Нереальная реальность. Вся трилогия в одной книге

Мы знаем, что для усложнения и роста любой структуры нужна энергия. И чем она сложнее, тем больше требуется энергии. Даже если в какой-то момент случайно образовалась устойчивая полимерная цепочка, она не смогла бы самовоспроизводиться, если нет постоянного источника энергии.

Выходом из ситуации могла стать рекомбинация. То есть, обмен между молекулами РНК своими отдельными участками. Тогда, постепенно они могли удлиняться, образуя сложные нуклеотиды без постоянного привлечения внешнего источника энергии. Правда, и в таком раскладе по-прежнему неясно, почему отбиралась именно полезная информация.

Теоретически доказано, как с помощью белкового фермента из одной молекулы РНК можно вырастить целую колонию. Поскольку сама РНК может являться ферментом, то можно допустить, что катализатором роста колонии РНК могла стать сама РНК. Получается замкнутый цикл постепенно эволюционирующей жизни. Идея хороша хотя бы тем, что объясняет, как возник метаболизм, обмен веществом, что в итоге привело к наследованию полезных свойств.

Однако, в эксперименте из одной молекулы РНК вырастить большую колонию никак не получается. Кроме того, в замкнутом цикле, где молекула РНК самовоспроизводится, потому что является ферментом этого самовоспроизводства, не может появиться механизм эволюции. В обособленном мире неоткуда взяться многообразию. Замкнутая система, которая постоянно усложняется, также нереальна, как вечный двигатель.

Есть элегантный выход из порочного круга.

Эволюция возможна, если между обособленными колониями РНК возникла «конкуренция». Существует гипотеза, что толчком к ней могли стать климатические изменения. Сухая, либо, наоборот, влажная поверхность, особый химический состав водоёма и тому подобные причины могли привести к чередованию циклов селекции и циклов воспроизведения. Такого рода «конкуренция» могла привести к обмену информацией и, как следствие, к отбору. Я думаю, на сегодня это самая адекватная гипотеза.

Ещё одной проблемой при спонтанной самосборке длинных полимеров является их природная неустойчивость. То есть, попросту говоря, РНК практически неизбежно деградирует и разрушается из-за естественных ошибок копирования. Поэтому, не исключено, что РНК-миру предшествовал древний и примитивный мир более простых соединений. Какой именно – область полного тумана, загадок и предположений.

Есть интересная идея, что первичным был не синтез белков из аминокислот, а синтез сахаров, которые сохраняют стабильность даже в очень специфических водоёмах, весьма бедных органикой.

Безусловно, РНК-мир раскрывает многие загадки теории эволюции. Но главный вопрос не разрешён.

К сожалению, по-прежнему нет удовлетворительного объяснения спонтанному возникновению самой первой РНК.

Глава 29. Генетический код

Вся известная нам жизнь структурно однотипна. Она основана на едином генетическом коде и всё указывает на её происхождение от единого общего предка.

Базой жизни является генетическая информация, закодированная в ДНК и интерпретируемая с помощью РНК-копий. Это служит основой для производства белков, управляющих всеми биохимическими процессами в клетках.

Гены – это своеобразные инструкции по работе организма, единицы наследственности, передаваемые от предыдущих поколений будущим. По отдельности они выполняют достаточно прямолинейную функцию. Но комбинация генов создаёт исключительное жизненное разнообразие.

Каждый ген является отрезком молекулы ДНК. В клетке содержится 46 цепочек ДНК. Они располагаются парами. От своих родителей мы получаем по одной копии парных молекул, 23 от отца и 23 от матери.

В каждой цепочке в одной паре есть гены, определяющие наши индивидуальные черты – от цвета глаз до длины ног. В другой паре находятся гены с абсолютно идентичными свойствами. Таким образом, каждый из нас получает по два гена-близнеца, отвечающих за большинство черт организма.

Информация о наследственности закодирована в нуклеиновой кислоте. Её хранилищем является ДНК.

Несмотря на псевдонаучные «открытия», генов отдельных болезней (за немногим исключением) не существует. Тем более, нет генов, отвечающих за определённые черты характера, вредные привычки и преступные наклонности.

Человек устроен очень сложно, а сегодня, к тому же, очень зависим от социальной среды. Наша индивидуальность определяется работой целой группы генов, именно поэтому столь сложно понять все особенности их функционирования.

В нашем теле 100 000 000 000 000 клеток. И в каждой из них имеется набор генов, определяющих характерные черты личности. Клетка в голове содержит абсолютно тот же набор генов, что в руке или ноге. При этом существует группа мастер-генов, каждый из которых отвечает за развитие отдельной части тела. Мастер-ген «инструктирует» эмбриональные клетки с одинаковым ДНК, определяет какой из них стать клеткой сердца, лёгких, крови и так далее.

Гены и белки состоят из одинаковых нуклеотидов и аминокислот. Сам генетический код универсален. Все живые существа генетически совершенно одинаковы. С точки зрения биологии можно сказать, что жизнь на Земле зародилась только один раз, и до сих пор существует всего лишь её единственная форма.

Немецкими учёными был проведен уникальный эксперимент. Ген, управляющий глазом мыши, ввели в личинку плодовой мухи. Никакой монстр в результате не родился. К удивлению учёных, ген мышиного глаза не только создал глаз у мухи, но это был именно глаз мухи, а не мыши.

Выяснилось, что два существа, эволюционно разошедшиеся 500 млн. лет назад, способны к обмену генетическим материалом словно ближайшие родственники. Получается, что жизнь создана по каким-то единым схемам, по единому базовому плану.

Нашу жизнедеятельность обеспечивают белки. Изменение ДНК автоматически приводит к изменению белков. Обычно такие перемены вызывают нарушения в функционировании живого существа, то есть ведут к болезни. Однако, некоторые изменения благотворны. И они становятся двигателями эволюции.

Организм человека содержит более 30 000 разных белков, но сконструирован всего из 20 аминокислот. Но, как я уже указывал, общее число аминокислот огромно.

У Природы практически безграничный ресурс для потенциального совершенствования жизни во Вселенной. Поэтому внеземная жизнь может быть основана на совсем других аминокислотах.

Порядок взаимосвязи двадцати аминокислот в нашем теле устанавливает ДНК. Очень интересно, что есть ещё одна, двадцать первая аминокислота, которая как бы находится в резерве. Это селеноцистеин, в котором атом селена замещает атом меди и, при необходимости, помогает ферментам защитить клетки от кислорода.

Кислород – необычайно сильный окислитель и, в принципе, это самый опасный химический элемент для живых клеток. В дальнейшем я расскажу, почему мы дышим ядом в прямом смысле этого слова. Пока же в очередной раз поразимся прозорливости Природы, которая подготовила страховку на случай, если бы с кислородным дыханием что-то пошло не так.

Что представляет собой генетический код?

Вспомните, что ДНК состоит из четырёх нуклеотидов: A, C, G, T. Если представить их в виде букв, то они формируют слова (кодоны). Кодоны, в свою очередь, определяют последовательность связи аминокислот.

Всего аминокислот 20, а букв для их определения только 4. Поэтому базовый генетический код не может быть однобуквенным. Тогда он способен определить не более четырёх аминокислот, а реально их двадцать.

Также не подойдет и двухбуквенный код типа АС. Двухбуквенных комбинаций только шестнадцать, что тоже недостаточно.

Поэтому генетический код является триплетным, основанным на трёхбуквенных словах-кодонах (ACG, AGT, CGT и т.д.). Трёхбуквенный код может определить (4х4х4) шестьдесят четыре аминокислоты, что более чем достаточно.

Удивительно, что нет никаких препятствий для использования переменного кода. Часть аминокислот вполне могла обозначаться двумя буквами (от AC до GT), и только, когда бы исчерпались все 16 вариантов, можно было перейти к трём буквам (ACG и т.д.). Но почему-то именно в этом вопросе Природа проявила несвойственную ей математическую красоту.

Мало того, триплетный код является заведомо избыточным. Из 64-х возможных вариантов кодирования задействовано лишь 20. Очень интересно, с какой целью Природа оставила столь большой резерв?

На примере упомянутого селеноцистеина (номер 21, код TGA), видно насколько гигантский потенциал является не задействованным. Поскольку все 64 кодона потенциально жизнеспособны, у Природы есть очень большой задел для творчества. Если она смогла создать homo sapiens на базе 20-и аминокислот, то что (кто?) может появиться на базе 64-х?

Конечно, для нас интереснее всего понять геном человека, который является наследственным кодом жизни. В расшифрованном виде его можно записать как текст, в котором 3 100 000 000 знаков (нуклеотидов).

Если читать запись ежедневно без сна и отдыха, то её полная расшифровка займёт 30 лет. Напомню, что столь огромный объём информации, содержится в каждой клетке нашего организма без исключения.

Генетическая программа очень стабильная. В ней чётко прописаны все жизненные процессы. Она напоминает совершенную и безошибочную компьютерную программу.

Детальное изучение генетического кода привело к ряду удивительных открытий, ставящих под сомнение наше особое положение в Природе. У человека примерно столько же генов, как у травы. У водорослей ненамного меньше, около 20 000. По структуре генов мы отличаемся от мыши процентов на 10. У нас 46 хромосом, а у папоротников больше 600. Тритон генетически богаче нас более, чем в 5 раз.

Когда учёные установили эти показательные факты, стало ясно, что сложность организма определяется не числом генов, а тем, как именно они используются. Сам по себе геном лишь говорит нам из чего мы сделаны, но абсолютно не объясняет, как мы функционируем.

Достаточно неожиданными стали и сравнительные данные генома разных людей на разных континентах. Судя по ДНК, мы все чрезвычайно близкие родственники. Совпадение генома составляет 99,9%. Это достаточно странное генетическое однообразие для нашей планеты. У других видов в ДНК встречается в десятки раз больше расхождений, чем у людей. Совершенно непонятно, почему именно люди настолько генетически идентичны.

С другой стороны, идентичность не означает одинаковость. Микроскопические 0,1% определяют индивидуальность каждого из нас. Поэтому неверно говорить о едином геноме человека. Вариантов генетического кода столько же, сколько людей на земле. Как ни парадоксально звучит, но мы все практически одинаковые, однако, между нами нет ничего общего.

Я уже упоминал о том, что подавляющая часть нашего ДНК – это «мусор». Лишь меньше 2% генома приносят реальную пользу, кодируя белки. Тем не менее, остальные 98%, которые не несут значимой информации, не отбрасываются в «мусорную корзину», а зачем-то целиком переносятся из поколения в поколение.

Это очень странно, что большая часть ресурсов и энергии организма используется для копирования вроде бы бесполезных данных. Из 100 страниц базовой книги нашей жизни, 98 представляют собой бессмысленный и нечитаемый текст.

Скорее всего, у этого «мусора» всё же есть какая-то важная функция, о которой мы пока просто не догадываемся. Возможно, некодирующие последовательности ДНК являются «складом запчастей». Если какой-то ген не работает, то именно оттуда клетка извлекает фрагменты ДНК для его ремонта.

Стоит отметить, что те 99 из 100 знаков, которые у нас одинаковые с шимпанзе, относятся и к той части текста, которая является «мусором». Все те миллионы лет, как мы эволюционно разошлись с обезьянами, эти «ненужные» тексты и у нас, и у них продолжали зачем-то копироваться.

Что находится в «мусоре»?

Во-первых, псевдогены, то есть гены, погибшие в результате мутаций.

Во-вторых, древнейшие вирусы.