Жизнь на грани. Ваша первая книга о квантовой биологии - Джонджо МакФадден

Был ли прав Шредингер? Первый очевидный факт — код ДНК действительно состоит из повторяющихся участков, ДНК-оснований, и в этом смысле он является апериодическим, поскольку каждый повторяющийся участок может быть занят одним из четырех оснований. Гены и правда являются апериодическими кристаллами, как и предсказывал Шредингер. Но апериодические кристаллы не обязательно кодируют информацию на квантовом уровне: нерегулярные растры на фотографической пластинке образуются кристаллами соли серебра, в которых нет ничего квантово-механического. Чтобы понять, был ли прав Шредингер, предполагая, что гены являются квантовыми сущностями, мы должны подробнее рассмотреть структуру оснований ДНК и особенно природу связи комплементарных (парных) оснований — A с T и G с C.

Скрученная форма молекулы ДНК, хранящей генетический код, обусловлена химическими связями, благодаря которым комплементарные основания образуют пары. Как мы уже упоминали, эти связи (их называют водородными связями) формируются одиночными протонами, а точнее, ядрами атомов водорода. Протон является общим для двух атомов, каждый из которых относится к одному из комплементарных оснований, расположенных на разных цепочках напротив друг друга. Именно этот протон и связывает основания в пару (см. рис. 7.1). Основание A связывается с основанием T потому, что в каждой молекуле A протоны находятся в подходящих позициях для формирования водородных связей только с основанием T. A не может образовать пары с C, поскольку протоны расположены в молекулах так, что связи с C не образуются.

Регулируемое протонами спаривание азотистых оснований и есть генетический код, который копируется и передается следующему поколению. И это вовсе не разовая передача информации наподобие закодированного сообщения, написанного в одноразовом блокноте, который уничтожается сразу после использования. Генетический код должен постоянно считываться на протяжении жизни клетки, обеспечивая работу механизма по производству белков, которые, в свою очередь, отвечают за образование движущих сил жизни — ферментов, управляющих всеми остальными функциями клетки. Считывание кода осуществляется ферментом РНК-полимеразой, который, как и ДНК-полимераза, читает порядок кодирующих протонов вдоль цепи ДНК. Подобно тому как буквы на странице, расположенные в правильном порядке, складываются в значимое сообщение или в сюжет целой книги, порядок протонов на двойной спирали определяет историю жизни.

Шведский физик Пер-Улоф Левдин первым указывал на то, что сейчас, ретроспективно, кажется очевидным: порядок протонов регулируется не классическими, а квантовыми законами. Так, генетический код, благодаря которому возможно существование жизни, бесспорно, является квантовым кодом. Шредингер был прав: гены записаны квантовыми буквами, а надежность наследственности обеспечивается квантовыми, а не классическими законами. Подобно тому как форма кристалла регулируется в основном квантовыми законами, форма вашего носа, цвет глаз и черты характера подчиняются квантовым законам, действующим внутри структуры молекулы ДНК, которую вы наследуете от матери или отца. Как и предсказывал Шредингер, жизнь поддерживается порядком, который пронизывает весь организм — от его структуры и поведения до распределения протонов вдоль цепей ДНК. Это и есть «порядок из порядка», обеспечивающий надежность передачи наследственной информации.

Но даже квантовые репликаторы, способные создавать собственные копии, иногда ошибаются.

Жизнь вряд ли бы могла сохраниться на нашей планете и выдержать многие испытания, уготованные ей окружающей средой, если бы процесс копирования генетического кода всегда протекал идеально, без единой ошибки. Например, бактерии, обитавшие в умеренных водах антарктических озер несколько тысячелетий назад, лучше и быстрее приспособились бы к жизни в относительно теплой и светлой среде. Когда над их миром сомкнулся ледяной купол, бактерии, чьи геномы на протяжении поколений копировались со стопроцентной точностью, скорее всего, вымерли. Однако многие бактерии допускали небольшое количество ошибок в процессе копирования генетической информации, в результате чего на свет появлялись особи-мутанты, слегка отличавшиеся от родителей. Эти отличия способствовали более успешному приспособлению к холодной и темной среде обитания, поэтому именно бактерии-мутанты стали размножаться активнее. Постепенно, спустя несколько тысяч поколений и многочисленных неточных копий наследственной информации, потомки бактерий, попавших в ледовый плен, приспособились к жизни в подледном озере.

Повторимся: процесс адаптации к новым условиям жизни посредством мутации (ошибок репликации ДНК) в среде озера Восток — это модель процесса, протекающего в каждом уголке нашей планеты на протяжении миллиардов лет. За долгое время своего существования Земле пришлось пережить множество глобальных катастроф: извержения крупных вулканов, ледниковые периоды, столкновения с небесными телами. Жизнь не смогла бы сохраниться, не приспособившись к изменениям через копирование ошибок. Не менее важен и тот факт, что мутации привели к генетическим изменениям, которые создали из простейших бактерий — первых живых организмов нашей планеты — удивительное многообразие современной биосферы. Небольшая неточность в копировании проходит длинный и интересный путь развития, особенно на долгом временном отрезке.

Кроме идеи о том, что квантовая механика объясняет надежность передачи наследственной информации, Эврин Шредингер высказал еще одно смелое предположение в своей книге «Что такое жизнь?», опубликованной в 1944 году. Он рассуждал о том, что мутации представляют собой своего рода квантовый скачок внутри гена. Насколько это правдоподобно? Чтобы ответить на этот вопрос, нам с вами необходимо разобраться в одном противоречии, которое уходит своими корнями в теорию эволюции.

Мы привыкли к утверждению о том, что эволюция была «открыта» Чарльзом Дарвином. Тем не менее по крайней мере за 100 лет до Дарвина ученым-натуралистам, изучавшим окаменелости, было известно, что организмы меняются на протяжении геологических эпох. Так, еще дед Чарльза Эразм Дарвин был настоящим эволюционистом. Однако самая известная протоэволюционистская теория, предвосхитившая теорию Дарвина, была создана французским ученым, дворянином по происхождению, носившим красивое имя Жан-Батист Пьер Антуан де Моне Шевалье Ламарк.

Ламарк родился в 1744 году. Он учился в иезуитском колледже, где его готовили к духовному сану, однако после смерти отца он получил деньги, которых хватило на покупку лошади. На этой лошади он и уехал воевать в Семилетней войне против Пруссии. Он был ранен, и его военная служба прервалась. Он вернулся в Париж, где стал работать клерком, а все свободное время посвящал изучению ботаники и медицины. Вскоре он получил место помощника ботаника в Королевском ботаническом саду и проработал там до тех пор, пока директора сада не казнили во время революции. Ламарк пережил кровавые события. После революции он получил кафедру в Парижском университете. В это время он переключил свое внимание с ботаники на зоологию и стал с увлечением изучать беспозвоночных.

Ламарк является одним из величайших ученых, вклад которых в науку недооценивается современниками, по крайней мере в англосаксонском мире. Помимо того что он ввел в обращение термин «биология» (от греческого корня bios — «земля»), Ламарк создал теорию эволюции, которая по крайней мере давала правдоподобное объяснение механизму эволюционных изменений. Это было сделано за полвека до теории Дарвина. Ламарк указал на то, что организмы способны изменять некоторые признаки, приспосабливаясь к окружающей среде. Так, например, у фермеров, привыкших к тяжелому физическому труду, развиваются гораздо более крепкие мышцы, чем у банковских клерков. Ламарк утверждал, что подобные приобретенные признаки могут наследоваться потомками, а следовательно, привести к эволюционным изменениям. Наиболее известен пример с жирафами, который чаще других подвергался насмешкам и критике современников. Ламарк полагал, что неким антилопам часто приходилось вытягивать шею, чтобы дотянуться до листьев, растущих на верхних ветвях деревьев. Постепенно их шеи вытягивались, и этот приобретенный признак унаследовали их потомки, которые также продолжали тянуться за верхними листьями и передавать признак вытянутой шеи по наследству, в результате чего антилопы данного вида эволюционировали и постепенно превратились в жирафов.