Что же делают клетки с этими мини-электростанциями? Вот тут-то ситуация становится еще более поразительной. К мембране прикреплено огромное количество турбин нанометрового масштаба. Когда упакованным протонам разрешается выйти обратно через особые секции мембраны, они вызывают вращение этих крохотных турбин — примерно как порывы ветра заставляют вращаться крылья ветряных мельниц. В минувшие века такое вращательное движение под действием ветра использовали для помола пшеницы или другого зерна в муку. «Клеточные мельницы» тоже заняты помолом, но вместо разрушения структуры этот процесс, наоборот, строит ее. Проворачиваясь, молекулярные турбины раз за разом сводят между собой две конкретные молекулы и синтезируют таким образом вполне конкретную молекулу (на вход поступает АДФ, аденозиндифосфат плюс еще одна фосфатная группа; на выходе получается АТФ, аденозинтрифосфат). Составляющие этой молекулы, принудительно сведенные турбиной, находятся в напряженном состоянии: взаимно отталкивающиеся заряженные части молекулы удерживаются вместе химическими связями. Вся конструкция подобна сжатой пружине и жаждет освободиться. Это необычайно полезно. Молекулы АТФ могут путешествовать по всей клетке, а в нужный момент высвобождают запасенную энергию, разрывая химические связи и позволяя входящим в состав молекулы частицам расслабиться и перейти в более низкоэнергетическое, более комфортное состояние. Именно энергия, высвобождаемая при диссоциации молекул АТФ, обеспечивает выполнение клеточных функций.
Уровень неустанной активности этих клеточных электростанций станет ясен, если обратить внимание на несколько чисел. Функции, обеспечивающие жизнь типичной клетки на протяжении всего лишь одной секунды, требуют энергии, запасенной примерно в 10 000 000 молекул АТФ. В теле человека десятки триллионов клеток, и это означает, что каждую секунду вы используете порядка ста миллионов триллионов (1020) молекул АТФ. Каждый раз при использовании АТФ расщепляется на составляющие (АДФ и фосфатную группу), которые затем турбины, питаемые протонными аккумуляторами, снова сводят вместе в полностью обновленные молекулы АТФ. Эти молекулы АТФ вновь пускаются в путь, доставляя энергию во все уголки клетки. Таким образом, чтобы удовлетворить энергетические потребности вашего организма, клеточные турбины должны быть поразительно продуктивными. Даже если вы читаете очень быстро, за время, которое вы потратили на просмотр этого предложения, ваше тело успело синтезировать около 500 миллионов триллионов молекул АТФ. А вот сейчас еще на 300 миллионов триллионов больше.
Оставляя в стороне подробности, можно подвести некоторый итог. По мере того как энергичные электроны из пищи (или электроны, получившие энергию от солнечного света в растениях) каскадом осыпаются по химической лестнице, энергия, высвобождаемая на каждой ступеньке, заряжает биологические аккумуляторы, которые имеются во всех клетках. Затем энергия, запасенная в аккумуляторах, используется для синтеза молекул, играющих в клетке роль грузовиков службы доставки почтовых отправлений: эти молекулы надежно доставляют энергетические пакеты туда, где они нужны, в пределах клетки. Именно этот универсальный механизм снабжает энергией все живое. Именно этот замечательный энергетический маршрут лежит в основе каждого нашего действия и каждой нашей мысли.
Как и при кратком знакомстве с ДНК, главное здесь никак не зависит от конкретики: этот хитроумный и причудливый на первый взгляд набор процессов, которые обеспечивают клетку энергией, универсален для всего живого. Такое единство, вместе с единством ДНК-кодирования клеточных инструкций, является мощнейшим свидетельством в пользу того, что вся жизнь на Земле произошла от общего предка.
Вспомним, как Эйнштейн искал единую теорию природных взаимодействий и как сегодня физики мечтают о еще более величественном синтезе, охватывающем всю материю и, возможно, пространство и время в придачу. Есть что-то необыкновенно соблазнительное в том, чтобы отыскать общее ядро в широком спектре совершенно разных на первый взгляд явлений. То, что глубинные внутренние механизмы всего живого — от моих двух собак, спокойно дремлющих на ковре, до хаотического мельтешения насекомых, привлеченных лампой возле окна, от лягушачьего хора, доносящегося с ближнего пруда, до койотов, далекий лай которых я сейчас слышу, — основаны на одних и тех же молекулярных процессах… ну, это поражает воображение. Так что оставим в стороне подробности, прервемся перед завершением главы и позволим этому чудесному факту как следует улечься в сознании.
Осознание жизненных фактов не только приносит неожиданную ясность, но и побуждает копать глубже. Как возник пресловутый общий предок всего сложного живого мира? Еще глубже: как возникла жизнь? Ученым еще только предстоит определить источник жизни, но наша дискуссия уже показала, что этот вопрос делится на три части. Как возник генетический компонент жизни — способность хранить, использовать и воспроизводить информацию? Как возник метаболический компонент жизни — способность извлекать, хранить и использовать химическую энергию? Как возникла упаковка генетической и метаболической молекулярной «машинерии» в самодостаточные мешочки — клетки? История происхождения жизни требует определенных ответов на эти вопросы, но даже без полного понимания ситуации мы можем обратиться к объясняющей многое концепции — дарвиновской эволюции, которая почти наверняка будет неотъемлемой частью будущего нарратива.
Когда я впервые узнал о теории эволюции Дарвина, учитель биологии представил ее так, будто это было остроумное решение какой-то головоломки, однажды поняв которое человеку полагается стукнуть себя по лбу и воскликнуть: «Как же это я сам не додумался?!» Загадка в том, чтобы объяснить происхождение богатого, разнообразного и изобильного множества биологических видов, населяющих планету Земля. Решение, предложенное Дарвином, сводится к двум взаимосвязанным идеям. Во-первых, когда организмы размножаются, потомство в целом похоже на родителей, но не идентично им. Или, как сформулировал это Дарвин, наследование происходит с модификацией. Во-вторых, в мире, где ресурсы конечны, существует конкуренция за выживание. Биологические модификации, которые способствуют успеху в этом состязании, повышают вероятность того, что их носитель проживет достаточно долго, чтобы продолжить род, и передаст способствующие выживанию признаки по наследству будущим поколениям. Со временем различные комбинации успешных модификаций медленно накапливаются, заставляя первоначальную популяцию разделиться на группы, которые затем образуют отдельные виды[78].
Теория эволюции Дарвина, простая и интуитивно понятная, кажется чуть ли не самоочевидной. Однако какой бы убедительной ни была объяснительная часть, если бы теория эволюции не подтверждалась конкретными данными, она никогда не была бы принята научным сообществом. Одной логики недостаточно. Уверенность в теории эволюции зиждется на ошеломляющей поддержке, которую она получила благодаря ученым, сумевшим проследить постепенные изменения в строении организмов и выделить те адаптивные преимущества, что приносят с собой эти изменения. Если бы таких трансформаций не было, или если бы они возникали без всякой очевидной закономерности, или если бы они не были никак связаны с шансами носителя на выживание и продолжение рода, школьники во всем мире не изучали бы на уроках теорию эволюции Дарвина.
Дарвин ничего не говорил про биологические основы наследования с модификацией. Как живые существа передают свои черты потомству? И как так получается, что некоторые из этих черт наследуются в измененном виде? Во времена Дарвина ответы на эти вопросы были неизвестны. Конечно, все понимали, что малышка Мэри похожа на маму и на папу, но до понимания молекулярного механизма передачи признаков по наследству предстояло сделать еще много открытий. То, что Дарвин сумел разработать теорию эволюции в отсутствие каких бы то ни было подробностей, говорит об общем характере и силе этих идей. Они выше этих мелочей. Только почти 100 лет спустя, в 1953 г., раскрытие структуры ДНК сделало путь к молекулярной основе наследственности видимым. Со сдержанностью, присущей интеллигентным людям, Уотсон и Крик завершили свою статью преуменьшением, достойным занять место в ряду самых знаменитых в истории: «От нашего внимания не укрылось, что постулированные принципы попарного соединения незамедлительно предполагают возможный механизм копирования генетического материала».
Уотсон и Крик выявили процесс, посредством которого живое дублирует те самые молекулы, где хранятся внутренние инструкции клетки, что позволяет передавать эти инструкции потомству. Как мы уже видели, информация, направляющая клеточные функции, кодируется последовательностью оснований вдоль нитей закрученной лестницы ДНК. Когда клетка готовится к размножению — делению на две, лестница ДНК разделяется посередине, образуя две отдельные нити, каждая из которых содержит некую последовательность оснований. Поскольку последовательности комплементарны (А на одной нити гарантирует, что на второй нити в соответствующем месте стоит Т; Ц на одной нити гарантирует, что на второй нити в соответствующем месте стоит Г), каждая нить представляет собой шаблон для построения копии второй нити. Присоединив к основаниям на каждой из нитей соответствующие основания, клетка получает две полные копии первоначальной молекулы ДНК. Когда клетка после этого делится, каждая дочерняя клетка получает один из продублированных экземпляров. Таким образом генетическая информация передается от одного поколения к следующему — это и есть тот механизм копирования, который не ускользнул от внимания Уотсона и Крика.
Согласно описанию, процесс копирования должен дать на выходе две идентичные двойные нити ДНК. Откуда же берутся в дочерних клетках новые, или модифицированные, признаки? Все дело в ошибках. Ни один процесс не может проходить идеально на 100 %. Ошибки обязательно будут происходить, хотя и редко, иногда случайно, а иногда в результате воздействия среды — к примеру, энергичных протонов,