Виктор Вайскопф - Наука и удивительное [Как человек понимает природу]

Между бактерией и человеком есть существенное биологическое различие. Когда бактерия растет и размножается, она производит все, что ей требуется, в одной-единственной клетке. При росте человеческого существа должны образовываться самые различные клетки: клетки кожи, мышц, костей, нервные клетки и т. д. Развитие каждой части организма должно происходить по своему генеральному плану.

Отсюда возникает наиболее важная и интересная проблема, которая все еще не решена. По нашим нынешним представлениям, каждая клетка содержит молекулу ДНК, обладающую всей информацией об организме; она способна производить все белки, из которых состоит этот организм. Но очевидно, что ни одна клетка не может сделать все белки. Откуда же клетка узнает, какая часть программы, заложенной в ДНК, относится к ее собственному росту? Как исключаются другие части программы и используются только те, которые нужны?

Рассмотрим проблему роста и развития индивидуума. Мы знаем, что в самом начале зародыш состоит из одной клетки, которая делится на несколько клеток, подобных друг другу. Однако вскоре возникает специализация, или дифференциация, клеток. Одни клетки, развиваясь, превращаются в позвоночник, другие — в конечности, третьи — в пищеварительный тракт, четвертые — в нервную систему. Хотя все они содержат ту же нуклеиновую кислоту, они развиваются по-разному. Как это происходит?

Мы отмечаем эту избирательную способность клеток, наблюдая заживление раны. Клетки, соседние с ней, каким-то образом «узнают», как расти и размножаться таким образом и в таком направлении, чтобы восстановилась первоначальная структура ткани. Производятся только такие белки, которые отвечают должному образцу и заставляют развиваться нужную структуру.

Очень возможно, что решение этой проблемы состоит в следующем. Нуклеиновая кислота молекулы устроена и расположена так, что эффективность разных ее участков зависит от окружающей среды. В начале развития зародыша эффективны только те участки ДНК, которые производят недифференцированные клетки. Затем присутствие вновь созданных белков так влияет на ДНК, что эффективными становятся другие ее участки и образуется ряд новых белков. Итак, мы видим, что на каждой стадии развития активными становятся разные участки ДНК. В каждой клетке организма человека работает только тот участок ДНК, который отвечает специфическим потребностям данной клетки. Остальные участки поддерживаются неактивными в результате особого химического воздействия окружающей среды; механизм этого воздействия пока очень мало нам известен. Опыты с различными зародышевыми клетками, например, показали, что при развитии клетки, расположенной там, где из нее должен был бы развиваться хвост, получится голова, если пересадить эту клетку в то место, где должна была бы развиться голова.

При образовании нового индивидуума порядок чередования нуклеотидов в ДНК не сохраняется в точности прежним. Цепь молекул в ДНК так велика, что небольшие отклонения в разных ее участках не приводят к фундаментальным изменениям в развитии индивидуума, могут возникать только небольшие модификации. Поэтому ни один индивидуум не тождествен другому. Вследствие полового размножения эти модификации смешиваются в каждом новом поколении. В основном дети подобны родителям, но отличаются от них в деталях. Их ДНК — это копия примерно половины ДНК отца и половины ДНК матери. В этом и заключается фундаментальное различие между живыми индивидуумами и атомами. Два атома одного сорта тождественны во всех отношениях — они полностью совпадают по всем своим свойствам. Но два живых существа одного вида никогда не бывают совершенно одинаковыми. Чрезвычайно длинная цепь ДНК дает много возможностей для видоизменений внутри данного вида, и именно это делает жизнь столь захватывающе интересной.

Откуда поступает материал, который образует организм человека и заставляет его расти? Для вируса эта задача решается очень просто. Он является паразитом, и его потомство развивается в клетке хозяина. Бактерия более независима; она образует свои аминокислоты и нуклеотиды при помощи специальных белков, но для этого ее нужно поместить в питательный раствор сахара и других веществ. Человек должен есть, чтобы жить и расти. Он ест ткани живых организмов, например овощи и мясо. В этом отношении человек и другие животные менее независимы, чем бактерия. Мы не могли бы жить, питаясь раствором сахара и аммиака, потому что клетки нашего организма не в состоянии синтезировать необходимые аминокислоты. В этом отношении мы паразиты. Мы должны получать наши аминокислоты и нуклеотиды из другого живого материала. Белки в нашей пище расщепляются в процессе пищеварения в аминокислоты, из которых они состоят. Клетки нашего организма используют их для создания белков, нужных для его роста и химической деятельности.

Что касается наших потребностей в энергии — для работы наших мышц и синтеза белков, — то здесь мы поступаем, как бактерии. В наших клетках тоже есть белки, которые могут использовать энергию, освобождаемую при «сгорании» сахара, и запасать ее малыми порциями в квантовых состояниях молекулы АТФ. Эти молекулы служат носителями энергии в организме человека; они поглощаются мышцами во время сокращения, когда производится работа, или клетками при синтезе новых белков.

Бактерии нуждаются в сахаре, мы нуждаемся в аминокислотах и сахаре. Откуда поступают все эти вещества? И мы, и все другие живые существа, включая бактерии, потребляем сахар, сжигая его в СO 2и воду. Мы потребляем и аминокислоты: после смерти наш организм разрушается, и содержащиеся в нем аминокислоты распадаются на углерод и другие простые вещества, из которых состоят аминокислоты. И молекулы сахара, и аминокислоты (и нуклеотиды) суть богатые энергией сочетания атомов, т. е. богатые энергией молекулы. Что же поставляет эти молекулы? Должны быть места, где синтезируется сахар, чтобы сделать возможной жизнь, и где создаются аминокислоты. Если бы таких мест не было, живые существа вскоре истощили бы все имеющиеся запасы.

Этот синтез происходит в растениях. Зеленый цвет растений обязан веществу, называемому хлорофиллом, который вместе с ДНК является важнейшей для существования жизни на Земле молекулой. Молекула хлорофилла не так велика, как молекула ДНК, но имеет сложное строение, благодаря которому она способна осуществлять свою важнейшую функцию. При воздействии солнечных лучей хлорофилл поглощает их энергию и восстанавливает, богатые энергией молекулы, такие, как сахар, из их «пепла», т. е. из углекислоты и воды. Солнечная энергия превращается в химическую.