Фрэнсис Крик - Что за безумное стремленье! [litres]

Второе замечание гласит, что мы можем пока не знать всей механики, которая сложилась в ходе эволюции, чтобы сделать естественный отбор более эффективным. Нас могут еще поджидать сюрпризы в том, что касается уловок природы, призванных сделать эволюцию легче и быстрее. Один из примеров подобного механизма, вероятно, половое размножение, и, судя по всему, могут существовать и другие, еще не открытые. «Эгоистичная» ДНК – большие фрагменты ДНК в наших хромосомах, не несущие какой-либо внятной функции, – может оказаться компонентом еще одного такого механизма (см. с. 248). Вполне возможно, что эта «эгоистичная» ДНК играет важную роль в ускоренной эволюции некоторых сложных механизмов генного регулирования, значимых для высших организмов.

Но, если оставить в стороне эти оговорки, процесс естественного отбора могуч, гибок и имеет огромное значение. Поразительно, что в современном обществе так мало людей, понимающих его как следует. Можно принимать все доводы насчет эволюции, генов и естественного отбора, вместе с представлением, что гены – это единицы инструкции в сложной программе, которая не только формирует организм из оплодотворенной яйцеклетки, но и в значительной мере помогает управлять его дальнейшим поведением. И при этом можно оставаться в недоумении. Как, спросите вы, гены могут быть такими умными? Что такого способны делать гены, что обеспечивало бы сооружение всех этих чрезвычайно сложных и отлично управляемых органов у живых существ?

Чтобы ответить на этот вопрос, нужно вначале иметь представление о размерном уровне, который мы обсуждаем. Какого размера ген? В то время, когда я начинал заниматься биологией – в конце 1940-х, – у нас уже имелись кое-какие косвенные данные, указывавшие, что отдельный ген, вероятно, не больше очень крупной молекулы, то есть макромолекулы. Любопытно, что простой, содержательный довод, основанный на здравом смысле, тоже указывает в этом направлении.

Генетика учит, что, грубо говоря, половину наших генов мы получаем от матери, из яйцеклетки, а половину – от отца, из сперматозоида. А головка человеческого сперматозоида, которая содержит эти гены, очень мала. Отдельный сперматозоид слишком крохотный, чтобы увидеть его невооруженным глазом, хотя его и можно ясно рассмотреть в мощный микроскоп. Однако в этом малом объеме каким-то образом помещается практически полный набор инструкций для построения целого человека (яйцеклетка обеспечивает дубликат). Обдумав математическую сторону, мы неизбежно приходим к выводу, что ген должен быть по бытовым меркам очень-очень маленьким, сравнимым по размеру с очень крупной молекулой вещества. Само по себе это не объясняет нам, как работает ген, но подсказывает, что имеет смысл сперва обратиться к химии макромолекул.

К тому времени уже было известно, что каждая химическая реакция внутри клетки катализируется определенным типом крупных молекул. Такие молекулы называются ферментами. Ферменты – рабочие механизмы живой клетки. Впервые их открыл в 1897 г. Эдуард Бюхнер, получивший за это Нобелевскую премию десять лет спустя. В ходе своих опытов он давил клетки дрожжей гидравлическим прессом и получал насыщенную смесь дрожжевых экстрактов. Его интересовало, смогут ли частицы живой клетки осуществлять какую-нибудь из клеточных химических реакций, потому что в те времена большинство исследователей считало, что для проведения таких реакций клетка должна быть целой. Так как ему было нужно законсервировать экстракт, он использовал ту же стратегию, что и повар на кухне: добавил побольше сахара. К его удивлению, экстракт вызвал брожение сахарного сиропа! Так были открыты ферменты, или энзимы (слово «энзим» означает «в дрожжах») [14] Строго говоря, Бюхнер не открыл ферменты, а продемонстрировал их работу вне клетки и доказал, что их природа химическая. Слова «фермент» и «энзим» были введены в оборот задолго до опыта Бюхнера. . Вскоре обнаружили, что ферменты можно получить из множества других типов клеток, включая человеческие, и что в каждой клетке содержится великое множество разных видов ферментов. Даже простая бактериальная клетка может содержать более тысячи разных типов ферментов, и молекул каждого типа бывают сотни и тысячи.

В благоприятных условиях можно выделить определенный фермент, очистив от примеси всех остальных, и изучить его действие изолированно, в растворе. Подобные исследования показали, что каждый фермент весьма специфичен и катализирует только одну определенную химическую реакцию или, в лучшем случае, несколько близких реакций. Без данного конкретного фермента химическая реакция в условиях умеренной температуры и кислотности, обычно свойственных живой клетке, проходит очень-очень медленно. Добавьте фермент, и реакция пойдет нормальным темпом. Если вы как следует разболтаете в воде крахмал, мало что произойдет. Плюньте туда, и фермент амилаза в вашей слюне начнет расщеплять крахмал на сахара.

Следующим крупным открытием стало то, что все исследованные ферменты оказались макромолекулами и все они принадлежали к одному и тому же семейству макромолекул – к белкам. Ключевое открытие сделал в 1926 г. однорукий американский химик Джеймс Самнер. Нелегко заниматься химическими опытами с одной рукой (другую он потерял в юности из-за несчастного случая на охоте), но Самнер, обладая решительным характером, задался целью доказать, что ферменты – белки. Ему удалось показать, что один конкретный фермент – уреаза – является белком, и получить его кристаллы, однако его выводы поначалу не получили поддержки. Напротив, группа немецких исследователей горячо оспаривала эту идею, к досаде Самнера, но в итоге оказалось, что он был прав. В 1946 г. за свое открытие он получил Нобелевскую премию по химии (совместно с двумя другими учеными). И хотя недавно обнаружилось несколько важных исключений из этого правила, идея, что ферменты – это почти всегда белки, все еще верна.

Белки, таким образом, представляют собой семейство хитроумно устроенных и разнообразных молекул. Едва ознакомившись с ними, я осознал, что одна из ключевых проблем – объяснить, как они синтезируются. Существовало и третье важное умозаключение, хотя в 1940-е гг. оно было настолько ново, что не все были готовы его принять. К нему пришли Джордж Бидл и Эд Тейтем. (Они тоже получат Нобелевскую премию в 1958 г. за свое открытие.) Работая с хлебной плесенью Neurospora , они обнаружили, что у каждой мутантной формы, исследованной ими, как будто не хватало всего лишь одного фермента. Они сформулировали знаменитый принцип: «один ген – один фермент».

Таким образом, общий план устройства живых организмов представлялся практически очевидным. Каждый ген задает определенный белок. Одни из этих белков используются для образования тканей или передачи сигналов, тогда как многие другие служат катализаторами, определяющими, какие химические реакции должны или не должны происходить в каждой клетке. Почти любая клетка нашего тела содержит полный набор генов, и эта химическая программа задает каждой клетке характер обмена веществ, роста и взаимодействия с соседними клетками. Вооруженный всеми этими новыми (лично для меня) знаниями, я быстро сообразил, в чем главные вопросы. Из чего состоят гены? Как именно они воспроизводятся? И как они управляют синтезом белков или хотя бы влияют на него?