Ник Лэйн - Кислород. Молекула, изменившая мир

Все дело в том, что только воспроизведение может обеспечить выживание. Любая сложная форма материи в конечном итоге распадается под действием тех или иных факторов. Даже горы со временем подвергаются эрозии. Чем сложнее структура, тем больше вероятность ее распада. Органическое вещество очень хрупкое и рано или поздно разрушается под действием ультрафиолетового излучения или химических веществ. Составляющие его атомы вновь используются в тех или иных сочетаниях. Простая молекула СО 2гораздо стабильнее молекулы ДНК. Но если частица материи умеет реплицироваться, вероятность ее сохранности удваивается. Теперь только время решает, как долго проживет дочерний организм, а если дочернему организму тоже удастся себя воспроизвести, частица материи сохраняется бесконечно.

Способность к репликации не имеет в себе ничего сверхъестественного. Как утверждал химик Грэхем Кернс-Смит из Глазго в книге «Семь ключей к происхождению жизни», кристаллы глины воспроизводятся на дне ручьев исключительно за счет физических процессов. Вряд ли вы заподозрите, что в этом задействована какая-то магическая жизненная сила. Так что жизнь настойчиво пытается себя воспроизвести по той причине, что иначе она вообще не могла бы существовать. Выживают только способные к репликации единицы, поэтому все живые существа должны уметь реплицироваться.

Учитывая тенденцию материи к распаду, очень важна скорость репликации. Если считать, что скорость распада является величиной постоянной, для выживания скорость репликации должна быть выше этой величины. Этим соотношением в 1973 г. заинтересовался химик Лесли Оргел из Института Солка в Сан-Диего. Он рассуждал о поведении популяции «бессмертных» клеток в клеточной культуре, подвергающихся воздействию излучения разной интенсивности. В данном случае бессмертными клетками называют популяцию клеток, способную делиться бесконечно и не стареть (это не означает, что составляющие популяцию индивидуальные клетки не погибают или не умирают). Так ведут себя клетки двух типов — бактериальные и опухолевые. И те и другие могут расти в клеточной культуре без каких-либо признаков старения, но в каждый момент времени какая-то часть клеток (вероятно, от 10 до 30%) не имеет возможности делиться. Эти клетки умирают, но их место занимает потомство делящихся клеток. Оргел показал, что при облучении «бессмертной» популяции клеток с такой интенсивностью, при которой вероятность выживания дочерних клеток не превышает 50% (при этом скорость репликации становится ниже скорости распада), популяция постепенно начнет вымирать и со временем (теоретически) исчезнет. При более низкой интенсивности облучения популяция может расти, хотя и медленнее, чем в контроле.

Мы уже знаем, что влияние излучения на биологические молекулы в значительной степени связано с расщеплением воды и с образованием свободных радикалов, таких как гидроксильные радикалы. Они не выбирают мишени, а нападают практически на любые органические молекулы и повреждают их. Эти атаки беспорядочны и беспрерывны. При сохранении целостности клетки повреждение белков и липидов не обязательно ведет к смертельному исходу. Если у клетки есть достаточный запас энергии, биологические молекулы могут быть восстановлены или заменены новыми в соответствии с инструкциями, записанными в ДНК [66] ДНК кодирует РНК и белки, которые, в свою очередь, создают клеточную инфраструктуру, обеспечивающую репликацию ДНК. Происхождение данной системы выходит за пределы нашего рассказа. Если вас интересуют подробности, рекомендую обратиться к книге Лесли Оргела (см. список литературы в конце книги). . Дело обстоит сложнее при повреждении самой ДНК. Если в результате этого начинают синтезироваться нефункциональные белки, не способные выполнять какую-то важную работу в клетке, например синтезировать другие белки, клетка практически наверняка погибает. Таким образом, центральным вопросом биологии является обеспечение сохранности ДHK, передаваемой из поколения в поколение.

Давайте опять вернемся к «бессмертной» клеточной культуре. Предположим, что популяцию подобных клеток облучают с такой интенсивностью, что погибает больше половины клеток. Какое-то время популяция сокращается, как и предсказывал Оргел, но затем мы наблюдаем признаки «выздоровления», хотя облучение продолжается с прежней интенсивностью. Спустя некоторое время мы опять можем обнаружить процветающую популяцию, нечувствительную к излучению. Теория предсказывает совсем иной результат. Что же происходит?

Действует естественный отбор. В клетках происходят некоторые изменения. Прежде всего, какие-то клетки делятся быстрее остальных. Эти быстро реплицирующиеся клетки постепенно занимают в популяции доминирующее положение, поскольку они с наибольшей вероятностью успевают поделиться до того, как разрушается их ДHK. Теперь вся популяция в целом удваивается за более короткий отрезок времени. Выжившие клетки синтезируют новый набор генов быстрее, чем излучение разрушает исходный набор. Для потомства вероятность выжить и сохранить геном превышает 50%.

Если клеткам хватает пространства и питания, этой адаптации может оказаться достаточно. Однако клетки могут адаптироваться и по-другому. В возобновляющейся популяции встречаются клетки с дополнительными копиями ДНК: у них есть несколько идентичных хромосом. Наличие дополнительных хромосом дает тот же результат, что и повышение скорости репликации, но не только. Если каждая клетка имеет по одной копии всех генов, любое повреждение гена может лишить клетку важного белка и привести к ее гибели. Но при наличии нескольких копий всех генов клеточная функция пропадает только при повреждении одного и того же гена на всех хромосомах. Создание дополнительного набора генов обходится значительно дешевле, чем создание новой клетки (со всеми белками, митохондриями, везикулами и мембранами), которая впоследствии столкнется с теми же проблемами, что и ее родители.

Вполне возможно, что мы обнаружим еще две адаптации. Первая заключается в повышении частоты конъюгации, при которой две бактериальные клетки на какое-то время соединяются и одна передает другой дополнительные копии генов. Вторая — реакция на стресс. Конъюгацию бактерий можно сравнить с половым размножением. Приобретение генов из разных источников и с разной историей снижает вероятность того, что обе копии гена будут иметь одно и то же повреждение (именно такая ситуация наблюдается при репликации поврежденного гена). Представьте себе, что у вас и у вашего друга одинаковые костюмы. Допустим, вы порвали брюки от костюма, но и другу не повезло, только у него дыра оказалась на пиджаке. Вы можете надеть свой пиджак и его брюки и вполне прилично выглядеть. Такое перемешивание и подгонка генов — суть конъюгации у бактерий и полового размножения у высших организмов.