Совершает на наших глазах стремительный качественный прыжок и наука о живом, о жизни - биология. Обув волшебные «семимильные сапоги» - инструменты физики и химии, она быстро догоняет и обгоняет точные науки в соревновании с творцом живого - природой.
Не остается сомнений: безусловно, правы те исследователи, которые считают, что путь к успеху - в овладении секретом логики эволюции. А ключ к этому секрету природа спрятала в аппарате наследственности, совершенно одинаковом химически у всего живого - от вируса до человека, от лягушки до дерева, от мхов до холерной бациллы. Чтобы лучше понять все те поразительные возможности, которые открывает этот ключ, нам придется немного освежить свои знания об одной из самых важных особенностей живого организма - способности к самовоспроизведению. Из школьного курса биологии мы знаем, что размножение бывает двух типов: половое и бесполое. В одном случае две клетки - от каждого из родительских организмов - сливаются; в другом, если организм одноклеточный (скажем, бактерия), клетка делится. Оба способа, разумеется, разительно отличаются друг от друга, но для нас сейчас это не имеет значения. Нам важны не их различия, а выяснение того, как «родительская» клетка «сообщает» дочерней, что из нее - из этой клетки-«детки» - должно получиться. Кем она вырастет - розой или слоном, дельфином или человеком? Количество переданной информации должно быть невероятно велико: в эту единственную крохотную клетку должны перейти «тома» подробных, тщательно разработанных инструкций о всех сложных группах клеток и органах взрослого существа, о их взаимоотношениях на всю его будущую жизнь.
Кроме того, информация должна быть очень специфична. Самовоспроизведение подразумевает особую чистоту рода: человек всегда порождает человека, рыба - рыбу. Где же хранятся все эти обширнейшие инструменты? Как могут они управлять построением новых клеток, как передаются от клетки к клетке?
Много десятилетий ушло и много гипотез было предложено, пока удалось подступиться к разгадке этой тайны. В биологии прежних времен бытовало даже мнение, что в каждой родительской, отцовской, клетке заключен гомункулус - миниатюрная копия того человека, который из нее разовьется. В начале нашего века уже было известно, что главным в процессе является ядро клетки, которое управляет всей ее жизнью. Если это ядро убрать с помощью микроманипулятора, клетка в конце концов погибнет.
Наблюдения под микроскопом показали, что при делении ядро тоже расщепляется на два дочерних. Причем обращало на себя внимание, что перед самым моментом деления в нем проявляются длинные, тонкие, похожие на палочки непонятные структуры разной величины и формы. Их назвали хромосомы. Хромосомы выстраиваются парами - строго по две каждого сорта, а потом поровну делятся вместе с клеткой. В клетке-«детке» ее доля хромосом через какое-то время образует новое ядро. Получалось, что каждая клетка-«детка» становится обладательницей полного набора хромосом, который был у родителей. Постепенно удалось выяснить, что именно в хромосомах и спрятана вся информация, передаваемая от клетки к клетке, от поколения к поколению. И способ этот одинаков для клеток всех организмов.
Генетики, изучая позднее размножение плодовой мушки-дрозофилы, установили соответствие между признаками организма и определенными участками хромосом. Если у данной мушки изменить чередование в хромосомах темных и светлых полос, это обязательно вызовет также изменения определенных внешних признаков. По всей видимости, хромосома состояла из отдельных элементов наследственной информации. Каждый такой элемент в хромосоме, «ответственный» за тот или иной признак взрослого организма - форму глаз, цвет крылышка или способ дыхания,- решили назвать геном, что впоследствии дало название науке - генетика. Удалось установить и то, что каждый ген располагается всегда на строго определенном участке определенной хромосомы. Хромосома представлялась уже не просто странной палочкой, а цепочкой из генов. Но как работает ген? Из чего он состоит?
Теперь-то мы уже знаем даже из курса школьной программы, что свойства каждой клетки определяются природой белков, входящих в ее состав: ферментов - маленьких химических фабрик-реакторов, «гонцов» - гормонов и многих других. Но в те времена все это представляло загадку. А когда обнаружили, что каждый ген контролирует создание строго определенного белка - строительного кирпичика клетки, и, если меняется ген, обязательно должен измениться и белок,- это произвело сенсацию. Это и в самом деле было важнейшим фактом из собранных биологией «домолекулярной эры». Без электронного микроскопа, без «семимильных сапог» химии и физики эти факты не приблизили бы время раскрытия секретов самого гена.
Прежде всего химики выяснили, что в хромосомах есть не только белки - основа любой клетки, но и так называемые нуклеиновые кислоты. Эти кислоты очень похожи на белки. Они тоже большие молекулы и закручены в пространстве в виде огромной цепочки. Но на этом сходство кончается. Если у белков звенья цепи состоят из аминокислот - основных «питательных кирпичей», которых в природе всего 20, то каждое звено нуклеиновых кислот куда более «просто» - это так называемые «основания» - сахара, фосфаты и азотистые. В хромосомах была обнаружена одна из разновидностей нуклеиновых кислот - ДНК. Теперь эти три буквы известны всем, хотя полное имя сложного соединения, настоящее его название запомнить очень трудно: дезоксирибонуклеиновая кислота.
В те очень далекие времена, в 30 - 40-е годы - а для современной биологии это и в самом деле чуть не доисторическая эра,- изучать ДНК было куда труднее, чем произносить. Необычайно длинные цепи ее молекул разламывались на куски даже при простом помешивании раствора. А если учесть, что в одной молекуле может быть несколько тысяч и даже миллионов атомов, то точный химический анализ невероятно усложняется. Но трудно не трудно, а надо. Первые анализы, показавшие, что это довольно «тупая» и «скучная» молекула, в которой четыре основания повторяются вдоль всей цепи с унылой последовательностью, не вызвали энтузиазма ученых, и многие заключили, что это всего-навсего подпорка для находящегося в хромосомах белка. Разумеется, сам белок и был главным претендентом на роль носителя информации.
И вот вдруг все эти выводы и заключения рухнули, как подтаявшая глыба. Первым ярким лучом послужили опыты английского ученого, лауреата Нобелевской премии Джона Кендрью, который в конце 40-х годов обнаружил, что чистая, без всякой примеси белка, ДНК влияет на изменение наследственности бактерий. В частности, у возбудителей воспаления легких, пневмококков, и других микроорганизмов. И закрутилось! Словно волшебная линза сфокусировала все слабые лучи догадок в сверкающую точку. Так сразу рухнула слава белка, и все внимание ученых сконцентрировалось на ДНК.
Уже в апреле 1953 года американец Джеймс Уотсон и англичанин Френсис Крик взорвали биологическую «бомбу». Им удалось разгадать «шифр жизни» - установить структуру этой странной большой молекулы - ДНК. Сразу же соединились в одно все неясные до того результаты, полученные за годы трудов генетиками и биохимиками, микробиологами и биофизиками. Стало совершенно ясно, что именно ДНК, эта загадочная и «скучная» кислота, является носителем, хранителем и передатчиком «тайн бытия», всех рецептов создания живого организма. Стоит ли удивляться, что труднопроизносимое название химического соединения по праву попало на первые страницы газет, затмив все другие события человеческой жизни.
Как же шифрует природа свой главный секрет?
Примитивно ДНК можно представить в виде веревочной лестницы, а еще лучше - застежки-«молнии», перекладины которой - чередующиеся основания, а боковины - сахара и фосфаты. Эта лестница тщательно закручена в пространстве в штопорообразную спираль. Боковины - сахара и фосфаты - постоянны и не меняются никогда, ни у каких организмов. А все магические свойства, позволяющие отличать один род от другого и даже одну особь от другой, зависят от ступенек-перекладин. «Ступенька» состоит из двух частей, и, как у настоящей застежки-«молнии», каждая из этих полуперекладин прочно связана только с одной из своих боковин и слабо - с другой частью «ступеньки». Эти половинки «перекладин», или «ступенек»,- четыре типа коротких молекул: аденина, цитозина, тиамина и гуанина (А, Ц, Т, Г) в сочетании с частью боковины, к которой жестко прикреплены, получили название нуклеотидов. Запомним этот термин, он нам еще пригодится. Запомнить не так уж трудно: «нуклеос» по-гречески «ядро».
В простой и элегантной двойной спирали ДНК, универсальной для всего живого, записано абсолютно все, что нужно, чтобы организм стал организмом, девочка - девочкой, блондинка - блондинкой, а ребенок оказался похож на родителей.
Два главных события в жизни большинства клеток - деление для воспроизводства самих себя и производство белков строго определенного вида для построения новых клеток организма - зависят только от программы, зашифрованной в чередовании и сочетании всего-навсего четырех «букв» шифра ДНК - А, Ц, Т, Г. Причем для сочетаний есть незыблемые правила: А соединяется только с Т, а Ц - только с Г. Не поразительно ли, что всего четырехбуквенным шифром А - Т, Т - А, Ц - Г и Г - Ц диктуется все необозримое многообразие окружающего нас живого мира! Вот вам и «скучная» кислота.
Теперь уже стало совершенно ясно, что перед делением клетки ДНК распадаются на две боковины с прикрепленными к ним полуступеньками, как бы расстегивается «молния». Нуклеотид А отделяется от Т, Ц - от Г, образуя две зубчатые цени. Свободно плавая в клетке, зубчики-нуклеотиды соединяются с подходящими партнерами из других половинок зубчиков и вновь образуют двойную «лестницу», точную копию той, из которой они разделились. Как только клетка-«детка» со своей самостоятельной «лестницей» отделилась, она начинает работать: производить, «строить» белок. Руководит этой постройкой опять же ДНК - по расписанию, зашифрованному определенной последовательностью «букв».
Белки - эти гигантские молекулы, сконструированные из определенных наборов двадцати типов аминокислот,- могут иметь бесчисленное количество сочетаний и группировок, то есть самый различный состав, а значит, и назначение. Поэтому белки - это сложные цепи причудливо закрученных и слепленных особым образом в пространстве образований. Выявлять их строение, а значит, определять роль и «должность» в организме - работа, не сравнимая даже со сказочными подвигами добрых молодцев, которым баба-яга дает каждое новое задание, куда труднее предыдущего. Тем не менее в последние годы эта работа превратилась в самостоятельную отрасль молекулярной биологии.
