Фрэнсис Крик - Жизнь как она есть: её зарождение и сущность

Когда мы делаем это, то не можем не поражаться очень высокой степени организованной сложности, которую находим на каждом уровне, а особенно на молекулярном уровне, так как у нас есть все основания считать, что структуры, легко видимые невооруженным глазом, а также структуры, видимые только в микроскоп, — все созданы путем сложных взаимодействий своих молекулярных составляющих. Насколько сложны эти макромолекулы и как именно они образованы?

Самый выдающий пример молекулярной архитектуры, найденный в живых организмах, — без сомнения, белковое семейство. Даже относительно простой белок может насчитывать до двух тысяч атомов, образуя Довольно точную трехмерную структуру (при этом каждый атом находится на предназначенном ему месте), если ее не нарушили постоянные столкновения, вызванные тепловым движением. Более того, эта сложная трехмерная форма жизненно важна для его функции. Если молекула в растворе воды нагревается, то в большинстве случаев увеличившаяся температура сначала ослабит, а затем разорвет непрочные связи, соединяющие лежащую в ее основе цепочку и ее правильную складку, настолько, что ее структура придет в беспорядок и расстроится. На ее поверхности уже не будет правильных впадин с соответствующими химическими группами, и поэтому она больше не сможет выполнять свою первоначальную функцию. Если в растворе есть другие молекулы белка, также находящиеся в этом дезорганизованном состоянии, то они могут слипнуться друг с другом и свернуться, так что даже в случае охлаждения раствора сплетенная масса не может вновь распутаться. Сварите яйцо, и толстая суспензия белков превратится в безнадежно перемешанную массу, став механически твердой там, где прежде она была мягкой и текучей.

На первый взгляд, задача создания точной копии неповрежденной трехмерной структуры белка с ее хорошо организованной естественной складкой может показаться очень трудной. Ее можно было бы представить как создание молекулярного слепка с поверхности, как, например, его можно снять со скульптуры. Но как скопировать внутреннее строение молекулы? Природа решила эту проблему с помощью изящного приема. Полипептидная цепь синтезируется как вытянутая, довольно одномерная структура, а затем свертывается. Процесс свертывания направляется по точному образцу боковых цепочек, которые взаимодействуют друг с другом и с остовом, используя многочисленные, слабые взаимные связи. Молекула исследует постоянные благоприятные возможности, предложенные тепловым движением до тех пор, пока не найдет оптимальную складку. Затем различные сегменты молекулы аккуратно стягиваются воедино, столь точно соответствуя друг другу, что дальнейшее тепловое движение оставляет молекулу относительно спокойной.

Все, что нужно клетке для создания этого чуда молекулярного строения, — это связать воедино аминокислоты (которые образуют поли пептидную цепь) в правильном порядке. Это очень сложный биохимический процесс, молекулярный сборочный конвейер, где используются инструкции в виде ленты нуклеиновой кислоты (так называемая информационная РНК), которую в общих чертах мы опишем в главе 5. Здесь нам лишь необходимо задать вопрос: сколько же существует возможных белков? Если конкретная последовательность аминокислот выбрана случайно, то какова вероятность этого события?

Для комбинаторики эта задача не представляет трудности. Предположим, что длина цепи около двухсот аминокислот; то есть она, во всяком случае, намного короче средней длины белков всех типов. Так как мы имеем только двадцать возможностей на каждом месте, то количество возможностей — это двадцать, умноженное на само себя около двухсот раз. Это удобно записать как 20 200, и оно приблизительно равняется 10 260, то есть единице с 260 нулями!

Это число всецело находится за пределами наших обычных представлений. Для сравнения возьмем количество фундаментальных частиц (проще говоря, атомов) во всей видимой Вселенной, не только в нашей галактике с ее 10 11звездами, но во всех миллиардах галактик, вне пределов видимого пространства. Это число, которое по оценке должно составить 10 80, действительно незначительно по сравнению с 10 260. Более того, мы лишь рассмотрели полипептидную цепь довольной средней длины. Если бы мы также рассмотрели более длинные цепи, то эта цифра оказалась бы еще более необъятной. Можно доказать, что с тех пор как на Земле появилась жизнь, количество различных полипептидных цепей, которые могли бы быть синтезированы за все это долгое время, составляет только незначительную долю вообразимого их числа. Значительное большинство последовательностей вообще никогда не могло быть синтезировано, ни в какое время.

Эти подсчеты учитывают только последовательность аминокислот. Они не принимают во внимание тот факт, что многие последовательности не сворачивались удовлетворительным образом в устойчивую компактную форму. Какая часть всех возможных последовательностей сделала это — неизвестно, хотя есть предположение, что она явно невелика.

Поясним это с помощью свободной аналогии. Возьмем абзац текста, написанный на английском языке. В нем используется набор символов, состоящий примерно из тридцати знаков (буквы и знаки препинания, без учета заглавных букв). В типичном абзаце примерно столько же букв, сколько в типичном белке аминокислот. Таким образом, подсчет, подобный описанному выше, покажет, что количество различных последовательностей букв соответственно огромно. На самом деле существует ничтожно малая надежда, что миллиард обезьян на миллиарде пишущих машинок когда-либо правильно напечатают хотя бы один сонет Шекспира в течение нынешней жизни Вселенной. Многое из того, что было напечатано, окажется совершенно невразумительным. Если мы поинтересуемся какая часть возможных абзацев будет иметь хоть какой-то смысл, то обнаружим, что она также окажется весьма незначительной.

Тем не менее, количество полных смысла абзацев также очень значительно, даже если у нас нет простого способа вычислить это число. Точно также, количество возможных, различных, компактных устойчивых белков может быть очень большим.

Как мы узнали, даже на этом самом основном уровне, существуют сложные структуры, которые встречаются во множестве совершенно идентичных копий — то есть те, которые организовали сложность и которые не могли возникнуть по чистой случайности. Жизнь, с этой точки зрения, является бесконечно маловероятным событием, и все же мы видим, что она кишит вокруг нас во всех проявлениях. Как же такие маловероятные явления могут быть столь распространенными?

Лишенный многих своих очаровательных сложностей основной механизм очень прост. Его предложили как Дарвин, так и Уоллес, каждый из которых понял его принцип, прочитав Мальтуса. Живые организмы обязательно должны бороться за пищу, самца или самку, жизненное пространство, особенно с другими особями своего вида. Они должны избегать хищников и других опасностей. В силу всех этих различных причин некоторые оставляют больше потомства, чем другие, и последующим поколениям будут преимущественно передаваться генетические характеристики именно таких, получивших преимущество репликаторов. На более специальном языке, если ген наделяет повышенной «приспособляемостью» своего обладателя, то такой ген, вероятнее, обнаружится в генофонде следующего поколения. В этом состоит сущность естественного отбора. На первый взгляд, это кажется почти тавтологией; однако здесь имеют значение не слова, а лежащие в основе всего механизмы. Можем ли мы выразить самыми абстрактным терминами, какими они должны быть?