КСТАТИ
Дарвин и сам предполагал что-то подобное менделевскому наследованию: он воображал микроскопические частицы, передающие наследственные признаки организма через половые клетки в новое поколение. Частицы он называл «геммулы», а всю гипотезу наследственности «пангенезис». Именно от этого слова ведет свое происхождение слово «ген». Но для самого Дарвина «частицы наследования» навсегда остались умозрительной гипотезой.
Мендель и его горох – это очень круто, но только если вы уже хорошо понимаете, как все на самом деле работает. Именно поэтому, на мой взгляд, законы Менделя в школьной программе просто адская скукотища. Механика наследственности – это механика молекул. Мы не будем пытаться восстановить логику человека из XIX в., нащупавшего интимную жизнь этих молекул в своих расчетах окраски гороха. Наследственность гораздо проще понять, если взглянуть на мир с точки зрения самих молекул. Поэтому от Дарвина, Дженкина и Менделя мы отправимся не вперед, к Моргану, Добржанскому и троице Франклин – Уотсон – Крик, а назад, в глубину вечности и в глубину океана, к нашим гидротермальным источникам, с которых все началось.
Мы оставили наши РНК-машины, когда они научились создавать копии собственных последовательностей. Сами того не подозревая, эти молекулы тем самым попали под юрисдикцию теории Дарвина, их далекого правнука.
Согласно определению американского космического агентства NASA, ответственного в том числе за поиск внеземной жизни, жизнь – это «химическая система, способная к дарвиновской эволюции». То есть смесь молекул становится живой, если она способна к наследуемости, обладает изменчивостью и подвержена отбору.
В предыдущей главе мы проследили самое сложное из этих требований: наследуемость, то самое ноу-хау жизни, которое разом меняет правила игры для куска материи. В современном мире наследуемость достигается копированием ДНК при посредстве белков, но первым прототипом наследуемой системы большинство биологов сегодня считает ту или иную форму самокопирующихся РНК. Я, например, выступаю за автокаталитические ансамбли из разных РНК, совокупностью своей работы обеспечивающие собственное воспроизведение где-то в толще гидротермального источника.
Изменчивость этих РНК, как и всех их потомков, объяснить куда проще. Это просто элемент случайности. Те же камни разнообразны не потому, что у них есть какое-то особое свойство разнообразности, а просто в силу хаотичности природы. Нет двух одинаковых снежинок или двух одинаковых капель воды, потому что и снежинки, и капли – сложные системы, состоящие из астрономического количества молекул, в поведении которых бывает масса случайностей. Но для теории Дарвина такого хаоса мало: она стоит не просто на изменчивости, а на наследуемой изменчивости.
Если многократно делать ксерокопии одного и того же оригинала, то эти ксерокопии будут почти неотличимы друг от друга. Но если скопировать на ксероксе фотографию, затем ее копию, затем – копию копии и так далее, постепенно она станет неузнаваемой. То же самое произойдет, если многократно пересохранять файл в формате jpeg, как, например, в ВК-сообществе «Путин каждый день», где фотография президента с каждым днем теряет в качестве и уже давно выглядит как угловатая черно-белая галлюцинация18.
Почему это происходит? Потому что копирование делает случайные мимолетные изменения постоянными. Выше я упоминал, что наследование дает признаку доступ к вечности. Искажения, возникающие в каждой ксерокопии, могут быть мелкими и случайными, но если продолжать их копировать, то они будут сохраняться и накапливаться.
Любая химическая реакция, включая сборку цепочки РНК или ДНК, – это столкновение молекул, в результате которого происходит перераспределение их электронных облаков. Молекулы ударились друг о друга своими атомами, а вот сольются их облака в одно или нет – это уже дело случая. Бывает, что сливаются почти всегда, а бывает – когда как. Молекулы постоянно болтаются туда-сюда с огромной скоростью и все время друг в друга врезаются, и иногда от этого в них что-то переламывается, что-то куда-то притягивается, что-то откуда-то отваливается, а что-то куда-то приклеивается. Поэтому случайные, ненаправленные и маловероятные реакции постоянно происходят со всеми молекулами, от белков и липидов до РНК и ДНК. Но поломка белка – это как искажение в ксерокопии с оригинала, потому что белки всегда производятся с нуля, а не из других белков. Искажение первой ксерокопии редко бывает существенным, а если вдруг копия вышла совсем косой, ее можно выкинуть и переделать. Поломка в ДНК, или мутация, отличается тем, что она затрагивает не только эту одну конкретную молекулу, но и всех ее потомков.
Мутации – результат неизбежной хаотичности молекулярного мира. Порой вместо наиболее вероятной реакции происходит менее вероятная: в случае копирования ДНК, например, вместо комплементарного нуклеотида может встревать некомплементарный. Нуклеотиды или целые цепи иногда тупо ломаются, иногда к ним приклеиваются молекулы, которые меняют их свойства, и так далее. Если сломался белок, то он в конечном итоге будет просто списан, разобран клеткой на аминокислоты, и про его поломку все забудут. Поломка в ДНК, если ее вовремя не исправить, при следующем копировании станет неотделимой от оригинала.
КСТАТИ
В учебнике все внутриклеточные процессы показаны аккуратными стрелочками, как будто молекулы целенаправленно идут к выбранному партнеру и вежливо с ним реагируют, когда клетке это нужно. На самом деле молекулы понятия не имеют, что им делать. Просто их такое количество, и носятся они по клетке с такой скоростью, что успевают за долю секунды случайно столкнуться с подходящим по химическим свойствам партнером. Клетка забита сложными молекулами как вагон метро в час пик, только в этом вагоне все непрерывно прыгают, кувыркаются и ходят друг у друга по головам с невообразимой для нашего макроскопического мира скоростью. Моя любимая иллюстрация этой скорости – синтез белка. Как читатель помнит из предыдущей главы, в ходе этого процесса лента матричной РНК пропускается через рибосому, которая подбирает под каждое из трехбуквенных «слов» подходящую аминокислоту. Этих аминокислот 20 штук, и каждая доставляется в рибосому специальной транспортной РНК. Как происходит «подбор» нужной аминокислоты под текущее «слово»? Да никак. Просто клетка кишит транспортными РНК с прикрепленными к ней аминокислотами, и периодически они случайным образом залетают в специальное окошко рибосомы, и периодически из 20 типов этих залетающих транспортных РНК одна окажется подходящей под «слово», в данный момент находящееся внутри рибосомы[5]. То есть рибосома в буквальном смысле ждет, пока в нее случайно залетит нужная деталь из десятков возможных – и так на каждой ступени сборки белка, обычно состоящего из нескольких сотен аминокислот. Сколько же времени занимает настолько муторный и маловероятный процесс? Средний белок длиной в 500 аминокислот собирается на рибосоме около 25 секунд, то есть скорость, с которой в рибосому залетают подходящие аминокислоты – 20 штук в секунду20 (неподходящие аминокислоты, ясное дело, залетают в десятки раз чаще). Не знаю, как вам, а мне таких скоростей даже не представить.
В современном мире клетка делает все возможное, чтобы снизить вероятность мутаций. Например, у человека полимеразы, которые вяжут копию ДНК, умеют ловить ошибки, возвращаться назад и стирать неверную «букву». Целые команды белков-дружинников бродят по геному и проверяют, чтобы все было комплементарно, сшивают, если порвалось, переписывают, если повредилось. Отчасти это связано с тем, что, в отличие от древних РНК, для которых случайные мутации были единственным источником изменчивости, у нас, современных видов, есть другие, менее рискованные и более эффективные способы внести в жизнь разнообразие между поколениями – прежде всего половое размножение, при котором перемешиваются гены двух разных организмов. Но об этом разговор впереди. Удивительно не то, что в современных клетках мутациям противостоит жесткая инспекция, а то, что при всех ухищрениях клетки мутации все равно происходят, пусть и существенно реже. В этом смысле изменчивость, как и отбор, тоже сила природы, хаос, заложенный в принципах работы Вселенной. Его может быть больше или меньше, но не может вообще не быть.
Итак, наши древние РНК-машины умеют воспроизводить самих себя, то есть размножаться, наследуя при этом признаки своих родителей. Благодаря комплементарному копированию они наследуют последовательности родительских нуклеотидов. Но в этом процессе неизбежны ошибки, то есть в последовательностях периодически будут появляться наследуемые изменения. Поскольку в РНК информация (последовательность) определяет функцию (то, что молекула умеет делать), по крайней мере некоторые из этих изменений последовательности отразятся на умении молекулы воспроизводиться, то есть между двумя разными копиями неизбежно возникнут различия в способностях. И тут в дело включается отбор, решающий, какие из вариантов лучше, а какие хуже.
Как уже упоминалось, отбора просто не может не быть, было бы наследование. Если нет отбора, значит, нет никаких проблем, то есть все копируется одинаково хорошо без малейших затруднений. Но рано или поздно проблемы появятся. Если самокопирующиеся РНК ограничены количеством доступных нуклеотидов, то молекула, хватающая эти нуклеотиды быстрее других, будет размножаться в больших количествах – то есть будет отбор на скорость потребления нуклеотидов. Если они ограничены определенной температурой, то молекула, умеющая работать при других температурах, найдет много свободного места и его заполнит – то есть будет отбор на термоустойчивость. Если они ограничены только пространством – допустим, гидротермальным источником, – то они размножатся до пределов этого источника и преимущество получит молекула, умеющая разбирать или вытеснять другие молекулы.