Палиндромы могут возникнуть в ДНК двумя способами. Самые короткие ДНК-палиндромы, которые становятся причиной появления «шпилек», возникают случайно, когда А, Ц, Г и Т организуются симметрично. Более длинные палиндромы также перетряхивают наши хромосомы, и многие из них – особенно те, которые наносят серьезный ущерб маленькой Y-хромосоме – возможно, возникают в результате специфического двухступенчатого процесса. По различным причинам хромосомы иногда случайным образом дублируют отрезки ДНК, а потом вставляют вторую копию куда-нибудь вниз по линии. Также хромосомы могут (иногда после разрыва сразу двух нитей) разворачивать отрезок ДНК на 180 градусов и прикреплять их задом наперед. Действуя в тандеме, дупликация и инверсия создают палиндром.
Большинство хромосом, однако, препятствуют появлению длинных палиндромов или по крайней мере стараются не допускать инверсий, которые они создают. Инверсия может разрушить или «отключить» гены, оставив хромосому неэффективной. Также инверсии могут резко уменьшить шансы хромосомы на кроссинговер – а это огромная потеря. Кроссинговер (когда одинаковые хромосомы пересекаются и обмениваются сегментами) позволяет хромосоме поменять свой генетический материал, приобрести лучшие версии, или версии, которые лучше работают вместе и делают хромосому более жизнеспособной. Не менее важно то, что хромосомы пользуются преимуществами кроссинговера, чтобы выполнить проверку контроля качества: они могут выстроиться в две шеренги, «глаза в глаза» и заменить мутировавшие гены немутировавшими. Однако хромосома может пересекаться только с хромосомой, которая выглядит точно так же. Если же партнер выглядит подозрительно не похоже, хромосома опасается получить болезнетворную ДНК и отказывается от обмена. Инверсии на этом фоне выглядят чертовски подозрительно, поэтому в подобных обстоятельствах хромосомы с палиндромами просто игнорируются.
У Y-хромосомы нетерпимость к палиндромам проявилась с самого начала. Давным-давно, еще до того, как млекопитающие отделились от рептилий, Х и Y были парными хромосомами и пересекались часто. Затем, 300 миллионов лет назад, один из генов хромосомы Y мутировал и превратился в «главный выключатель», заставляющий яички развиваться. До этого, вероятно, пол животного зависел от температуры, при которой самка высиживает яйца – схожая не имеющая отношения к генетике система определяет пол черепах и крокодилов. Благодаря этому изменению Y стала «мужской» хромосомой и, пройдя через разнообразные процессы, сконцентрировала другие мужские гены, преимущественно связанные с производством сперматозоидов. Как следствие, Х и Y стали выглядеть по-разному и, соответственно, уклоняться от кроссинговера. Хромосома Y не захотела рисковать своими генами, которые могла переписать злобная Х-хромосома, в то время как Х не хочет приобретать грубые гены хромосомы-мужлана, которые могут повредить женским ХХ-организмам.
После того как кроссинговер замедлился, Y-хромосома стала более терпимой к инверсиям, как коротким, так и длинным. Фактически она в своей истории претерпела четыре крупные инверсии, реально глобальные перестройки ДНК. Каждая из них создала много замечательных палиндромов – один из них сразу на три миллиона символов, но каждая вместе с тем приводила к тому, что кроссинговер с Х-хромосомой становился все тяжелее. В этом бы не было особого значения, если не учитывать, что кроссинговер позволяет хромосомам заменять злокачественные мутации. Х-хромосомы могут делать это в женских организмах с парой ХХ, но когда Y-хромосома потеряла своего партнера, злокачественные мутации начали накапливаться. И с появлением каждой новой мутации у клеток не было иного выбора, кроме как избавляться от Y-хромосомы и удалять мутировавшую ДНК. Результаты оказались неутешительны. Y-хромосома, когда-то имевшая внушительные размеры, потеряла почти все свои гены: из 1400 осталось чуть больше 20. При таком раскладе биологи поспешили записать «игреков» в доходяги. Похоже, что этим хромосомам суждено продолжать накапливать неблагополучные мутации и становиться короче и короче, пока эволюция не покончит с Y-хромосомами – и, возможно, в придачу и с мужчинами – совсем.
Палиндромы, однако, могут помиловать Y-хромосому. Шпильки в цепи ДНК – это плохо, но если Y-хромосома загнется в гигантскую шпильку, это может привести к тому, что два ее палиндрома – с тем же набором генов, но идущим в противоположном порядке – вступят в контакт. Это позволит Y-хромосоме проверяться на наличие мутаций и заменять проблемные участки. Это все равно что написать: «А роза упала на лапу Азора» на листе бумаги, сложить бумагу чтобы буквы двух половин совпали, а потом буква за буквой исправлять все расхождения. Нечто подобное около 600 раз повторяется при рождении каждого мальчика. «Складывание» также позволяет «игрекам» компенсировать недостаток половой хромосомы-партнера и «рекомбинировать» с самими собой, заменяя гены на протяженности одного участка генами из другой точки.
Это палиндромное исправление совершенно гениально. Даже можно сказать, слишком гениально. Система, которую Y-хромосома использует для того, чтобы сравнивать палиндромы, к сожалению, не «знает», какой из палиндромов мутировал, а какой – нет; она только может определить, что они не совпадают. Поэтому нередко Y-хромосома заменяет хороший ген плохим. Авторекомбинация также (внимание!) приводит к тому, что ДНК между палиндромами случайным образом удаляется. Такие ошибки редко приводят к смерти человека, но могут сделать его семя бесплодным. В общем, Y-хромосома может исчезнуть, если не сможет корректировать мутации наподобие этой; но то, что нужно для такой корректировки – палиндромы, может, так сказать, кастрировать хромосому.
* * *И лингвистические, и математические свойства ДНК способствуют ее конечной цели: управлению данными. Клетки накапливают информацию и обмениваются ею друг с другом с помощью ДНК и РНК, и ученые уже привыкли говорить о программировании и обработке информации нуклеиновыми кислотами, будто бы генетика является отраслью криптографии или информатики.
И действительно, современная криптография в какой-то мере происходит из генетики. В 1915 году молодой генетик по имени Уильям Фридман окончил Корнелльский университет и присоединился к эксцентричному научному обществу, базировавшемуся в одной из деревень Иллинойса. Это общество могло похвастаться голландской ветряной мельницей, ручным медведем по имени Гамлет и маяком – последнее особенно забавно ввиду того, что дело происходило в доброй тысяче километров от побережья. Первым делом босс Фридмана поручил ему исследовать, как лунный свет влияет на гены пшеницы. Но благодаря полученным в университете знаниям по статистике молодой ученый вскоре оказался вовлечен в другой сумасбродный проект своего начальства[23]. Целью проекта было доказать то, что Фрэнсис Бэкон не только написал пьесы Шекспира, но и оставил на страницах Первого фолио[24] подсказки, свидетельствующие о своем авторстве. Подсказки включали в себя изменение формы отдельных букв.
Фридман воодушевился этим заданием – он полюбил работать с шифрами с тех самых пор, как в детве прочел «Золотого жука» Эдгара По – и доказал, что предполагавшиеся отсылки на Бэкона – это полная чушь. Он писал, что по тем же схемам дешифровки можно «доказать» что угодно: например, что «Юлия Цезаря» написал Теодор Рузвельт. Тем не менее Фридман заинтересовался генетикой как биологическим инструментом расшифровки кодов и после успешных попыток реальной дешифровки стал криптографом, работающим на правительство США. Основываясь на статистических знаниях, накопленных из генетики, Фридман вскоре сумел прочитать секретные телеграммы, которые в 1923 году спровоцировали так называемый скандал «Крышка заварника», связанный с получением взяток представителям власти. В начале 1940-х годов он приступил к расшифровке японских дипломатических кодов, включая десяток скандально известных депеш, отправленных из Японии в японское посольство в Вашингтоне и перехваченных 6 декабря 1941 года: в этих депешах говорилось о том, что война неминуема.
Фридман бросил генетику, потому что в первой четверти ХХ века (по крайней мере на фермах) генетикам приходилось слишком много времени просто сидеть вокруг и ждать, пока глупые звери начнут размножаться: это было больше похоже на животноводство, чем на научный анализ данных. Если бы Фридман родился поколением-двумя позже, он бы смог взглянуть на те же вещи совершенно иначе. К 1950-м годам биологи уже регулярно ссылаются на пары оснований А-Ц-Г-Т как на биологические «биты» и на генетику в целом как на код, который нужно взломать. Генетика окончательно превратилась в анализ данных и продолжала развиваться в этом направлении – в том числе благодаря работе более молодого последователя Уильяма Фридмена – инженера Клода Шеннона. Его работы охватывают как криптографию, так и генетику.
Ученые регулярно цитируют магистерскую диссертацию Шеннона, написанную 21-летним студентом Массачусетского технологического института в 1937 году: эта работа признается самой важной магистерской диссертацией в истории. В ней Шеннон изложил метод комбинирования электронных схем и элементарной логики для проведения математических операций. С помощью этого метода молодой ученый мог проектировать схемы для выполнения сложных вычислений, на которых основываются все цифровые цепи. Десять лет спустя Шеннон написал статью об использовании цифровых цепей для кодирования сообщений и более эффективной их передачи. Едва ли будет преувеличением сказать, что благодаря этим двум открытиям были с нуля созданы современные цифровые коммуникации.
Совершая судьбоносные открытия, Шеннон находил время и для других занятий. В своем офисе он любил жонглировать, ездить на одноколесном велосипеде, а порой делать и то и другое одновременно. Дома он постоянно возился со всяким хламом в подвале. Среди его прижизненных изобретений – фрисби с ракетным двигателем, палочки пого с моторчиком, машины для сборки кубика Рубика, механическая мышь по имени Тесей, выбирающаяся из лабиринтов, программа THROBAC, проводящая вычисления в римских цифрах, и «переносной компьютер» размером с пачку сигарет, предназначенный для того, чтобы срывать банк на рулетке[25].
Шеннон проявил интерес к генетике и в своей докторской диссертации, которую защитил в 1940 году. В то время биологи дорабатывали такой вопрос, как связь между генами и естественным отбором, но многих из них отпугнул большой объем статистики. Хотя позже Шеннон признавался, что в то время почти не разбирался в генетике, он погрузился в эту проблему. Он постарался сделать для генетики то, что уже сделал для электронных схем: свести все сложности к простым алгебраическим расчетам, в результате чего для любых вводных данных (генов в популяции) можно легко и быстро рассчитать результаты (какие гены будут успешно развиваться, а какие – исчезнут). Шеннон посвятил этой статье несколько месяцев, а потом, после защиты докторской, был окончательно соблазнен электроникой и больше никогда не возвращался к генетике. Впрочем, это неважно. Его новая работа послужила основой для информационной теории: настолько универсальной области знаний, что она и без непосредственного участия Шеннона начала активно применяться в генетике.
В соответствии с теорией информации Шеннон определяет, как передавать сообщения с наименьшим количеством ошибок – цель, которую реализовали биологи, аналогична разработке лучшего генетического года, минимизирующего количество ошибок в строении клетки. Кроме того, биологи приняли работы Шеннона об эффективности и избыточности различных языков. Как однажды подсчитал Шеннон, английский язык как минимум на 50 % является избыточным (бульварный роман Реймонда Чандлера, который он исследовал, и вовсе оказался избыточным на 75 %). Биологи также изучали эффективность, так как, согласно естественному отбору, эффективные организмы являются и более здоровыми. Соответственно, менее избыточная ДНК, по их выводам, приведет к тому, что клетка будет накапливать больше информации и быстрее ее обрабатывать, что является серьезным преимуществом. Однако членам клуба галстуков РНК известно, что ДНК в этом отношении более чем неоптимальна. Целых шесть триплетов А-Ц-Г-Т для одной-единственной аминокислоты – чрезвычайная избыточность! Если бы клетки экономили и использовали меньшее число триплетов для аминокислоты, они бы могли собирать больше аминокислот, чем канонические 20, что открыло бы новые горизонты молекулярной эволюции. Ученые в действительности доказали, что должным образом подготовленные клетки в лабораторных условиях могут использовать до 50 аминокислот.
Однако если у избыточности есть недостатки, то, как указывал Шеннон, должны быть и достоинства. Некоторая избыточность языка гарантирует, что мы сможем поддержать беседу, даже если некоторые слоги или целые слова будут утрачены. Блшнств лдй бз прблм мжт прчт прдлжн с прпснн бкв. Другими словами, если слишком большая избыточность отнимает время и энергию, небольшая – препятствует появлению ошибок. Применительно к ДНК избыточность тоже имеет смысл: это делает менее вероятным появление неверных аминокислот в результате мутаций. Более того, биологи подсчитали, что даже если мутация внедрит в организм неправильную аминокислоту, мать-природа подтасует так, что в любом случае шансы на то, чтобы новая аминокислота имела те же физические и химические характеристики и, следовательно, сложилась надлежащим образом, увеличатся. Это можно назвать аминокислотой-синонимом, так как клетки могут сохранить смысл «предложения».
Избыточность может иметь место и за пределами генов. Некодирующая ДНК – длинная последовательность ДНК между генами – содержит некоторые слишком избыточные отрезки символов, которые выглядят так, как будто кто-то не глядя провел пальцами по клавиатуре природы. Хотя эти и прочие участки кажутся мусором, ученым неизвестно, действительно ли такие последовательности не представляют никакой ценности. Один ученый задумался: «Геном – это низкопробный роман, в котором можно вырвать сто страниц, и ничего не изменится, или же он больше похож на произведение Хемингуэя, где вся сюжетная линия может потеряться из-за утраты одной страницы?» Однако в ходе исследований мусорной ДНК, в которых применялись теоремы Шеннона, обнаружилось, что их избыточность во многом похожа на избыточность в языке – это может значить, что некодирующая ДНК имеет еще не открытые лингвистические возможности.
Все это поразило бы Шеннона и Фридмана. Но, пожалуй, самое примечательное здесь то, что помимо прочих разумных функций ДНК также подсказала нам идеи, которые помогли изобрести мощнейшие на сегодня инструменты обработки информации. В 1920-х годах выдающийся математик Давид Гильберт пытался определить, существуют ли какие-либо механические процессы или алгоритмы, позволяющие доказывать теоремы автоматически, почти без размышлений. Гильберт при этом представлял людей, включающихся в этот процесс с карандашом и бумагой в руках. Однако в 1936 году математик (и любитель мастерить фигурки из бумаги) Алан Тьюринг набросал эскиз машины, способной выполнять такую работу. Машина Тьюринга выглядела очень просто: всего лишь длинная магнитофонная лента и устройство, проматывающее и маркирующее ленту, – но теоретически могла рассчитать ответ на каждую имеющую решение задачу, независимо от ее сложности, разбивая задачу на мелкие логичные ходы. Машина Тьюринга вдохновила многих мыслителей, в том числе и Клода Шеннона. Вскоре инженеры начали конструировать работающие модели – мы называем их компьютерами – с длинными магнитными лентами и записывающими головками, во многом похожие на модели Тьюринга.
Биологи, впрочем, знают, что машины Тьюринга практически ничем не напоминают механизмы, которые используются клетками для копирования, маркировки и чтения длинных цепочек ДНК и РНК. Эти тьюринговские биомашины работают в каждой живой клетке, ежесекундно решают любые, самые сложные задачи. Фактически ДНК работает лучше, чем машины Тьюринга: механизмы компьютера нуждаются в программном обеспечении; ДНК же – это и «хард», и «софт» одновременно, они и накапливают информацию, и выполняют команды. Они даже содержат инструкции копировать себя как можно чаще.
И это еще не все. Даже если бы ДНК была способна лишь на то, о чем мы уже узнали – раз за разом создавать свои точные копии, вытягивать в нити РНК и белки, выдерживать повреждения от ядерных взрывов, кодировать слова и фразы, даже высвистывать популярные мелодии, – уже это позволило бы ей считаться чудесной молекулой, одной из лучших. Но помимо всех этих достоинств ДНК отличается способностью строить предметы в миллиарды раз больше себя самой – и запускать их в путешествие по всему земному шару. ДНК даже может сохранять «путевые дневники», в которых указано, что каждое из ее созданий видело и делало в своей жизни, и сейчас, наконец, несколько особо удачливых существ, изучивших основы того, как работает ДНК, могут читать эти истории.
Часть II. Наше зоологическое прошлое Сотворение существ, которые ползают, резвятся и убивают
Глава 5. Реабилитация ДНК Почему жизнь развивалась так медленно, а затем резко ускорилась?
Почти сразу после прочтения одной статьи сестра Мириам Майкл Стимсон поняла, что работа ее жизни, стоившая десяти лет упорного труда, потерпела фиаско. В течение 1940-х годов эта монахиня-доминиканка, постоянно носившая черно-белую рясу с капюшоном, упорно и продуктивно делала карьеру ученого-исследователя. В стенах небольших религиозных колледжей в Мичигане и Огайо она проводила опыты с заживляющими раны гормонами и даже помогла в создании известного крема от геморроя (Preparation H), прежде чем найти свое призвание в изучении оснований ДНК.