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[14]. 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[15], 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[16]. 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[17].
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.
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.
Квантовая революция
В результате стремительного развития науки в эпоху Просвещения (XVIII–XIX века) появились ньютоновская механика, исследования электромагнетизма и термодинамика. Время показало, что вместе эти три раздела физики успешно описывали движение и поведение всех макроскопических объектов и явлений окружающего нас мира — от пушечных ядер до часов, от ураганов до паровозов, от маятников до планет. Но когда в конце XIX и в первой половине XX века ученые направили внимание на микроскопические составляющие материи — атомы и молекулы, они обнаружили, что в микромире привычные физические законы не действуют. В физике назревала революция.
Первым революционным прорывом в физике начала XX века стал ввод в научный обиход понятия кванта. Уже 14 декабря 1900 года немецкий физик Макс Планк представил результаты своих трудов на заседании Немецкого физического общества. Именно этот день принято считать днем рождения квантовой теории. В то время считалось, что энергия теплового излучения, как любая другая форма энергии, распространяется в пространстве как волна. Проблема заключалась в том, что волновая теория не могла объяснить, каким образом некоторые теплые объекты излучали энергию. Планк высказал революционную мысль о том, что материя, из которой состояли эти теплые объекты, колеблется на определенных дискретных частотах. Из этого следовало, что тепловая энергия испускается небольшими дискретными порциями — квантами, которые, в свою очередь, являются неделимыми. Его простая теория имела ошеломительный успех, однако коренным образом отличалась от классической теории излучения, в рамках которой энергия считалась непрерывной. Согласно теории Планка, энергия выходит из материи как вода, но не непрерывным потоком, а отдельными неделимыми порциями — словно из закрытого, но подтекающего крана.
Сам Планк крайне настороженно относился к идее о том, что энергия прерывна. Однако спустя пять лет после того, как он выдвинул квантовую теорию, Альберт Эйнштейн развил эту идею и предположил, что любой вид электромагнитного излучения, включая свет, выходит не непрерывно, а в виде квантов — дискретными порциями, или частицами, которые мы теперь называем фотонами. Он отметил, что такой взгляд на природу света объясняет еще одно явление, долгое время остававшееся загадкой, а именно фотоэффект — испускание электронов веществом под воздействием света. Именно за объяснение фотоэффекта, а не за более известные его работы по теории относительности, Эйнштейну была присуждена Нобелевская премия по физике в 1921 году.
Тем не менее существовало множество доказательств того, что свет распространяется как непрерывная волна. Как же свет может быть одновременно прерывным и непрерывным? В то время этот вопрос казался бессмысленным, по крайней мере в рамках классической науки.
Следующий гигантский шаг на пути к новой физике был сделан датским физиком Нильсом Бором. В 1912 году Бор переехал в Манчестер и стал работать с Эрнестом Резерфордом. Незадолго до того Резерфорд опубликовал работу о планетарной модели атома с крошечным, но крепким ядром, расположенным в центре и окруженным еще более крошечными электронами, вращающимися вокруг ядра. Однако никто не мог объяснить, как атому удается сохранять стабильность. Согласно классической электромагнитной теории, отрицательно заряженные электроны постоянно излучают энергию света, вращаясь вокруг положительно заряженного ядра. В таком случае они бы потеряли энергию и очень быстро (за одну миллионную секунды) закрутились бы по спиральной траектории по направлению к ядру, что привело бы к распаду атома. Однако электроны так себя не ведут. Так в чем же здесь дело?
Для объяснения стабильности атомов Нильс Бор выдвинул идею о том, что электроны не свободны в выборе любой орбиты вокруг ядра, а могут занимать лишь определенные стационарные («квантованные») орбиты. Электрон может излучать порцию (квант) электромагнитной энергии лишь при переходе на другую, более низкую, орбиту, причем величина излучаемой энергии будет равна разнице энергий орбит. При переходе на более высокую орбиту электрон поглощает электромагнитную энергию в размере одного фотона.
Попробуем наглядно продемонстрировать разницу между классической и квантовой теорией, а также объяснить, почему электрон может занимать только определенные стационарные орбиты в атоме. Давайте вспомним, как играются ноты на гитаре и на скрипке. Когда скрипач берет ноту, он зажимает пальцем одну из струн в каком-либо месте грифа, сокращая ее и таким образом добиваясь нужной ноты в тот момент, когда смычок касается струны, вызывая ее колебания. Чем короче струна, тем выше частота ее колебаний (больше колебаний в секунду) и тем выше получается звук. Чем длиннее область колебания струны, тем ниже частота колебаний (меньше колебаний в секунду) и тем ниже звук.
Прежде чем продолжить эту тему, скажем несколько слов об одном из фундаментальных принципов квантовой механики, а именно о тесной связи частоты колебаний и энергии[18]. Мы уже говорили о том, что субатомные частицы имеют также свойства волны. Это означает, что у них, как и у любой волны, распространяющейся в пространстве, есть такие показатели, как длина волны и частота колебаний. Быстрые колебания всегда подразумевают больше энергии, чем медленные колебания (представьте стиральную машину, работающую в режиме «отжим» — ее барабан должен вращаться (колебаться) на высокой частоте, чтобы получить достаточно энергии для отжима воды из одежды).
Вернемся к скрипке. Высота ноты (частота колебаний звука) может постоянно варьироваться в зависимости от длины колеблющейся струны, то есть расстояния от места закрепления струны до той точки на грифе, где она зажимается пальцем музыканта. Это сравнимо с обычной волной, длина которой (расстояние между двумя ближайшими вершинами) также может меняться. Именно поэтому мы отнесем скрипку к классическим инструментам, но не в смысле «классической музыки», а скорее в смысле «классической — не квантовой — физики». Вот почему так сложно научиться играть на скрипке: музыкант должен максимально точно знать, в каком месте грифа прижимать струну, чтобы извлечь нужную ноту.
Гитарный гриф устроен по-другому. На нем металлическими перегородками, которые выступают над грифом, но не касаются струн, отмечены лады. Таким образом, когда гитарист прижимает пальцем струну, она касается одной из перегородок, которая временно становится одним из ее концов (а вовсе не то место, где ее прижимает палец). Когда музыкант дергает струну, из нее извлекается звук, высота которого зависит от колебаний струны длиной от мостика до того лада, на котором зажата струна. Положение пальца, зажимающего струну (ближе к правой перегородке или ближе к левой), никак не повлияет на высоту извлекаемой ноты. Гитара, таким образом, относится к квантовым инструментам. Поскольку, согласно квантовой теории, частота колебаний и энергия взаимосвязаны, колеблющаяся гитарная струна должна обладать скорее дискретной, нежели непрерывной энергией. Подобным образом элементарные частицы, например электроны, обладают лишь определенными показателями частоты волны, каждый из которых связан с определенным уровнем дискретной энергии. При переходе из одного энергетического состояния в другое электрон поглощает или излучает энергию, равную разнице между энергетическим уровнем, который он покидает, и уровнем, на который он попадает.