок 5.17 иллюстрирует некоторые типичные археи. Два типа прокариотических клеток, по-видимому, не имеют значительно более тесной связи друг с другом, чем с эукариотическими клетками. Эукариотические клетки намного сложнее прокариотических; внутри внешней мембраны находится огромный набор биохимических механизмов и ядро, заключенное в собственные ядерные мембраны. Эта сложность требует, чтобы эукариотические клетки обычно имели в 10 000 раз больший объем, чем прокариотические клетки. Эукариоты способны собираться, образуя сложные многоклеточные организмы – растения, грибы и животных.

Таким образом, в живом мире существует три домена: археи, бактерии и эукарии. По этому определению вирусы и прионы неживые.

Рис. 5.17Четыре различных типа архей. Вверху слева: Nanoarcheum equitans. Этот организм был обнаружен в гидротермальном источнике у побережья Исландии и процветает при температурах 80°. Её клетки невероятно малы – всего 400 нм в диаметре. (Авторы: Р. Рэйчел и Х. Хубер) Вверху справа: Methanococcus maripaludis. Эта архея процветает в относительно умеренных условиях, но кислород для неё ядовит. (Авторы: С.И. Айзава и К. Учида) Внизу слева: Thermococcus gammatolerans. Это самый устойчивый к радиации организм, известный науке. Она процветает при температурах от 55 до 95°C. (Автор: А. Тапиас) Внизу справа: Haloquadratum walsbyi. Эта архея процветает в чрезвычайно соленых средах и уникальна тем, что имеет квадратную форму клетки. (Авторы: М.А.Ф. Нур, Р.С. Парнелл и Б.С. Грант)

Рис. 5.18 Сильно упрощенная схема древа жизни. Древо содержит три домена: археи, бактерии и эукариоты. Домен эукариот включает знакомые царства животных, растений и грибов. На такой диаграмме Homo sapiens выглядел бы как один листок среди бесчисленного множества других листьев. Диаграмму не следует воспринимать слишком буквально, но она показывает, что жизнь на Земле обладает огромным единством. (Автор: Мадлен Прайс Болл)

Во-вторых, живой объект должен обладать метаболизмом. Метаболизмом мы называем совокупность процессов, позволяющих клетке или совокупности клеток получать энергию и материалы, преобразовывать их для своих нужд и выделять продукты жизнедеятельности. Другими словами, все живые организмы нуждаются в каком-либо виде пищи, и все живые организмы производят отходы. (У огня есть метаболизм, как отметил бы мой старый учитель естествознания, но мы не должны считать огонь живым, так как он не соответствует другим критериям.) Метаболизм происходит благодаря каталитическому действию ферментов: без ферментов различные биохимические реакции, происходящие в клетках, просто не могли бы идти. В свою очередь, ферменты состоят из белков. Поэтому белки являются жизненно важным компонентом жизни, по крайней мере, здесь, на Земле. Как мы увидим позже, инструкции по созданию различных белков, необходимых для существования клетки, содержатся в ее дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК), в то время как биохимический аппарат синтеза белка основан на ее рибонуклеиновой кислоте (РНК). В краткой форме: ДНК создает РНК, РНК создает белки.

В-третьих, живой объект может размножаться или происходит от объектов, которые могли размножаться. Клетки могут размножаться либо поодиночке, либо половыми парами, и механизмом размножения является ДНК. Таким образом, очевидно, что ДНК играет центральную роль в живых организмах – насколько центральную, мы скоро выясним. Обратите внимание, что кристаллические структуры могут воспроизводиться; однако им не хватает вариативности, которая возникает при размножении живых организмов. Репликация, а не размножение, является лучшим термином для роста кристаллов, и, конечно, нам не нужно считать кристаллы живыми. С другой стороны, мулы и другие стерильные организмы произошли от существ, которые могли размножаться, и поэтому нам не нужно классифицировать мулов как неживых.

В-четвертых, жизнь эволюционирует. Дарвиновская эволюция – естественный отбор, действующий на наследственную изменчивость – является ключевым аспектом жизни.

Этих четырех свойств – клетки, метаболизм, размножение и эволюция – достаточно, чтобы на них основывать обсуждение жизни, даже если само определение можно было бы улучшить. Теперь мы можем задать вопрос: как зародилась жизнь?

Как зародилась жизнь?

Стоит сразу заявить, что никто не знает, как началась жизнь. Тем не менее, в последние годы был достигнут огромный прогресс в двух направлениях: с одной стороны, отслеживание родословной жизни как можно дальше в прошлое, а с другой – попытка понять химические пути, которые могли привести к самым ранним формам жизни. (Существуют и другие многообещающие подходы к проблеме абиогенеза, но недостаток места не позволяет нам их обсудить.)

Метод поиска происхождения жизни «сверху вниз» – это поиск LUCA (Last Universal Common Ancestor, Последнего универсального общего предка) – самого последнего организма, от которого вся существующая жизнь должна была унаследовать свои общие биохимические структуры. То, что жизнь происходит от LUCA, а не из множества источников, кажется весьма вероятным, поскольку существует огромное единство земной жизни: все организмы, за редкими исключениями, используют один и тот же генетический код, который позволяет последовательности ДНК определять полипептид; все организмы используют ДНК для переноса генетической информации; и так далее. Если LUCA был достаточно прост, если он существовал на очень ранней стадии истории Земли – и если мы сможем детально понять LUCA – тогда мы могли бы вывести, как он возник. К сожалению, биологи могут продвинуть этот подход лишь до определенного предела. Одна из часто рисуемых картин заключается в том, что LUCA уже был сложным организмом, который значительно эволюционировал со времени первого возникновения жизни, прежде чем разделился на домены архей и бактерий. Позже, согласно этой картине, эукариотический домен отделился от архей. Формирование сложной эукариотической клетки, вероятно, произошло, когда один прокариот «съел» другого (или, в зависимости от вашей точки зрения, один прокариот «заразил» другого – с такого расстояния трудно различить эти два случая). Такая договоренность, должно быть, приносила пользу обеим сторонам, и внутренние бактерии (были ли они изначально пищей или паразитами) передавались из поколения в поколение. Эта картина достаточно сложна, но поскольку многочисленные биохимические лаборатории мира почти ежедневно открывают новую информацию, картина становится еще более запутанной. Обычно мы думаем, что генетическая информация передается только вертикально – от родителя к ребенку. В начале истории жизни, однако, горизонтальный перенос генов между различными типами организмов, по-видимому, происходил часто. Этот горизонтальный перенос генетической информации означает, что простые линии происхождения запутываются.

Вместо того, чтобы увязнуть в деталях LUCA, мы можем рассмотреть подход «снизу вверх» к вопросу происхождения жизни. Мы можем спросить: как возникли универсальные химические вещества жизни – нуклеиновые кислоты и белки? Если мы сможем это понять, то, возможно, сможем заполнить пробел между подходами «снизу вверх» и «сверху вниз». Возможно, мы сможем понять, как неодушевленная материя стала живой.

Нуклеиновые кислоты

Если какая-либо молекула заслуживает звания «молекулы жизни», то это, безусловно, должна быть дезоксирибонуклеиновая кислота^[347] – ДНК. Согласно определению, представленному ранее, два ключевых аспекта жизни заключаются в том, что она обладает метаболизмом и передает информацию через процесс размножения. Молекула ДНК является центральной для обоих этих аспектов. Ее роль в синтезе белков, которые, в свою очередь, обеспечивают метаболизм, описана ниже. Здесь давайте сосредоточимся на репродуктивном аспекте и кратко рассмотрим, как ДНК может реплицировать себя, обеспечивая при этом достаточное разнообразие, на которое может действовать естественный отбор.

Молекула ДНК представляет собой полимер нуклеотидов. Нуклеотид состоит из трех частей.

Во-первых, он содержит сахар дезоксирибозу. Сахар содержит пять атомов углерода, обычно нумеруемых штрихами – от 1′ до 5′ (произносится «один штрих», «два штрих» и так далее). Сахар похож на рибозу, но ему не хватает гидроксильной молекулы в положении 2′.

Во-вторых, он содержит фосфатную группу. Нуклеотиды могут соединяться вместе, образуя длинные цепи посредством так называемых фосфоэфирных связей – связей между фосфатной группой одного нуклеотида и сахарным компонентом следующего нуклеотида. Сахарофосфатные цепи образуют остов ДНК; в знакомом представлении ДНК как «лестничной» молекулы сахарофосфатные цепи образуют «перила» лестницы. Цепь можно удлинять неограниченно, просто присоединяя больше нуклеотидов через большее количество эфирных связей; молекула ДНК может иметь длину от примерно 100 до нескольких миллионов нуклеотидов. Независимо от того, насколько длинной становится цепь, всегда есть два конца. Один конец имеет свободную группу –OH у 3′’ углерода (3′ конец), а другой конец имеет фосфорную кислотную группу у 5′ углерода (5′ конец).

В-третьих, он содержит пару азотистых оснований. Они образуют «ступени» лестницы ДНК. Основание связано с сахаром дезоксирибозой у 1′ углерода. Основанием может быть либо один из пуринов, аденин (А) или гуанин (Г), либо один из пиримидинов, цитозин (Ц) или тимин (Т). Биохимики представляют нуклеотид как последовательность в цепи, начиная с 5′-конца и определяя основания в том порядке, в котором они связаны; таким образом, типичную последовательность ДНК можно записать как –Г-Ц-Т-Т-А-Г-Г-.

Рис. 5.19 Структура двойной спирали ДНК показана здесь в виде компьютерной иллюстрации. (Автор: Национальный институт исследований генома человека)

Одним из ключевых достижений науки 20–го века стало осознание того, что ДНК в ядерном материале клеток имеет две нити, скрученные друг вокруг друга, образуя двойную спираль, так что одна нить всегда связана с комплементарной нитью. Основание Г всегда находится напротив основания Ц, основание Т всегда находится напротив основания А. Эта комплементарность возникает потому, что только эти комбинации пар оснований могут образовывать между собой водородные связи и удерживать две нити вместе. Отдельная водородная связь слаба, но обычная молекула ДНК содержит так много пар оснований, что две нити крепко удерживаются вместе. Эта комплементарность также означает, что вся информация содержится в одной нити ДНК – и допускает возможность репликации и размножения. (До недавнего времени практически вся земная жизнь, когда-либо существовавшая, имела свою биологическую информацию, закодированную четырьмя буквами, двумя парами оснований: Г и Ц; Т и А. На момент написания этой статьи биологи объявили о создании полусинтетических бактерий, чья сконструированная ДНК содержит две дополнительные буквы,^[348] X и Y. Другими словами, у этих модифицированных клеток E. coli есть третья пара оснований – эти клетки представляют собой новый тип жизни. Кто знает, куда нас приведут достижения синтетической биологии?)

Рис. 5.20 Остов молекулы ДНК состоит из длинных цепей сахара дезоксирибозы и фосфатных групп. Азотистые основания в каждой спирали образуют связи, но они должны подчиняться правилам спаривания: аденин напротив тимина, а цитозин напротив гуанина. (Автор: Национальный институт исследований генома человека)

Процесс репликации ДНК начинается, когда фермент под названием ДНК-геликаза частично расплетает двойную спираль в области, известной как репликационная вилка. В репликационной вилке находятся две нити ДНК, одна из которых является матричной нитью. Когда основания теперь открыты, фермент, называемый ДНК-полимеразой, занимает позицию и начинает синтез нити ДНК, комплементарной матрице. Фермент считывает последовательность оснований на матричной нити в направлении от 3′-конца к 5′-концу и добавляет нуклеотиды к комплементарной нити по одному – всегда Г к Ц и А к Т. (Таким образом, последовательность на матричной нити –Г-Ц-Т-Т-А-Г-Г– станет –Ц-Г-А-А-Т-Ц-Ц– на синтезированной комплементарной нити, которая растет в направлении от 5′ к 3′.) В конечном итоге образуется полная комплементарная нить; ДНК-полимераза катализирует образование водородных связей между нуклеотидами на двух нитях, и может образоваться новая двойная спираль. Пока весь этот процесс происходит, довольно более сложный процесс производит новую нить, комплементарную другой исходной нити (или отстающей нити). Чистый результат – создание двух идентичных копий исходной двойной спирали ДНК, и каждая новая спираль содержит одну нить исходной. У нас есть механизм репликации.

Рис. 5.21 Специфическое спаривание нуклеотидных оснований – А с Т, Ц с Г – позволяет ДНК реплицироваться; это основа наследственности. Когда двухцепочечная молекула ДНК реплицируется, две цепи разделяются в репликационной вилке. Ферменты (не показаны) затем добавляют новые основания к двум цепям, следуя правилам спаривания. В результате получаются две молекулы, обе идентичные исходной. (Автор: Мадлен Прайс Болл)

Описанный выше процесс представляет собой упрощенную версию того, что происходит на самом деле. Один из аспектов, который я опустил, – это роль РНК в репликации ДНК. Рибонуклеиновая кислота – это другой основной тип нуклеиновой кислоты, и она также выполняет ключевые функции для жизни на Земле. Между ДНК и РНК существует несколько различий. Структурное различие заключается в том, что РНК обычно появляется в клетках в виде одиночной цепи нуклеотидов, а не в виде двойной спирали ДНК; Молекулы РНК также обычно меньше молекул ДНК. Существуют также два химических различия между молекулами. Во-первых, нуклеотиды РНК содержат сахар рибозу, а не дезоксирибозу (отсюда разница в названиях двух молекул). Во-вторых, РНК использует основание урацил (У) вместо тимина. Существует также основное функциональное различие между двумя кислотами: ДНК существует исключительно для хранения генетической информации в последовательности своих нуклеотидных оснований, тогда как молекулы РНК выполняют действия. Существует несколько типов РНК, каждый из которых выполняет разные задачи, и ниже мы рассмотрим три из них – матричную РНК (мРНК), рибосомную РНК (рРНК) и транспортную РНК (тРНК).

Способность ДНК к репликации – это секрет способности жизни к воспроизводству. Эта способность объясняет, почему потомство похоже на родителей: змеи порождают змей, дятлы порождают дятлов, люди порождают людей. Но для того, чтобы жизнь эволюционировала и виды превращались в другие виды, наследственность должна быть несовершенной. Должна быть некоторая вариация среди потомства: естественный отбор не может адаптировать то, что не изменяется. К счастью, вариации могут возникать при репликации ДНК. Время от времени происходит мутация: происходит изменение в последовательности нуклеотидных оснований. Эти мутации происходят случайным образом из-за радиационного повреждения, химических агентов и просто из-за ошибок в процессе репликации ДНК. (Частота мутаций удивительно мала благодаря различным проверкам, которые происходят при репликации ДНК. После первой стадии репликации есть две стадии исправления ошибок: корректура и исправление несоответствий. Эти дополнительные стадии минимизируют частоту ошибок до 1 на 10⁹.) Если ошибка происходит в части ДНК, кодирующей белок (подробнее об этом ниже), то мутировавшая ДНК будет производить другой белок. Обычно мутация будет вредной или, по крайней мере, нейтральной. Однако иногда новый белок будет лучше выполнять задачу, чем исходный белок, и мутация будет полезна для организма (и, возможно, увеличит вероятность выживания организма и, таким образом, благодаря увеличению числа потомков, его собственного дальнейшего существования). Мутации дают естественному отбору материал для работы.

Если бы все, что делали нуклеиновые кислоты, – это репликация, то они были бы лишь незначительно интереснее самореплицирующихся кристаллов. Хотя ДНК может хранить генетическую информацию, она была бы мало полезна, если бы информация не извлекалась и не использовалась. Это было бы похоже на публичную библиотеку, забитую книгами, но никому не разрешалось бы читать ни один из томов. Что делает нуклеиновые кислоты такими увлекательными, так это то, что они кодируют и конструируют белки. А белки – это то, что делает жизнь такой интересной. Белки позволяют жизни действовать.

Белки

Белки – это сложные макромолекулы, обладающие огромной универсальностью. Они функционируют как ферменты (которые делают возможным метаболизм клетки), они действуют как гормоны (таким образом, обеспечивая регуляторную функцию; инсулин – распространенный пример), и они обеспечивают структуру (наши ногти, волосы, мышцы и хрусталики глаз – все это белки).

Белок представляет собой длинную последовательность аминокислот, свернутую в трехмерную структуру. Определенная последовательность аминокислот сворачивается в определенную структуру. Измените последовательность, и вы измените способ сворачивания белка и, следовательно, задачу, которую белок может выполнять, поскольку биохимическая задача, которую может выполнять белок, критически зависит от его формы в трех измерениях. Белки используют двадцать различных аминокислот. Природа содержит много других аминокислот, и некоторые из них важны в биологии, но белки используют только двадцать. Все аминокислоты имеют общую структуру: аминогруппу (H₂N), остаток или R-группу (CHR) и карбоксильную группу (COOH). Общая структура записывается как H₂N−CHR−COOH, и цепь образуется путем связывания аминоконца с карбоксильным концом пептидными связями. (Цепь аминокислот, таким образом, называется полипептидом; белок – это просто один или несколько полипептидов.) Что делает каждую аминокислоту уникальной, так это боковая цепь R: разные аминокислоты имеют разные R-группы и, следовательно, обладают разными свойствами. Например, некоторые боковые цепи создают гидрофобную аминокислоту; такие аминокислоты имеют тенденцию скапливаться внутри белка и, таким образом, играют роль в определении трехмерной структуры молекулы. Другие боковые цепи делают аминокислоту гидрофильной – другими словами, она легко реагирует с водой.

Каждая аминокислота кодируется набором из трех нуклеотидных оснований РНК, называемым кодоном. Поскольку существует четыре основания (А, Ц, Г, У), существует 4×4×4=64 кодонов. Теоретически, таким образом, кодоны могли бы кодировать 64 аминокислоты, и все же только 20 различных аминокислот используются в синтезе белка. Генетический код, таким образом, вырожден: 3 кодона представляют собой команду «конец цепи», а остальные 61 кодон кодируют 20 аминокислот. Другими словами, почти все аминокислоты кодируются несколькими кодонами. Например, аминокислота цистеин кодируется кодонами УГУ и УГЦ; изолейцин кодируется кодонами АУУ, АУЦ и АУА; и так далее. Генетический код по сути универсален: за редкими исключениями и без учета недавних достижений синтетической биологии, упомянутых ранее, все организмы на Земле используют его. (Означает ли универсальность генетического кода, что это единственный возможный код? Возможно, изначально существовало несколько разных кодов, и этот просто победил остальные? Если нынешняя уникальность кода означает, что он возник только один раз в истории жизни, то, возможно, разработка эффективного кода представляет собой барьер для преодоления эволюцией – один из «трудных шагов» Картера? Мы бы узнали что-то о возможности внеземной жизни, если бы смогли найти примеры развития различных генетических кодов здесь, на Земле.)

Способ, которым клетка синтезирует белок, одновременно и удивительно прост, и изумительно сложен. Сильно упрощенная версия процесса протекает следующим образом.

Рис. 5.22 Молекула ДНК хранит генетическую информацию и реплицирует эту информацию при делении клетки. Экспрессия этой генетической информации не происходит напрямую. Вместо этого ДНК сначала транскрибируется в РНК. Информация, хранящаяся в «четырехбуквенном» алфавите нуклеотидов (алфавит, используемый РНК), затем транслируется в «двадцатибуквенный» алфавит аминокислот (которые используются для построения белков). Центральная догма биологии, впервые сформулированная Фрэнсисом Криком, заключается в том, что поток информации следует направлению стрелок на этой диаграмме. В частности, РНК может синтезировать белки посредством трансляции, но обратная трансляция никогда не происходит.