Эволюционизм. Том первый: История природы и общая теория эволюции - Лев Кривицкий

Молекулы этих кислот представляют собой полимерные образования состоящие из мономеров, названных впоследствии нуклеотидами. В 1900 г., а это год переоткрытия законов Менделя, в лаборатории американского исследователя П. Левина был определён состав углеводов, образующих порядок нуклеиновых кислот. Было установлено, что каждый нуклеотид состоит из трёх компонентов – молекулы сахара, молекулы фосфорной кислоты и молекулы органического основания в двух видах, в зависимости от содержания которых различаются и сами кислоты. Первый из них, рибоза, вследствие чего кислота и получила название рибонуклеиновой кислоты (РНК), второй, дезоксирибоза, от названия которой кислота получила название дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). При этом ДНК концентрируется в основном в хромосомах, а РНК – в цитоплазме и ядрышке.

Исследования У. Алибери и Ф. Белла (1938), А. Тодда (1948), Э. Чаргаффа (1948) позволили выявить «архитектуру» азотных оснований на подходах к той «винтовой лестнице», которую представляет собой структура ДНК и которая ведёт в «интимные покои» системы наследственности. В 1949–1951 гг. Э. Чаргафф исследовал химическое строение ДНК и доказал неограниченное разнообразие и упорядоченность молекул нуклеиновых кислот. Особенно важными оказались правила регулярности, сформулированные Чаргаффом, в соответствии с которыми четыре азотистых основания в структуре ДНК находятся между собой в парных отношениях, причём количество гуанина и аденина приблизительно равно количеству цитизина и тимина, количество аденина – количеству тимина, количество цитизина – количеству гуанина и т. д. В 1951 г. М. Уилкинсоном и его сотрудниками были проведены рентгенографические исследования молекул ДНК, позволившие выявить их структурные особенности. В 1952 г. А. Даунс выдвинул гипотезу о синтезе белков на ДНК.

Оставалось сделать только один шаг к созданию пространственной модели ДНК, который и был пройдён Д. Уотсоном и Ф. Криком, интерпретировавших эту модель как двойную спираль. В 1953 г. они опубликовали сообщение о расшифровке структуры ДНК в статье, занявшей всего две страницы журнального текста. Сочетание четырёх оснований в соответствии с правилами Чаргаффа натолкнуло исследователей на мысль о том, что эти основания выстроены наподобие попарно связанных ступенек винтовой лестницы, висящих и свободно балансирующих на сахарофосфатных «канатах». Каждая ступенька – перекладина образована связью двух оснований – аденина и тимина или гуанина и цитизина.

Так был проложен путь к познанию Космоса внутри жизни.

Космос внутри жизни так же велик и сложен, как Космос Метагалактики. Генетическая система представляет собой сложнейшее инженерное сооружение, построенное без первоначального плана путём отбора и воспроизведения порядков, способных к эффективной самоорганизации. Важнейшим методом «космической инженерии» внутри жизни является самосборка на основе мобилизационных процессов, управляемых соответствующим образом устроенными структурами. Самосборка осуществляется при помощи постоянной реструктуриации с разделением функций, участвующих в самосборке структур и их сплетении в соответствии с информацией, переданной от предшествующих структур и составляющей определенную программу размножения клеток.

Эта программа носит сугубо материальный характер, в ней нет ничего идеального или мистического. Её источник – открытая Манфредом Эйгеном способность сложных органических молекул к самовоспроизведению своих структур матричным способом. Эта способность в свою очередь стала предпосылкой к способности простейших организмов к размножению путём деления.

Структурами, которые «наводят порядок» в живой материи и обеспечивают воспроизведение на клеточном уровне любого организма, являются гены-фрагменты молекул нуклеиновых кислот – ДНК и РНК. Это полимерные молекулы, повторяющиеся сочетания элементов которых содержат «инструкции» для воспроизведения клеточных структур. Полимерные цепи ДНК построены из огромного числа мономеров, именуемых нуклеотидами. Каждая двойная цепь содержит около 3–4 миллиардов нуклеотидов общей длиной около 2 метров, и всё это упаковано в микроскопический объём клеточного ядра. Известный современный генетик В.В. Сойфер подсчитал, что все двоичные цепи ДНК человека, выстроенные в одну линию, покрыли бы расстояние от Земли до Солнца. Космические масштабы строения структур ДНК определяются их чрезвычайной плотностью, компактностью и гибкостью, позволяющими содержать в микроскопическом объёме огромные массивы информации, необходимой для самовоспроизводства жизни.

Изначальная простота несущей «инженерной» конструкции, лежащей в основе чрезвычайно сложного космоса внутри жизни, выражается так называемым принципом комплементарности. Между двумя парами оснований и образуемыми ими нуклеотидами существуют постоянно воспроизводимые комплементарные отношения: аденин всегда распознаёт только тимин и связывается с ним, а гуанин образует аналогичную пару с цитозином. Соответственно адениновый нуклеотид одной цепи соединяется с тиминовым нуклеотидом другой цепи, а гуаниновый – с цитозиновым. Понятно, что в начале самовоспроизведения жизни лежали не мифические Адам и Ева, а две пары оснований, связь которых обусловлена вещественными, химическими закономерностями. Их способность влиять на белки и определять своим расположением последовательность аминокислот в белковых молекулах была, по-видимому, главным мобилизационным фактором химической предыстории жизни. Спайка водородными связями могла возникнуть в процессе самосборки позднее.

Подбор последовательности аминокислот, осуществляемый расположением нуклеотидов, создаёт исходную структуру молекулы белка, которая, в свою очередь, управляет свойствами клеток и индивидуальными наследственными признаками развивающихся из них организмов. Ген как раз и представляет собой участок молекулы ДНК, на основе которого осуществляется формирование структуры одной молекулы белка, а следовательно и соответствующего ей конкретного признака будущего организма.

Уже в 1947 г. один из создателей квантовой механики Эрвин Шрёдингер в своей работе «Что такое жизнь. С точки зрения физики», ставшей настольной книгой огромного множества биологов, выдвинул умозрительную гипотезу о том, что генетические структуры ядер половых клеток содержат «сложный шифровальный код, включающий в себя всё будущее развитие организма» (Шрёдингер Э. Что такое жизнь. С точки зрения физика – М.: Наука, 1972 – 362 с., с. 71). Он предположил также, что ген представляет собой «необычно большую молекулу, которая стала образцом высокодифференцированной упорядоченности» и противостоит тем самым, как думали тогда, «естественной тенденции материи переходить в неупорядоченное состояние» (Там же).

В 1954 г. другой знаменитый учёный Г. Гамов, под впечатлением открытия Уотсона и Крика стал рассматривать генетический код как соответствие двух текстов, записанных посредством двух разных алфавитов. Он предположил использовать методологию и средства криптографии, которые были развиты в период второй мировой войны для расшифровки сообщений противника, с целью распознания генетических кодов.

В 1958 г. Френсис Крик обосновал так называемую центральную догму молекулярной биологии, в соответствии с которой передача наследственной информации может происходить только в одном направлении: от ДНК к РНК и от РНК к синтезированному на основе полученной информации белку.

Позднее оказалось, что эта догма, как и всякая догма, не абсолютна, что она отражает лишь главный, магистральный путь применения в генетических структурах наследственной информации. Возможен и обратный путь движения информации между родственными полимерами ДНК и РНК, а некоторые белки – ферменты представляют собой необходимое условие для работы генетического информационного устройства. Так, в 1970 г. Д. Балтимор и Х. Темин показали, что у не которых вирусов передача информации может происходить от РНК к ДНК.

Ранее, в 1956 г. А. Корнберг доказал, что самовоспроизведение (репликация) ДНК происходит при помощи фермента ДНК – полимеразы. В 1960 г. одновременно тремя коллективами исследователей было определено, что этот же фермент участвует и в образовании матричной РНК.

В 1961 г. М. Ниренберг расшифровал первое сочетание в тексте ДНК, кодирующее одну из аминокислот, а в 1965 г. генетический код был расшифрован полностью. В 1964 г. Ч. Янофски и С. Бреннер доказали соответствие между кодами генов и аминокислотами белков.

Так называемый генетический код устроен очень просто, выдавая своё происхождение от простого самокопирования органических молекул. Одна аминокислота кодируется тремя рядом расположенными нуклеотидами, составляя триплет (троицу) или кодон (кодирующее устройство). Каждый кодон содержит код, способный кодировать только одну кислоту.