Том Джексон - Взламывая биологию

Биофизика – это один из способов с точки зрения физики взглянуть на биологические системы. Открытия в биологии последних лет невозможно представить без значительного вмешательства со стороны физиков.

Биология и физика всегда имели много точек соприкосновения, но термин «биофизика» был использован только в 1892 г. Дисциплину же с таким названием признали только в 1958 г. – тогда в США было основано Биофизическое общество. Биофизики изучают жизнь на всех уровнях: от атомов и молекул до строения и поведения клеток, организмов и сред обитания. С помощью методов, разработанных для описания физических процессов, они отвечают на вопросы биологии, которые сложно решить по-другому. Например, структура ДНК была распознана с помощью рентгеновских лучей – инструмента физиков. Сегодня биофизиков занимают такие вопросы: каким образом квантовая физика применима к метаболизму, особенно при фотосинтезе? какую механическую функцию в клетках выполняют белки и как их можно использовать в других местах? как биологические нейронные сети используют коды для передачи сообщений?

Тандем атомной физики и биологии позволяет ученым понять, как сложные белки, подобные этому аденовирусу, реагируют на химические вещества.

Центральная догма молекулярной биологии объясняет, как генетическая информация проходит по организму. Догму сформулировал в 1958 г. Фрэнсис Крик, один из ученых, открывших строение ДНК.

Фрэнсис Крик, один из открывателей спиральной структуры ДНК, показал, что генетическую информацию можно записать кодом из четырех букв, обозначающих последовательность четырех азотистых оснований: аденина (A), тимина (T), цитозина (C) и гуанина (G). ДНК – это хранилище информации. Но информации о чем? В 1955 г. ученые обнаружили, что генетический код – это инструкция для выстраивания белков определенным образом. Их клетка использует в качестве ферментов или других функциональных химических веществ. Белки – сложные полимеры, состоящие из длинных цепочек, включающих несколько десятков аминокислот. Код каждого гена транслирует уникальную последовательность аминокислот. Крик охарактеризовал процесс превращения генов в белки как догму, чтобы подчеркнуть тот факт, что генетическая информация поступает только в одном направлении: данные, хранящиеся в коде ДНК, передаются клетке при помощи РНК, которая выстраивает, или синтезирует, конкретный белок. Но при этом состав белка никогда не используется для кодирования ДНК. Кроме того, центральная догма применима ко всем формам жизни: код и система расшифровки универсальны.

В клетке существует множество типов РНК, но центральная догма опирается только на четыре из них. Матричная РНК (мРНК) кодирует последовательность аминокислот в белке. Транспортная РНК (тРНК) переносит аминокислоты к рибосомам во время расшифровки. Рибосомная РНК (рРНК) с рибосомными белками формирует рибосомы. И, наконец, низкомолекулярная ядерная РНК (няРНК) образует комплексы с белками, которые используются при обработке РНК. Такая РНК встречается только у эукариотических организмов.

Центральная догма – это многоэтапный процесс, в ходе которого информация от ДНК в ядре передается фабрикам по производству белка – рибосомам.

Передача информации начинается с транскрипции. В ядре клетки спираль ДНК разделяется на две отдельные нити. При этом только одна из них содержит генетическую информацию, вторая нить – это ее незакодированное зеркальное отображение. Незакодированная нить становится шаблоном для создания соответствующей нити мРНК (матричной РНК), которая явлется копией кода, или смысла, нити ДНК.

мРНК покидает ядро и движется к рибосоме, где расшифровывается и преобразуется в белок. Рибосома состоит из двух частей, основу которых составляют сложенные молекулы РНК. мРНК пронизывает все части рибосомы. Она проходит через три основания за раз. Каждое такое сочетание составляет кодон, и каждый кодон соотносится с конкретной аминокислотой в белке. По мере прохождения мРНК через рибосому кодоны считываются антикодоном трех оснований в молекуле транспортной РНК (тРНК). Роль тРНК – подтягивать следующую аминокислоту к цепи. Так, шаг за шагом, выстраивается белок.

Кодон – это последовательность трех нуклеотидов, соответствующая конкретной аминокислоте. Существуют кодоны для сигналов «старт» и «стоп», по которым начинается и заканчивается синтез белковой цепи. Молекулы ДНК и РНК кодируются при помощи четырех символов. Существуют 64 возможных кодона, большинство из которых кодируют одну из 20 аминокислот, составляющих белки. На каждую кислоту приходится больше одного кодона. Кодоны содержат ключ, при помощи которого язык ДНК из 4 символов транслируется на язык белков из 20 символов. Идею о триплетном коде выдвинул физик-ядерщик Георгий Гамов, более известный своей теорией Большого взрыва. Построение Гамова уточнили – и нашли шифр от генетического кода.

Изучение поведения животных в дикой природе называется этологией. Эта наука пытается объяснить, чем обусловлены те или иные поведенческие особенности отдельных особей или биологических сообществ.

Поведение животных завораживало зоологов веками, но этология как научная дисциплина, как считают, зародилась в 1930-х гг. Все началось с работы голландского биолога Николаса Тинбергена и его австрийских коллег Конрада Лоренца и Карла фон Фриша. Все трое впоследствии стали лауреатами Нобелевской премии. Работа Тинбергена 1963 г. «О целях и методах в этологии» ставила четыре вопроса, на которые, как он утверждал, необходимо ответить, чтобы понять поведение животных: какие стимулы провоцируют поведение? какие преимущества получает животное благодаря своему поведению? как меняется поведение в течение жизни животного? как характерное поведение формируется у вида?

Джейн Гудолл, вероятно, самый известный специалист по поведению животных. 55 лет она занималась доскональным изучением социальных взаимоотношений шимпанзе в Танзании, и ее работы на эту тему полностью изменили наше представление о приматах. Она обнаружила, что социально обусловленное поведение шимпанзе очень разнообразно; ей же принадлежит знаменитое наблюдение, что шимпанзе обладают ярко выраженными характерами, что они обнимают и щекочут друг друга. Возможно, самое замечательное открытие заключается в том, что шимпанзе не только используют, но и изготавливают орудия. Гудолл видела, как обезьяна втыкала пучки травы в ходы термитника, а затем вынимала их: термиты покрывали пучок, и обезьяна поедала их. Шимпанзе также срывали ветки с деревьев и обдирали листья, чтобы было удобнее их использовать. Николас Тинберген наблюдал, что птенцы серебристых чаек ударяют клювом по красному пятну на клюве родителей, чтобы те срыгнули пищу. Конрад Лоренц знаменит своими исследованиями импринтинга – феномена, когда молодые животные, например гусята, копируют действия своих родителей.