Текст книги "Жизнь на грани. Ваша первая книга о квантовой биологии"

Жизнь как хаос?

Приложимы ли эти принципы к живой материи? Вернемся к нашему воображаемому бильярдному столу, к самому началу партии, когда шары уложены аккуратным треугольником. На этот раз мы добавим к исходным много новых шаров (давайте представим, что перед нами очень большой стол) и сделаем так, чтобы они сильными ударами бились о пирамиду. И снова хаотичные столкновения шаров с разделительной планкой приведут ее в движение, но вместо того, чтобы использовать это движение для запуска паровозика вверх по холму, мы соорудим более сложное устройство. На этот раз наш механизм, приводимый в действие хаотичными столкновениями многочисленных шаров, совершит нечто необычное: среди хаоса движущихся шаров он будет сохранять первоначальные шары в упорядоченной форме. Каждый раз, когда один из шаров пирамиды выбивается со своего места ударом одного из хаотично движущихся шаров, некий удивительный датчик обнаруживает нарушение порядка. Этот датчик словно направляет незримую механическую руку заменить недостающий шар в пирамиде (например, в одной из ее вершин) на точно такой же из тех, что, сталкиваясь, катаются по столу.

Надеемся, этим примером нам удалось показать вам, что система использует некоторое количество энергии хаотичных столкновений молекул, чтобы поддерживать один из своих участков в упорядоченном состоянии. В термодинамике для описания мер неупорядоченности системы используется термин «энтропия». Соответственно, о высокоупорядоченном состоянии системы говорят как о состоянии с низкой энтропией. О системе нашего бильярдного стола можно сказать, что она пользуется энергией высокоэнтропийных (хаотичных) столкновений для поддержания одной из своих частей, пирамиды шаров, в упорядоченном состоянии с низкой энтропией.

Не думайте о том, каким образом можно соорудить подобную замысловатую конструкцию. Главное, что на нашем столе (в системе, в которой наблюдаются состояния с разной энтропией) происходит нечто весьма интересное. Имея в распоряжении лишь силу хаотично движущихся шаров, новая система, объединяющая шары, стол, планку, датчик, фиксирующий движение шаров, и незримую руку, перенаправляющую движение, способна поддерживать порядок в собственной подсистеме.

Давайте усложним задачу для нашего воображения и представим более сложную картину: на этот раз некоторое количество энергии движущейся планки (назовем ее свободной энергией[10]10
  Свободная энергия – одно из важнейших понятий термодинамики, содержание которого описание, приведенное в данной главе, иллюстрирует достаточно точно.


[Закрыть] системы) будет использоваться для создания и поддержания работы сенсорного устройства и подвижной незримой руки. В первую очередь энергия будет направлена на то, чтобы использовать огромное количество бильярдных шаров в качестве строительного материала для построения подобных устройств. Теперь вся система становится самодостаточной и в принципе способна поддерживать сама себя до тех пор, пока в нее регулярно будут попадать новые хаотично движущиеся шары и для планки будет достаточно места, чтобы двигаться.

Наконец, будучи способной поддерживать себя в определенных состояниях, наша расширенная система совершит еще один удивительный подвиг. Она станет использовать доступную свободную энергию для обнаружения, захвата и упорядочения бильярдных шаров в целях создания собственной копии во всей полноте: стол, планка, сенсорное устройство, реагирующее на движение шаров, механическая рука и, разумеется, шары, уложенные треугольником. Подобные копии системы, в свою очередь, будут управлять собственными бильярдными шарами и свободной энергией их столкновений, производить новые самодостаточные механизмы, а эти новые копии…

Думаем, вы догадались, к чему это ведет. Наш воображаемый проект «Сделай сам» создал эквивалент жизни, движущей силой которой является энергия бильярдных шаров. Подобно птице, рыбе или человеку, наша выдуманная система способна поддерживать собственный внутренний порядок и воспроизводить саму себя, управляя свободной энергией хаотичных столкновений молекул. Несмотря на то что это многоэтапное и сложное задание, движущая сила, необходимая для его выполнения, похоже, ничем не отличается от силы, толкающей паровоз вверх по склону холма. В реальной жизни в роли воображаемых бильярдных шаров выступают молекулы, получаемые из пищевых продуктов. Хотя процесс, в который они вовлечены, намного сложнее процесса, описанного в нашем простом примере, принцип остается неизменным: свободная энергия хаотичных молекулярных столкновений (и химических реакций, в которых участвуют молекулы) направлена на поддержание жизнедеятельности организма и на создание копии этого организма.

Можно ли в таком случае считать жизнь разделом термодинамики? Неужели во время прогулки среди холмов мы взбираемся по склону благодаря тем же процессам, что приводят в движение паровые локомотивы? Неужели полет малиновки ничем не отличается от полета пушечного ядра? Если уж на то пошло, не является ли Божья искра жизни хаотичным движением молекул? Чтобы ответить на эти вопросы, нам следует внимательно присмотреться к тонкой организации живой материи.

Присмотримся к жизни внимательней

Первые успешные и очень важные шаги на пути к пониманию тонкой организации живого были сделаны «философом-натуралистом» XVII века Робертом Гуком, который, заглянув в простейший микроскоп, разглядел в структуре среза пробкового дерева нечто, что он назвал клетками, и голландским натуралистом, основоположником микроскопии Антони ван Левенгуком, который с помощью микроскопа обнаружил в каплях озерной воды существ, которых он сам назвал микроскопическими организмами (мы объединяем этих существ общим названием «одноклеточная жизнь»). Он также наблюдал и описывал клетки растений, красные кровяные тельца – эритроциты и даже сперматозоиды. Позже всему научному миру стало ясно, что любая живая ткань имеет клеточную структуру, а клетки являются строительным материалом живых организмов. В 1858 году немецкий биолог и врач Рудольф Вирхов писал: «Подобно тому как дерево представляет известным образом расположенную массу, в каждой части которой, в листе, как и в корне, в стволе, как и в цветке, последними элементами являются ячейки, точно так же и в формах животного царства каждое животное является суммой жизненных единиц, каждая из которых обладает всеми характеристиками жизни».

Со временем ученые исследовали живые клетки с помощью все более мощных микроскопов. Оказалось, клетки имеют сложнейшую внутреннюю структуру. В центре каждой из них находится ядро, содержащее хромосомы. Ядро окружено цитоплазмой, в которой расположены специализированные структуры клетки – органеллы, выполняющие внутри клетки определенные функции по аналогии с внутренними органами тела. Например, органеллы митохондрии выполняют функцию внутриклеточного дыхания, а хлоропласты осуществляют фотосинтез внутри растительных клеток. В общем, клетка напоминает крошечный заводик, работающий на всех парах. Но что заставляет ее работать? Что оживляет клетку? Первоначально считалось, что клетки наполнены «жизненными силами», сходными по описанию с аристотелевскими представлениями о душе. Вера в витализм – наличие в живых организмах особой жизненной силы, отсутствующей в неживой материи, – господствовала среди ученых на протяжении почти всего XIX века. Для обозначения таинственной живой субстанции, наполняющей клетки, в то время был введен загадочный термин «протоплазма».

И все же позиции витализма значительно пошатнулись благодаря экспериментам некоторых ученых XIX века. В ходе этих экспериментов в лабораторных условиях были получены химические вещества, которые ранее извлекались только из живых клеток. Так, в 1828 году немецкий химик Фридрих Вёлер синтезировал из неорганического вещества мочевину – органическое вещество, до этого получаемое только из живой материи. Луи Пастеру удалось воспроизвести в лаборатории химическое преобразование, а именно процесс брожения (ранее считалось, что этот процесс возможен лишь при наличии микроорганизмов, но Пастер использовал в своих опытах секретируемые живыми клетками молекулы, позже названные энзимами). С годами в науке накапливалось все больше фактов, свидетельствующих о том, что живая материя строится в основном из тех же химических веществ, из которых состоит материя неживая. Следовательно, можно было предположить, что живая и неживая материя подчиняется общим химическим законам. Постепенно витализм уступил место механицизму.

К концу XIX века биохимики одержали окончательную победу над виталистами[11]11
  Стоит отметить, что некоторые биохимики того времени были виталистами.


[Закрыть]. Было доказано, что в клетках содержится множество веществ, участвующих в сложных химических процессах, в основе которых лежит описанное Больцманом хаотичное движение молекул, напоминающее беспорядочно сталкивающиеся бильярдные шары. Жизнь, по всеобщему мнению, представляла собой не что иное, как сложную термодинамику.

Все бы ничего, если бы не один аспект – пожалуй, самый важный из всех аспектов, связанных с загадкой жизни.

Гены

Способность живого организма исправно передавать по наследству информацию, благодаря чему на свет появляются новые организмы – будь то малиновка, рододендрон или человек, – столетиями являлась для нас непостижимой тайной. В 1653 году в своем «51-м исследовании» английский врач Уильям Гарвей писал: «Несмотря на неоспоримость известной идеи о том, что эмбрион происходит и рождается на свет от мужского и женского полов и соответственно яйцо (как и цыпленка, вылупляющегося из него) производят петух и курица, ни одной медицинской школе, ни гениальному уму Аристотеля не удалось разгадать тайну того, каким образом семя петуха “чеканит” из яйцеклетки цыпленка».

Два века спустя завесу этой тайны приоткрыл австрийский монах и биолог Грегор Мендель, который в середине XIX века выращивал горох в саду Августинского монастыря в Брно. В ходе наблюдений за растениями Мендель пришел к выводу о том, что наличие у гороха некоторых признаков, таких как цвет лепестков или форма горошин, зависит от наследуемых «факторов», которые могут передаваться без изменений от одного поколения другому. «Факторы» Менделя, таким образом, обеспечивали создание своего рода хранилища наследственной информации, что позволяло растениям гороха сохранять свой вид неизменным на протяжении сотен поколений, а семени петуха – «чеканить» из яйцеклеток цыплят.

Как известно, большинство современников Менделя, включая Дарвина, не обратили на открытие австрийца никакого внимания. Результаты его трудов оставались в забвении вплоть до начала XX века. Его «факторы» были названы генами. Вскоре это понятие было успешно встроено в укрепляющий свои позиции в биологии XX века механистический взгляд на мир. Несмотря на то что Мендель утверждал, что эти структуры находятся внутри живых клеток, никто в то время не наблюдал их и не мог предположить, из чего они состоят. Однако в 1902 году американский генетик Уолтер Саттон обратил внимание на то, что внутриклеточные структуры хромосомы способны передавать информацию, хранящуюся в менделевских «факторах». Это наблюдение привело Саттона к выводу о том, что гены находятся в хромосомах.

Тем не менее хромосомы – это относительно большие и сложные структуры, состоящие из белка, сахаров и дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). В то время ученым не было понятно, связан ли какой-либо из этих компонентов с механизмом наследственности. Позднее, в 1943 году, канадскому ученому Освальду Эвери удалось передать ген из одной бактериальной клетки в другую путем извлечения ДНК из клетки-донора и встраивания ее в клетку-реципиент. Эксперимент доказал, что именно ДНК, содержащаяся в хромосомах, а не белки или какие-либо другие вещества, хранит и передает генетическую информацию[12]12
  Как ни странно, в то время эксперименты Эвери не были приняты учеными в качестве достаточного доказательства того, что генетическим материалом является именно ДНК. Споры об этом разгорелись с новым жаром лишь во времена Крика и Уотсона.


[Закрыть]. Казалось, в ДНК больше нет ничего необычного, волшебного – все считали ее обычным химическим веществом.

Но важный вопрос все же оставался без ответа: как это все работает? Каким образом химическое вещество переносит в себе информацию, необходимую для того, чтобы «семя петуха “чеканило” из яйцеклетки цыпленка»? И каким образом гены копируются и передаются от одного поколения другому? Традиционная химия, изучающая взаимодействия шаровидных больцмановских молекул, казалось, не может объяснить способ хранения, копирования и надежной передачи генетической информации.

Наверняка всем известно, что в 1953 году была разгадана и эта тайна: в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета Джеймсу Уотсону и Фрэнсису Крику на основе экспериментальных данных их коллеги Розалинд Франклин удалось разработать модель структуры ДНК – двойную спираль. Было доказано, что любая цепочка ДНК представляет собой нечто вроде молекулярной нити, состоящей из атомов фосфора, кислорода и сахара (дезоксирибозы), а также особых химических структур – нуклеотидов[13]13
  Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, в структуру которого входят углерод, азот, кислород и водород, а также хотя бы одной фосфатной группы. Все эти соединения закреплены на длинной нити ДНК.


[Закрыть], нанизанных на нить, словно бусины. В этих бусинах содержатся азотистые основания четырех разновидностей: аденин (A), гуанин (G), цитозин (C) и тимин (T). На нити ДНК они располагаются в одномерной последовательности букв генетического кода, например GTCCATTGCCCGTATTACCG. Во время войны Фрэнсис Крик работал в научно-исследовательской лаборатории Британского адмиралтейства (в то время – командный орган Королевского флота). Неудивительно, что он мог быть знаком с теорией кодов, а также с различными шифрами вроде тех, что использовались в секретных сообщениях, созданных с помощью немецких шифровальных машин «Энигма» (во время войны их успешно расшифровывали в Блетчли-Парке, где располагалось главное шифровальное ведомство Великобритании). В любом случае, когда Крик увидел нить ДНК, он сразу заметил в ней код – последовательность блоков информации, представляющей собой важнейшие инструкции к действию механизма наследственности. Кроме того (об этом мы подробно поговорим в главе 7), открытие спиралевидной структуры нити ДНК позволило ученым сформулировать ответ на вопрос о том, каким образом копируется генетическая информация. Вот так, одним махом были разгаданы две величайшие научные тайны.

Открытие структуры ДНК стало своего рода механистическим ключом к пониманию тайны генов. Гены – это химическое соединение, а в основе химии лежит термодинамика. Так неужели открытие двойной спирали ДНК наконец-то вернуло в лоно классической науки такой объект изучения, как жизнь?

Жизнь таинственно ухмыляется в ответ

В «Приключениях Алисы в Стране чудес» Льюиса Кэрролла есть чудесный персонаж – Чеширский кот, который умел исчезать на глазах, оставляя после себя лишь улыбку. Алиса на это заметила: «Видала я котов без улыбок, но улыбку без кота…» Прекрасно зная, как законы термодинамики действуют в живых клетках и как гены кодируют информацию, необходимую для формирования новой клетки, многие биологи тем не менее испытывают подобное недоумение, когда тайна жизни, оставаясь неразгаданной, продолжает улыбаться им в лицо.

Одна из проблем, с которой сталкиваются ученые при попытках приблизиться к тайне жизни, заключается в невероятной сложности биохимических реакций, протекающих в каждой живой клетке. Когда химики искусственным путем получают аминокислоту или сахар, они в большинстве случаев синтезируют только одно химическое соединение за один раз. И это удается им большими усилиями: для эксперимента – то есть конкретной реакции – необходимо создать и постоянно поддерживать целый комплекс сложных условий, таких как температура или концентрация различных соединений, участвующих в реакции. Контролируя все условия эксперимента, ученые оптимизируют и ускоряют синтез искомого соединения. На самом деле это непростая задача: необходимо держать под контролем происходящее в многочисленных специальных колбах, конденсаторах, разделительных колонках, фильтрах и других замысловатых лабораторных сосудах и приборах. В то же время каждая клетка вашего организма непрерывно синтезирует тысячи химических соединений, имея в своем распоряжении реактивную камеру объемом в несколько миллионных микролитра[14]14
  Один микролитр равен одному миллиметру кубическому.


[Закрыть]. Как же все эти разнообразные сложные реакции протекают одновременно? Как все это молекулярное действо разыгрывается на сцене микроскопической клетки? Эти вопросы находятся в центре внимания новой науки – системной биологии, но справедливости ради стоит отметить, что они до сих пор остаются без ответов.

Еще одна загадка жизни заключается в ее конечности – в смерти. Особенность химических реакций заключается в их обратимости. Можно записать химическую реакцию в виде уравнения «субстраты —> продукты». Но на самом деле одновременно всегда протекает обратная реакция «продукты —> субстраты». Все дело в том, что при определенной совокупности условий доминирует одно из направлений реакции. Тем не менее для любой реакции всегда возможно создать другую комбинацию условий, при которых она меняет свое направление. Например, когда ископаемое топливо сгорает на воздухе, субстратами являются углерод и кислород, а единственным продуктом – двуокись углерода (парниковый газ). Принято считать, что данная реакция необратима, однако в рамках некоторых проектов по разработке технологии улавливания углекислого газа идет поиск условий и источника энергии для того, чтобы изменить направление данной реакции. Так, Рич Мейзел из Иллинойского университета основал компанию Dioxide Materials, цель которой – использовать силу электричества для преобразования атмосферного углекислого газа в топливо для транспортных средств [1].

С живой материей все обстоит по-другому. Еще никому не удалось создать условия, при которых было бы возможно превращение «мертвая клетка —> живая клетка». Безусловно, размышления наших предков о подобном превращении вылились в идею о душе. Мы больше не верим в наличие души у клетки. Что же тогда исчезает безвозвратно, когда умирает клетка или человек?

Вы наверняка уже задумались о том, что нового нам может рассказать о жизни молодая наука – синтетическая биология и владеют ли специалисты в этой области ключом к тайне жизни? Возможно, самым известным представителем синтетической биологии является пионер в области расшифровки генома Крейг Вентер, который в 2010 году поднял в научных кругах настоящую бурю, заявив, что создал искусственную жизнь. Результаты его работы отразились в газетных заголовках по всему миру и породили панику от мысли о новых расах искусственно синтезированных существ, которые в будущем захватят всю нашу планету. На самом деле Вентеру и его команде удалось модифицировать уже существующую форму жизни, а не создать новую. Сначала команда ученых под руководством Вентера синтезировала ДНК, содержащую полный геном паразитической бактерии Mycoplasma mycoides, вызывающей легочные заболевания у домашних коз. Затем синтезированный геном пересадили в живую бактериальную клетку и весьма хитрым способом убедили ее заменить свою изначальную (и единственную) хромосому синтетической копией.

Результат экспериментов Крейга, безусловно, превосходен. Хромосома бактерии содержит 1,8 млн оснований (букв генетического кода), которые должны быть расположены в строго определенной последовательности. Но, по сути, ученым удалось сделать то, что каждый из нас выполняет без каких-либо усилий. Речь идет о трансформации веществ, содержащихся в пище, в нашу собственную плоть.

Синтез хромосомы и ее пересадка в живую клетку, проделанные Вентером и его командой, открывают абсолютно новые горизонты синтетической биологии, о которых мы поговорим в последней главе. С большой вероятностью этой молодой науке удастся предложить новые эффективные способы производства лекарств, выращивания зерна и борьбы с загрязняющими веществами. Тем не менее в ходе экспериментов, направленных на эти и другие результаты, ученым пока не удалось создать новую жизнь. Несмотря на достижение Вентера, тайна самой сути жизни продолжает ухмыляться нам в лицо. Ричарду Фейнману, нобелевскому лауреату по физике, приписывается такое высказывание-озарение: «Мы не способны понять то, чего не можем создать». Согласно этому утверждению, мы не понимаем жизнь, поскольку нам пока не удалось ее воссоздать. Мы умеем смешивать химические соединения, умеем нагревать их, подвергать облучению. Мы даже умеем, подобно Франкенштейну Мэри Шелли, оживлять их с помощью электричества. Но создать жизнь мы можем пока единственным способом – внедрить эти химические соединения в уже существующие живые клетки или употребить их в пищу, сделав их тем самым частью наших собственных организмов.

Так почему же мы до сих пор не способны справиться с задачей, с которой ежесекундно и без особых усилий справляются триллионы простейших микробов? Мы что-то упустили? Более 70 лет назад этот вопрос волновал известнейшего физика Эрвина Шредингера. Удивительный ответ, к которому пришел ученый, является ключевым моментом для содержания данной книги. Чтобы понять, почему вывод Шредингера о самых глубоких тайнах жизни был и остается революционным для науки, необходимо вернуться в самое начало XX века, когда спиралевидная структура ДНК еще не была открыта, а мир физики буквально переворачивался с ног на голову.