Иллюстрации натуралистической ошибки не ограничиваются опасностью натуральных пищевых патогенов. Натуральная бледная поганка содержит более десятка различных натуральных ядовитых соединений, среди которых наиболее опасным считается альфа-аманитин, приводящий к массовой гибели клеток61. Смерть при отравлении бледной поганкой часто бывает долгой и мучительной. При этом постепенно отключаются почки, печень, легкие. Тем немногим, кому все-таки удается выжить после употребления данного гриба, обычно приходится делать пересадку жизненно важных органов.
Натуральная рыба фугу ядовита, если не приготовить ее особенным способом. При готовке из нее вынимают все внутренности, а мясо тщательно промывают, но не стоит пробовать сделать это дома: одной маленькой рыбы фугу, которая умещается на ладони, достаточно, чтобы отравить несколько человек. Японские повара, желающие готовить эту рыбу, должны пройти экзамен, в том числе съесть собственноручно приготовленное блюдо из фугу, а в древности повар, по ошибке отравивший клиента, должен был совершить ритуальное самоубийство.
Кожа золотой ядовитой лягушки покрыта натуральным нейротоксином (ядом, поражающим нервную систему), который называется батрахотоксин. Смертельная доза этого яда составляет лишь около 1–2 микрограммов на килограмм массы тела. Этот токсин предотвращает передачу импульсов по нервным волокнам, парализуя мускулатуру организма. Кроме того, он нарушает работу сердца, в конечном итоге приводя к его остановке.
Самая ядовитая змея – жестокая змея (пустынный тайпан). Взрослая особь имеет достаточно яда, чтобы убить сотню человек или 250 тысяч мышей. Яд этой змеи примерно в 180 раз сильнее яда кобры и содержит сразу несколько разных нейротоксинов, а также гемотоксины, разрушающие клетки крови, миотоксины, нарушающие работу мышц, и массу других ядов. Змеиный яд, конечно, тоже натурален.
После похода на природу, куда-нибудь в лес, особенно в Сибири, проверьте, не прицепился ли к вам клещ. Эти кровососущие существа могут поджидать вас, сидя на дереве или на высокой травинке. Некоторые из них распространяют вирус клещевого энцефалита, некоторые – бактерии рода Borrelia, возбудителей боррелиоза (болезни Лайма). Все это – совершенно натуральные заболевания, поражающие центральную нервную систему, которые в ряде случаев приводят к смерти.
Механизмы защиты от врагов отличаются у растений и животных. Если животные могут попробовать убежать или защититься с помощью рогов или клыков, то растения такой возможности не имеют. Поэтому они специализируются на других приспособлениях – на колючках, а также химическом и биологическом оружии. Самая обычная картошка или соя может содержать вещества, нарушающие работу (ингибиторы) трипсина – важного пищеварительного фермента. Трипсин производится поджелудочной железой и попадает в кишечник, где он расщепляет белки, поэтому его ингибиторы нарушают переваривание пищи62.
Долгое время среди органических фермеров пользовался популярностью ротенон – сложное органическое соединение, которое можно получать из корней некоторых растений семейства бобовых. Ротенон – натуральный пестицид, чрезвычайно ядовитый для насекомых и рыб. Оказалось, что ротенон индуцирует болезнь Паркинсона у млекопитающих, разрушая нервные клетки63–65. Кроме того, это вещество токсично для клеток плазмы крови человека66, причем бывали случаи, когда в продуктах содержание ротенона превышало предельно допустимые значения67. Сейчас многие страны начали отказываться от этого натурального пестицида.
В действительности по весу более 99 % пестицидов, употребляемых нами в пищу, имеют абсолютно натуральное происхождение – производятся растениями для защиты от вредителей в естественной среде обитания68. Некоторые из этих пестицидов безопасны в небольших количествах (и даже используются в кулинарии), другие – сильно ядовиты. Алкалоид капсаицин, придающий перцу остроту, – эффективный инсектицид. В листьях, плодах, стеблях и клубнях картофеля и других пасленовых часто содержится соланин и другие токсичные алкалоиды69.
Соланин вызывает разложение эритроцитов, тошноту, головную боль, понос, повышение температуры, а в тяжелых случаях судороги, делирий (помраченное сознание) и кому. К счастью, человечество освоило искусственные методы, позволяющие сделать картофель безопасным, – термическую обработку. Любопытно, что содержание соланина в картофеле зависит от условий выращивания и хранения, причем последние факторы нередко играют большую роль, чем гены растения. Например, если клубни картофеля оставить на солнечном свете, они зеленеют и в них накапливается больше соланина, то есть один и тот же сорт картофеля может оказывать разное воздействие на организм.
В 1968 году методами классической селекции была выведена картошка “Ленапе” (Lenape)70, но спустя пару лет после успешного выхода этого сорта на рынок оказалось, что в нем сильно повышено содержание соланина71, поэтому его коммерческое выращивание прекратили. В конце XX века история повторилась со шведским сортом “Магнум Бонум” (Magnum Bonum)72. При создании гибридов двух разных сортов картофеля непредсказуемым образом может меняться не только количество алкалоидов, но и их состав. Могут появляться и совсем новые алкалоиды73. Это лишь несколько примеров возможных негативных последствий обычной селекции, в результате которой получаются продукты, считающиеся “натуральными” и (ошибочно) безопасными.
Некоторые полагают, что природа “мудра” и не терпит вмешательства, однако именно эта “мудрость” породила описанные выше угрозы для человеческой жизни и нежелательные изменения растительных геномов. У природы нет никакого “плана”, который мы могли бы нарушить. Порой (и временами заслуженно) она хочет нас убить, а мы защищаемся как умеем – с помощью интеллекта, технологий и изобретений. Жители глухих африканских деревень на своем горьком опыте знают, насколько “хорошо” людям живется в условиях, приближенных к естественной среде обитания человека: рядом с натуральным малярийным комаром, вирусом Эбола и ВИЧ. Интеллект – наша главная адаптация к меняющимся и нередко враждебным условиям окружающей среды. Интеллект позволяет нам производить средства защиты от вредных микроорганизмов: так, искусственная вакцина от оспы спасала нас от оспы натуральной. Интеллект позволяет нам производить растения более высокого качества. Благодаря достижениям научно-технического прогресса, которые многие так пренебрежительно характеризуют термином “искусственное”, продолжительность жизни человека выросла в развитых странах с тридцати до семидесяти – восьмидесяти лет.
Сам термин “натуральность” мы используем неправильно. Человек и его творения как бы противопоставляются природе, хотя человек тоже является ее частью, продуктом биологической эволюции. Почему продукты, произведенные человеком, не натуральны, а продукты, произведенные пчелами и более нигде в природе не встречающиеся, например мед, – натуральны? Почему, когда люди занимаются генной инженерией – это плохо, но когда ею занимаются бактерии, живущие в почве и переносящие свои гены в растения, или вирусы, встраивающие свои генетические последовательности в геномы всевозможных живых организмов, – это считается естественным и безопасным?
Современных “натуральных” продуктов не существовало бы, если бы человек не вмешивался в эволюционные процессы и не направлял их. Кукуруза, капуста, арбуз, дыня – все это результаты селекции, искусственного отбора, который на протяжении многих поколений менял растения и их наследственную информацию, чтобы те могли стать растениями культурными. На самом деле генетически модифицированные организмы – такие же натуральные, как селекционные сорта растений. Это не повод считать их абсолютно безопасными, ведь и натуральное может представлять угрозу для здоровья, но это повод относиться к ним так же, как к обычным организмам, без двойных стандартов. Почему ГМО натуральны, станет понятно по мере ознакомления с основами работы генетического аппарата клеток в последующих главах книги.
Глава 5 Грамматика жизни. ДНК, гены, геномы
В основе передачи наследственной информации у любых живых организмов, будь то люди, животные, растения, грибы или бактерии, лежит двухцепочечная молекула ДНК74. Каждая из двух цепей – полимер, состоящий из четырех типов мономеров, нуклеотидов аденина (A), тимина (T), цитозина (C) и гуанина (G). Например, вот короткая последовательность одной цепочки ДНК из семи нуклеотидов: GATTACA (это также название известного фантастического фильма). Напротив нуклеотида А одной цепи во второй цепи молекулы ДНК всегда стоит Т, а напротив G – всегда C. Это свойство называется комплементарностью и помогает молекуле ДНК размножаться в ходе процесса, который называется репликация.
Глава 5
Грамматика жизни. ДНК, гены, геномы
В основе передачи наследственной информации у любых живых организмов, будь то люди, животные, растения, грибы или бактерии, лежит двухцепочечная молекула ДНК74. Каждая из двух цепей – полимер, состоящий из четырех типов мономеров, нуклеотидов аденина (A), тимина (T), цитозина (C) и гуанина (G). Например, вот короткая последовательность одной цепочки ДНК из семи нуклеотидов: GATTACA (это также название известного фантастического фильма). Напротив нуклеотида А одной цепи во второй цепи молекулы ДНК всегда стоит Т, а напротив G – всегда C. Это свойство называется комплементарностью и помогает молекуле ДНК размножаться в ходе процесса, который называется репликация.
Во время репликации двойная спираль расплетается на две одинарные цепи, и к каждой из них достраивается зеркальная, комплементарная копия, нуклеотид за нуклеотидом (А напротив Т, G напротив C и так далее). В результате мы получаем две одинаковые двухцепочечные молекулы, которые при клеточном делении разойдутся к разным полюсам клетки и достанутся двум ее потомкам. Процесс построения осуществляет фермент ДНК-полимераза, названный так потому, что он берет одиночные нуклеотиды (мономеры) и создает из них нить (полимер).
Структура молекулы ДНК была открыта в 1953 году молекулярными биологами Фрэнсисом Криком и Джеймсом Уотсоном. В начале того же года американский химик и впоследствии лауреат двух Нобелевских премий Лайнус Полинг предложил неправильную структуру молекулы ДНК с тремя спиралями75, то есть до Уотсона и Крика структура молекулы ДНК не была очевидной даже для выдающихся ученых. Тем интереснее, что советский ученый Николай Кольцов из самых общих соображений предположил, что наследственная информация должна храниться в виде огромной молекулы, сделанной из двух зеркальных цепей, еще в 1927 году!
Совокупность молекул ДНК какого-нибудь организма называется геномом. У бактерий и архей, образующих группу прокариот – организмов, клетки которых не содержат ядра, – геном обычно представлен одной двухцепочечной молекулой ДНК, замкнутой в кольцо. Иногда у прокариот есть еще несколько дополнительных кольцевых молекул ДНК меньшего размера – плазмид. У эукариот, организмов с клеточными ядрами, к которым принадлежат растения, грибы и животные, а также некоторые одноклеточные простейшие, геном обычно больше, чем у бактерий, и представлен несколькими линейными молекулами ДНК – хромосомами.
В качестве примера рассмотрим геном человека. В его состав входят 22 неполовые хромосомы и половые хромосомы Х и Y. В большинстве наших клеток неполовые хромосомы присутствуют в двух копиях – одна достается нам от мамы, а другая от папы, то есть всего хромосом 46. У мужчин присутствует по одной копии половых хромосом – Х и Y а у женщин две Х-хромосомы. У человека изменение количества хромосом, как правило, либо несовместимо с жизнью (в большинстве случаев), либо приводит к отклонениям вроде синдрома Дауна (когда у человека три 21-х хромосомы). Чего бы там ни говорил один отечественный министр культуры, у народа России (к счастью) лишней хромосомы нет.
Кроме того, отдельный геном имеется у митохондрий – особых структур внутри наших клеток, у которых есть собственная оболочка (мембрана). Митохондрии как будто маленькие отдельные организмы, которые способны размножаться внутри клеток и имеют ряд важных функций, например производство молекул, используемых в качестве источника энергии во многих клеточных процессах.
Одинарный набор хромосом человека насчитывает примерно три миллиарда нуклеотидов, “букв" – это размер его генома. Двойной набор хромосом – это примерно шесть миллиардов нуклеотидов. Если их сшить вместе и вытянуть в нить, получится молекула длиной примерно два метра, которая тем не менее столь тонка и так плотно упакована, что помещается в клеточном ядре, размер которого всего несколько микрометров (один микрометр – это одна миллионная метра).
Наиболее изученный тип функциональных последовательностей ДНК – гены, кодирующие белки. С таких генов считывается молекула матричной РНК (мРНК) в ходе процесса, который называется транскрипция, что переводится как “переписывание". РНК, как и ДНК, состоит из четырех типов мономеров, но вместо нуклеотидов тимина (T) в состав РНК входят нуклеотиды урацила (U). Молекула мРНК – одноцепочечная, комплементарная той цепи молекулы ДНК, с которой она “переписана”. Она играет роль инструкции для синтеза какого-нибудь белка (протеина). Белки, в свою очередь, могут выполнять очень разные функции: “сшивать” клетки вместе, чтобы те образовывали ткани, осуществлять всевозможные химические превращения, регулировать работу генов и так далее.
Представьте, что у вас есть кулинарная книга (геном), которая содержит множество рецептов (генов). Вы можете сделать ксерокопии отдельных рецептов и разослать их поварам. Книга у вас одна, а копий рецептов и поваров много. Такие рецепты в данной аналогии – РНК. Ну а белки – продукт деятельности поваров: различные блюда. В клетках роль поваров выполняют структуры, называющиеся рибосомами, – молекулярные фабрики для синтеза белков. Процесс синтеза белков называется трансляцией (“переводом").
Белки, как и молекулы ДНК и РНК, являются полимерами, только белки состоят не из нуклеотидов, а из аминокислот. Последовательность аминокислот белка определяется последовательностью кодонов – троек нуклеотидов молекулы РНК, а правило соответствия кодонов аминокислотам называется генетическим кодом. Например, у большинства живых организмов кодон GCC кодирует аминокислоту аланин, а кодон AUG – метионин. Последовательность нуклеотидов AUGGCCGCC кодирует последовательность из трех аминокислот: метионин, за которым следуют два аланина.
Три нуклеотида в кодоне и четыре разные буквы генетического алфавита позволяют создать 43, или 64, разных кодона, то есть с их помощью можно закодировать 64 аминокислоты. Но в стандартном генетическом коде присутствует всего 20 аминокислот, то есть одна и та же аминокислота кодируется сразу несколькими различными кодонами. Это свойство генетического кода называется вырожденностью. Стоп-кодонов, командующих рибосоме остановить синтез белка, в стандартном генетическом коде тоже несколько, а точнее три: UGA, UAG, UAA. Слева приведена схема стандартного генетического кода. В круге первом расположены 4 возможные первые буквы кодона (A, C, U, G). Напротив каждой большой буквы расположены 4 буквы поменьше – вторые буквы кодона. В следующем круге расположены третьи буквы кодона. В четвертом круге напротив группы кодонов показана аминокислота, которую они кодируют.
Иногда в СМИ можно услышать не совсем корректное выражение “генетический код мутировал". На самом деле мутации происходят не в генетическом коде, а в молекулах ДНК, в геноме, в результате чего меняются нуклеотидные последовательности. Мутации можно сравнить с заменой буквы в отдельном слове. Например, фраза “Маша ехала на мотоцикле" превращается во фразу “Саша ехала на мотоцикле", если одна буква М “мутировала" в букву С. Изменение генетического кода намного серьезнее – это как изменение алфавита. Представим, что во всем тексте буквы М внезапно превратились в буквы К. Теперь у нас “Каша ехала на котоцикле". Понятно, что такие изменения приводят к значительным последствиям и делают практически любой достаточно длинный текст бессмысленным. Поэтому изменения генетического кода происходят крайне редко. Но происходят!
Небольшое отклонение от стандартного генетического кода есть у некоторых инфузорий. Один или даже два стоп-кодона стандартного генетического кода могут кодировать у этих одноклеточных организмов аминокислоту глутамин76, 77. В случае некоторых организмов можно сделать небольшое искусственное изменение генетического кода. Например, ученым удалось взять кишечную палочку и сделать так, чтобы один из ее трех стоп-кодонов начал кодировать аминокислоту78. Ну а в природе еще одним любопытным исключением является генетический код митохондрий, отличающийся от стандартного кода сразу несколькими кодонами. Если не учитывать митохондрии, у большинства организмов генетический код один и тот же: у человека он такой же, как у червяка, утконоса или огурца, или даже у кишечной палочки. А вот геномы у этих организмов различаются очень сильно. Тот же алфавит, но другой текст.
Но что стоит за генетическим кодом? Почему напротив того или иного кодона ставится определенная аминокислота? Аминокислоты доставляются в рибосому молекулами, которые называются транспортными РНК. К одной части транспортной РНК прикреплена аминокислота, а другая ее часть содержит нуклеотиды, комплементарные кодону, который кодирует аминокислоту. Кодоны различаются, поэтому и транспортные РНК бывают разными.