Айзек Азимов - Краткая история биологии. От алхимии до генетики

Но как молекула нуклеиновой кислоты передает информацию о физических характеристиках? Ответ на этот вопрос был получен из работ американских генетиков Джорджа Уэлса Бидла и Эдварда Лари Тейтума. В 1941 г. они начали эксперименты со штаммом плесневого грибка Neurospora crassa, живущего на питательной среде, лишенной аминокислот. Плесень сама вырабатывала свои аминокислоты из простых азотных составляющих.

При обработке грибка рентгеновскими лучами происходили мутации, и некоторые из этих мутантов не могли вырабатывать собственные аминокислоты. Однако эти же аминокислоты нужны были грибку для роста. Ученые задались целью доказать, что неспособность к производству аминокислот объяснялась недостатком специфического энзима, которым обладал немутирующий штамм.

Они сделали заключение, что присутствие данного энзима — характерная функция определенного гена, который контролирует данный энзим. Содержащиеся в сперме и яйцеклетках нуклеиновые кислоты имеют определенный набор энзимов. Природа этих энзимов определяет биохимию клетки; наследственные характеристики определяются, в свою очередь, этой биохимией.

Производство энзимов генами должно выполняться посредниками, поскольку ДНК гена остается внутри ядра, а синтез протеинов происходит вне ядра. С применением электронного микроскопа клетка начала изучаться в новом и более тонком аспекте; было также найдено точное место производства протеинов.

Внутри клеток были отмечены структурированные гранулы, по размерам гораздо мельче митохондрий, которые были названы микросомами. К 1956 г. ученый Джордж Эмиль Палад доказал наличие РНК в составе микросом. Поэтому микросомы были переименованы в рибосомы, и именно в них, как оказалось, и происходил синтез протеинов.

Генетическая информация от хромосом должна достигать рибосом, и это осуществляется «посылкой» РНК. Структура определенной ДНК-молекулы «путешествует» с этими посланниками к рибосоме. Малые молекулы трансфер-РНК, впервые изученные американским биохимиком Малоном Хугландом, прикреплялись к специфическим аминокислотам, затем, неся аминокислоты, прикреплялись к определенным точкам на «РНК-посланниках».

Главная и еще неразрешенная проблема состояла в том, чтобы изучить, каким образом определенная молекула трансфер-РНК прикрепляется к определенной аминокислоте. Простейшим решением было, видимо, представить себе аминокислоту, прикрепляющуюся к пурину или пиримидину нуклеиновой кислоты; причем разные аминокислоты крепились то к пурину, то к пиримидину. В молекуле нуклеиновой кислоты около двадцати разных аминокислот и только четыре пурина и пиримидина. Поэтому становится понятным, что комбинация из но крайней мере трех нуклеотидов должна крепиться к каждой аминокислоте. Существует 64 различных возможных комбинации из трех нуклеотидов.

Эта проблема в 1960-х годов называлась проблемой генетического кода.

Шаги, сделанные в молекулярной биологии в середине XX в., выдвинули механистические позиции в науке. Вся генетика интерпретировалась с точки зрения химии, в соответствии с законами, сближавшими живую и неживую природу. Могло даже показаться, будто и сам процесс обучения и запоминания — не что иное, как синтез и поддержание уровня специфических молекул РНК. (И в самом деле, было показано на опыте, как плоские черви, которым скармливали других плоских червей, уже обученных определенным действиям, начинали выполнять те же задачи: вероятно, неразрушенные молекулы РНК переходили в их тело и давали начало навыкам.)

Однако оставался неразрушенным один виталистский бастион XIX в.: невозможность происхождения спонтанных генераций. Если жизнь никогда не сможет произойти от неживой материи, то, как же начиналась жизнь на Земле? Наиболее логичным в таком случае было бы предположить, что жизнь была занесена неким суперестественным агентом, но если отрицать эту идею — что тогда?

В 1908 г. шведский химик Сванте Август Аррениус рассуждал о происхождении жизни. Он предположил, что начало ей, могло быть положено, когда споры из открытого космоса достигли нашей планеты. Частицы живого дрифтовали с бесконечности пространства, слегка притягиваемые звездами, и сеялись то здесь, то там. Но это рассуждение только давало предположение, а не решало вопроса.

Было необходимым вновь взяться за разрешение задачи происхождения живого от неживого. Да, Пастеру удалось сохранять содержимое колбы стерильным в течение ограниченного времени, но если бы содержимое хранилось в течение миллиона лет? Или, допустим, не просто колба с содержимым оставалась бы в течение миллиона лет, а целый океан подобного раствора? И предположим, условия тогда на нашей планете сильно отличались от тех, что есть сегодня?

Нет причины думать, что основные химические составляющие жизни существенно изменились с тех пор. Таким образом, небольшие количества аминокислот присутствуют в некоторых ископаемых, насчитывающих десятки миллионов лет, и они должны быть идентичны тем, что находятся в живой материи организмов сегодня. Однако химия современного мира должна была быть изменена.

Растущие знания о химии позволили американскому химику Харолду Клейтону Ури предположить, что атмосфера на Земле тогда была восстановительной, богатой водородом, метаном и аммиаком; без наличия свободного кислорода.

В таких условиях в верхних слоях атмосферы не должно было быть озонового слоя (озон — форма кислорода). Этот озоновый слой в настоящее время поглощает большую часть ультрафиолетовой радиации. В восстановительной атмосфере эта энергетическая радиация проникала до уровня моря и привносила в океаническую среду условия для таких химических реакций, которые в настоящее время не происходят. Сложные молекулы формируются медленно, и при условии, что в океане еще не существовало жизни, они начали аккумулироваться. В окончательной стадии образовались большие молекулы нуклеиновых кислот, которые были столь сложны, но устройству, что могли уже служить для репликации (самовоспроизводства). Это и явилось началом живого на Земле.

Через мутации и естественную селекцию накапливалось все больше и больше эффективных для воспроизводства форм нуклеиновых кислот. Они постепенно развивались в клетки, некоторые из которых стали вырабатывать хлорофилл. Фотосинтез (при помощи других процессов, не включающих в себя формы жизни) со временем изменил первичную атмосферу до вида и состава, знакомого нам в настоящее время. Она обогатилась кислородом. При сочетании свободного кислорода в атмосфере и условий жизни на Земле, уже подходящих для жизни, стало невозможным возникновение спонтанных генераций того типа, что описан выше.