Краткая история почти всего на свете

Но нам все еще надо объяснить, почему такая малая часть ДНК имеет какое-то ощутимое предназначение. Хотя от этого становится несколько не по себе, но, похоже, цель жизни действительно состоит в том, чтобы обеспечивать вечное существование ДНК. 97 % в наших ДНК, обычно называемых «мусором», по большей части состоят из наборов букв, как говорит Мэтт Ридли, «существующих по одной простой причине — они хорошо умеют воспроизводиться».
Другими словами, большая часть вашей ДНК преданно служит не вам, а самой себе: вы для нее, а не она для вас. Жизнь, как вы помните, просто хочет быть; это как раз и делает ДНК.
Даже когда ДНК включает инструкции по созданию белков, или, как говорят ученые, кодирует их, — это не обязательно ради гладкого функционирования данного организма. Один из самых распространенных генов, который есть у нас, служит для синтеза белка, называемого обратной транскриптазой, не выполняющего никакой известной полезной функции для человека. Единственное, что он делает, так это дает возможность ретровирусам, таким как ВИЧ, проникать незамеченными в человеческий организм.
Другими словами, наши организмы прилагают значительные усилия для производства белка, который не приносит никакой пользы, а порой вредит нам. У них нет другого выбора, потому что так приказывают гены. Мы — сосуды для их прихотей. В общем, почти половина человеческих генов — самая большая доля среди всех изученных организмов — не делает, можно сказать, ничего, кроме собственного воспроизводства.
Все организмы в некотором смысле рабы своих генов. Потому-то лососи и пауки и, можно сказать, бесчисленное множество других существ готовы умереть при спаривании. Страстное желание плодиться, рассеивать свои гены — самый могучий импульс в природе. Как пишет Шервин Б. Нуланд: «Рушатся империи… создаются великие симфонии, и за всем этим стоит безотчетный инстинкт, требующий удовлетворения». С эволюционной точки зрения секс, — это всего лишь награда, поощряющая нас к передаче своего генетического материала.

Даже теперь нам едва понятно очень многое из того, что относится к ДНК, не в последнюю очередь то, почему значительная ее часть, как представляется, остается не у дел. 97 % вашей ДНК не содержат ничего, кроме длинных последовательностей бессмысленного «мусора», или «некодирующих фрагментов», как предпочитают выражаться биохимики. Только в отдельных местах каждой нити то тут, то там находятся участки, управляющие жизненными функциями и организующие их. Это и есть те удивительные и долго ускользавшие от обнаружения гены.
Гены — это не больше (и не меньше), чем инструкции по синтезу белков. И эту функцию они осуществляют с неизменной тупой точностью. В этом смысле они довольно похожи на клавиши фортепьяно: каждая издает одну ноту, и больше ничего, что, разумеется, немного монотонно. Но комбинируйте гены, как вы комбинируете фортепьянные клавиши, и тогда вы можете творить бесконечное разнообразие аккордов и мелодий. Соедините все эти гены, и получите (продолжим сравнение) великую симфонию жизни, известную как геном человека.
Более привычно уподоблять геном своего рода руководству по обеспечению функционирования организма. Если смотреть под этим углом, хромосомы можно представить как главы книги, а гены как отдельные инструкции по производству белков. Слова, которыми написаны инструкции, называются кодонами, а буквы известны как основания. Основания — буквы генетического алфавита — это четыре нуклеотида, упоминавшихся страницей или двумя выше, — аденин, тиамин, гуанин и цитозин. Несмотря на важность того, чем они занимаются, в этих веществах нет ничего необычного. Гуанин, например, это вещество, которое в большом количестве содержится в гуано, откуда и происходит его название.
Как всем известно, молекула ДНК формой походит на винтовую лестницу или на скрученную веревочную лесенку: знаменитая двойная спираль. Вертикальные элементы этой структуры состоят из разновидности сахара, носящей название дезоксирибоза, а вся спираль представляет собой нуклеиновую кислоту — отсюда название «дезоксирибонуклеиновая кислота». Перекладины (или ступеньки) образуются соединяющимися в промежутках двумя основаниями, причем они соединяются только двумя способами: гуанин всегда соединяется с цитозином, а тиамин — всегда с аденином. Последовательность, в которой эти буквы появляются, если двигаться вверх или вниз по лестнице, составляет генетический код; его точным считыванием занят международный проект «Геном человека».
А самая яркая особенность ДНК заключается в способе ее самовоспроизведения. Когда приходит время создавать новую молекулу ДНК, обе нити расходятся, подобно молнии на куртке, и половинки разделяются, чтобы образовать новую компанию. Поскольку каждый нуклеотид соединяется только с одним парным ему нуклеотидом, каждая нить служит матрицей для создания новой подходящей ей в пару нити. Имея всего одну нить собственной ДНК, довольно просто воссоздать парную ей вторую нить, подобрав нужные партнерства: если верхняя ступенька на одной нити из гуанина, тогда известно, что верхняя ступенька другой нити должна быть из цитозина. Пройдите вниз по лесенке, подбирая пары ко всем нуклеотидам, и в конце будете иметь код новой молекулы. Именно так происходит в природе, только в природе это совершается очень быстро — за считанные секунды, что можно назвать вершиной проворства.

Но что это за штука, которую мы называем геномом? И что, собственно говоря, такое гены? Хорошо, начнем снова с клетки. Внутри каждой клетки находится ядро, а внутри каждого ядра имеются хромосомы — 46 спутанных пучков, из которых 23 достались вам от матери и 23 от отца. За очень редкими исключениями каждая клетка вашего организма — скажем, 99,999 % — содержит один и тот же набор хромосом. (Исключением являются красные кровяные тельца, некоторые клетки иммунной системы, а также яйцеклетки и мужские половые клетки, которые по различным причинам строения несут неполный генетический набор.) Хромосомы содержат полный набор инструкций, необходимых для создания вас и поддержания вашего существования. Они сделаны из длинных нитей крошечного чуда химии, называемого дезоксирибонуклеиновой кислотой, или ДНК, — как говорят, «самой удивительной молекулы на Земле».
ДНК существует только ради одного — создавать еще больше ДНК, — и внутри вас их великое множество: почти во все клетки их втиснуто почти по 2 метра.335 Каждая нить ДНК содержит 3,2 млрд знаков кодирования, достаточно, чтобы обеспечить 10¹⁹⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰ возможных комбинаций, что, по словам Кристиана де Дюва, «гарантирует уникальность во всех мыслимых ситуациях». Это огромное количество возможностей — их число выражается единицей с 2 млрд нулей. «Чтобы напечатать это число, потребуется более 5 тысяч томов среднего формата», — замечает де Дюв. Поглядите на себя в зеркало, поразмыслите над тем, что перед вами 10 тысяч трлн клеток, почти каждая из которых содержит 2 метра плотно упакованной ДНК, и тогда до вас начнет доходить, сколько этого добра вы носите с собой. Если все ваши ДНК спрясть в одну тонкую нить, ее будет достаточно, чтобы протянуть от Земли до Луны и обратно, причем не раз и не два, а множество раз. Всего же, согласно подсчетам, внутри вас уложено ни много ни мало как 20 трлн км ДНК. Короче говоря, ваш организм очень любит вырабатывать ДНК, без нее вы не смогли бы жить. Но сама ДНК не живая. Все молекулы неживые, но у ДНК это особенно выражено. По словам генетика Ричарда Левонтина, она «относится к числу самых химически инертных молекул живого мира». Потому-то при расследовании убийств ее можно извлечь из давно высохшей крови или спермы или же при определенном терпении добыть из костей древнего неандертальца. Этим также объясняется, почему ученым потребовалось так много времени, чтобы разгадать, каким образом столь интригующе пассивное — другими словами, безжизненное — вещество может находиться в самой сердцевине жизни.

Если бы оба ваши родителя не вступили в связь именно в тот момент — возможно, в пределах секунды, даже наносекунды, — вас бы здесь не было. И если бы их родители не вступили в связь точно вовремя, вас тоже бы не было. Если бы не получилось подобным же образом и у родителей этих родителей и у тех, которые были до того, и так далее до бесконечности, то вас бы на этом свете не было.
Продвигайтесь сквозь время в обратном направлении, и эти обязательства перед предками будут возрастать. Вернитесь назад всего на восемь поколений, примерно во время, когда родились Чарлз Дарвин и Авраам Линкольн, и вы уже насчитаете более 250 человек, от своевременных совокуплений которых зависит ваше существование. Двигайтесь дальше, во времена Шекспира и первых переселенцев в Америку, и у вас будет не менее 16 384 предков, ревностно обменивавшихся генетическим материалом таким образом, что в результате, в конечном счете, чудесным образом появились вы.
Двадцать поколений назад количество лиц, производивших потомство ради вас, возрастает до 1 048 576 человек. Еще пять поколений до этого — и получаем 33 554 432 мужчин и женщин, от чьих любовных игр зависит ваше существование. К тридцати поколениям назад общее количество предков — имейте в виду, это не кузены, тетушки и другие второстепенные родственники, а только родители и родители родителей в родословной, неотвратимо ведущей к вам, — превышает миллиард (если точно, 1 073 741 824). Если дойдёте до 64 поколений, до времен римлян, число людей, от чьих совместных усилий в конечном счете зависит ваше существование, возрастает до 18 миллионов триллионов, что в несколько миллиардов раз превышает общее количество людей, когда-либо живших на свете.
Очевидно, с нашей математикой что-то не так. Ответ, если вам интересно узнать, заключается в том, что ваша родословная не является чистой. Вас бы не было, не будь некоторой доли кровосмешения — в действительности довольно значительной, хотя на генетически благоразумном отдалении. При таком множестве миллионов предков неизбежно наблюдалось обилие случаев, когда какой-нибудь родственник по вашей материнской линии произвел потомство в паре с отдаленной кузиной, числившейся по отцовской линии. Фактически, если вы со своим партнером или партнершей одной расы и жители одной страны, у вас отличные шансы быть в той или иной степени родственниками. Вообще-то если вы оглянетесь вокруг в автобусе, парке, кафе или другом людном месте, большинство окружающих вас людей, по всей вероятности, являются родственниками. Если кто-нибудь похвастается, что он потомок Шекспира или Вильгельма Завоевателя, отвечайте не задумываясь: «Я тоже!» В самом буквальном, самом прямом смысле все мы — одна семья.
Мы также поразительно похожи. Сравните свои гены с генами любого другого человека, и в среднем они будут примерно на 99,9 % одинаковыми. Это то, что делает нас видом. Незначительные отличия в остающейся 0,1 % — «приблизительно одно нуклеотидное основание на тысячу», по оценке недавно удостоенного Нобелевской премии британского генетика Джона Салстона, — это то, что наделяет нас индивидуальностью. За последние годы много сделано для сбора по кусочкам полного генома человека. На самом деле такой вещи, как четко определенный геном человека, не существует. У всех людей геномы разные. Иначе все мы ничем не отличались бы друг от друга. Именно бесчисленные рекомбинации наших геномов — каждый почти идентичен всем остальным, но не совсем — делают нас такими, какие мы есть, и как личности, и как вид.

Даже ближайшие друзья Дарвина были обеспокоены беспечной необдуманностью некоторых его утверждений. Адам Седжвик, который учил Дарвина в Кембридже и брал его на геологические изыскания в Уэльсе в 1831 году, говорил, что книга доставила ему «больше огорчений, чем удовольствия». Знаменитый швейцарский палеонтолог Луи Агассиз отверг ее содержание, назвав его жалкими догадками. Даже Лайель мрачно заметил: «Дарвин заходит слишком далеко».
Т. Г. Гексли претили настойчивые утверждения Дарвина об огромных сроках геологического времени, поскольку сам Гексли принадлежал к сальтационистам, то есть придерживался взглядов, что эволюционные изменения происходят не постепенно, а сразу, внезапно. Сальтационисты (от латинского слова, означающего «прыжок») не соглашались с тем, что сложные органы могли каким-то образом развиться постепенно. В конце концов, что хорошего в одной десятой крыла или половине глаза? Такие органы, считали они, имели смысл, только если появлялись в законченном виде.
Это убеждение было несколько удивительным для такой радикальной личности, как Гексли, потому что оно очень напоминало крайне консервативное религиозное представление, впервые выдвинутое в 1802 году английским теологом Уильямом Пэйли и известное как телеологический довод. Пэйли утверждал, что если вы нашли на земле карманные часы, то, даже никогда прежде не видав такого предмета, сразу поймете, что он создан мыслящим существом. То же самое, считал он, и с природой: ее сложность служит доказательством творческого замысла. Этот аргумент в девятнадцатом веке пользовался огромным влиянием и причинял Дарвину много неприятностей. «От этого глаза меня по сей день бросает в холодный пот», — признавался он в одном из писем к другу. В «Происхождении видов» он признавал, что «кажется, сознаюсь в этом откровенно, в высшей степени нелепым», чтобы такой орган мог быть выработан постепенно, естественным отбором.
Но и при этом к непрекращающемуся недовольству его сторонников Дарвин не только настаивал, что все изменения были постепенными, но почти в каждом новом издании «Происхождения видов» увеличивал количество времени, необходимого, по его мнению, для эволюционного развития, отчего его идеи все больше теряли поддержку. «В конечном счете, — пишет историк Джеффри Шварц, — Дарвин утратил практически всю еще остававшуюся поддержку своих коллег — естествоиспытателей и геологов».
По иронии судьбы, учитывая, что Дарвин назвал свою книгу «Происхождение видов», единственное, что он не смог объяснить, так это как произошли виды. Теория Дарвина предполагала механизм, благодаря которому вид может стать более сильным, здоровым, стойким — словом, более приспособленным, — но в ней не было никаких указаний на то, как он может породить новый вид. Один шотландский механик, Флиминг Дженкин, раздумывая над проблемой, отметил в доводах Дарвина важный изъян. Дарвин считал, что сколько-нибудь полезная особенность, появившаяся в одном поколении, будет передаваться последующим поколениям, тем самым укрепляя вид. Дженкин же указывал, что благоприятная особенность одного из родителей не станет доминирующей в последующих поколениях, а фактически в результате смешения будет ослаблена. Если плеснуть виски в стакан с водой, виски от этого станет не крепче, а наоборот, слабее. А если налить эту смесь еще в один стакан с водой, напиток станет еще слабее. Подобным же образом любая благоприятная особенность, переданная одним из родителей, последовательно ослабевала бы при дальнейших спариваниях, пока совсем не переставала бы обнаруживаться. Таким образом, теория Дарвина была секретом не изменчивости, а устойчивости. Счастливые случайности могли возникать время от времени, но скоро растворялись бы под воздействием общей тенденции к возвращению в состояние устойчивой заурядности. Для естественного отбора требовался альтернативный, не принятый во внимание механизм.

Но, пожалуй, самое удивительное то, что все это — лишь произвольная безудержная деятельность, ряд бесконечных столкновений, направляемых не более чем элементарными законами притяжения и отталкивания. Ясно, что за всеми действиями клеток не стоит никакого мышления. Просто все происходит гладко, многократно и столь надежно, что мы даже редко об этом задумываемся; тем не менее все это каким-то образом не только создает порядок внутри клетки, но и идеальную гармонию во всем организме. Путями, которые мы только-только начали понимать, триллионы и триллионы самопроизвольно протекающих химических реакций складываются и образуют вас — подвижного, мыслящего, принимающего решения, или, коль на то пошло, значительно менее размышляющего, но тем не менее невообразимо высокоорганизованного навозного жука. Запомните, что всякое живое существо — это чудо атомной инженерии.
В действительности некоторые организмы, кажущиеся нам примитивными, имеют такой уровень клеточной организации, в сравнении с которой наша выглядит весьма примитивной. Разделите клетки губки (протерев их сквозь сито), затем вывалите их в жидкость, и они найдут путь друг к другу и снова образуют губку. Можете повторять это множество раз, и они будут упрямо собираться вместе, потому что подобно нам с вами и любому другому живому существу ими движет одно неодолимое влечение — продолжать быть.

Вы, возможно, не слыхали об АТФ, но это именно то, что сохраняет вам жизнь. Молекулы АТФ — это, по существу, передвигающиеся по клетке маленькие батарейки, обеспечивающие энергией все происходящие в ней процессы, а их великое множество. В каждый данный момент в типичной клетке вашего организма находится около миллиарда молекул АТФ, но через две минуты они будут полностью исчерпаны, и их место займет миллиард других. Ежедневно вы производите и потребляете количество АТФ, равное приблизительно половине веса вашего тела. Ощутите теплоту вашей кожи. Это трудятся ваши АТФ.
Когда клетки больше не нужны, они умирают, причем делают это с великим достоинством. Они сносят все поддерживающие их леса и подпорки и спокойно переваривают свои составные части. Данный процесс известен как апоптоз, или запрограммированная смерть клетки. Ежедневно ради вас гибнут миллиарды клеток, а миллиарды других убирают то, что от них осталось. Клетки могут погибать и насильственной смертью, например в случае заражения, но по большей части они умирают, когда им приказывают. Фактически если им не говорят, чтобы они жили — если они не получают своего рода прямых указаний от других клеток, — клетки автоматически себя убивают. Клеткам очень нужно, чтобы их подбадривали.
Если же, как время от времени случается, клетка не умирает, как предписано, а начинает безудержно делиться и распространяться (пролиферировать, как говорят специалисты), мы называем последствия этого раком. Раковые клетки на самом деле просто сбиты с толку. Клетки весьма часто ошибаются подобным образом, но организм располагает сложными механизмами борьбы с ними. И только очень редко процесс выходит из-под контроля. В среднем одно пагубное злокачественное образование у человека приходится на сто миллионов миллиардов клеточных делений. Рак — невезение во всех смыслах этого слова.

Клетку сравнивали со многими вещами, от «сложного химического производства» (физик Джеймс Трефил) до «огромного многолюдного города» (биохимик Гай Браун). Клетка похожа на то и другое и вместе с тем не похожа ни на одно из них. Она похожа на химзавод в том смысле, что она все время занята сложнейшими химическими процессами, а на большой город, потому что плотно населена, в ней царит оживленное взаимодействие обитателей, которое приводит в замешательство, но в нем явно просматривается определенная система. Но это куда более кошмарное место, чем любой огромный город или гигантское производство, какие вы когда-либо встречали. Начать с того, что в клетке нет верха и низа (силу тяжести можно не учитывать на клеточном уровне) и нет ни одного неиспользуемого места размером хотя бы с атом. Активные процессы идут повсюду, и непрерывно гудит электричество. Вы можете не чувствовать свою электрическую природу, но она такова. Съедаемая нами пища и вдыхаемый кислород соединяются в клетках, порождая электричество. Мы не обмениваемся сильными разрядами и не прожигаем диван, когда садимся, только потому, что все это происходит в очень малых масштабах: всего 0,1 вольта, передаваемые на расстояние, измеряемое нанометрами. Но увеличьте масштаб, и получите напряженность 20 млн вольт на метр.
Какими бы ни были их размер или форма, почти все ваши клетки построены в основном по одному и тому же плану: они имеют внешнюю оболочку, или мембрану, ядро, внутри которого находится генетическая информация, необходимая для жизнедеятельности, а между ними заполненное бурной деятельностью пространство, называемое протоплазмой. Мембрана не является, как большинство из нас представляет, прочной эластичной оболочкой, чем-то таким, что надо протыкать острой иголкой. Она скорее представляет собой своего рода маслянистое вещество, известное как липид, пользуясь сравнением Шервина Б. Нуланда, близкое по консистенции к «легкому моторному маслу». Это кажется удивительно несолидной защитой, но имейте в виду, что на микроскопическом уровне вещи ведут себя иначе. В масштабах молекул вода становится вроде тяжелого геля, а липид подобен железу.
Если бы вы могли побывать внутри клетки, вам бы там не понравилось. Раздутая до таких размеров, чтобы атомы стали величиной с горошину, клетка будет шаром диаметром около километра, который поддерживается сложной конструкцией из балок, называемой цитоскелетом. Внутри нее многие миллионы предметов — одни размером с баскетбольный мяч, другие с автомашину — со скоростью пули носятся из стороны в сторону. Не нашлось бы места, где вы могли бы спокойно стоять без того, чтобы каждую секунду со всех сторон они тысячи раз не ударяли и не вонзались бы в вас. Даже для постоянных обитателей внутренность клетки — место опасное. Каждая нить ДНК подвергается нападению и повреждается в среднем каждые 8,4 секунды — 10 000 раз в день. Химические и другие агенты, которые вклиниваются или небрежно разрезают ее, и каждую из этих ран нужно быстро зашить, если клетке не предначертано погибнуть.
Особенно полны жизни и подвижны белки — они скручиваются, пульсируют и влетают друг в друга до миллиарда раз в секунду. Всюду снуют ферменты, тоже разновидности белков, выполняя до тысячи задач в секунду. Словно поразительно ускоренные рабочие муравьи, они деловито строят и перестраивают молекулы, тащат кусок от одной, добавляют его к другой. Некоторые следят за пролетающими белками и химически помечают непоправимо поврежденные или попорченные. Отобранные таким путем обреченные белки перерабатываются структурами, называемыми протеасомами, где их разбирают, а составные части используют для создания новых белков. Некоторые виды белков существуют менее получаса; другие живут неделями. Но все их существование протекает в бешеном темпе. Как отмечает де Дюв, «из-за немыслимой скорости происходящих там процессов молекулярный мир неизбежно должен полностью оставаться за пределами нашего воображения».
Но замедлите ход вещей до скорости, при которой эти взаимодействия можно наблюдать, и они уже не будут так вас нервировать. Можно увидеть, что клетка — это всего лишь миллионы объектов: лизосом, эндосом, рибосом, лигандов, пероксисом, белков всех размеров и форм, сталкивающихся с миллионами других вещей и занимающихся будничными делами: извлечением энергии из питательных веществ, сборкой структур, удалением отходов, отражением вторжения незваных гостей, отправкой и получением сообщений, выполнением ремонта. Обычно клетка содержит около 20 тысяч различных видов белка, из них около 2 тысяч видов представлены каждый по крайней мере 50 тысячами молекул. «Это означает, — пишет Нуланд, — что если брать в расчет только молекулы, присутствующие в количестве больше 50 тысяч, то в итоге получим самое меньшее 100 млн белковых молекул в каждой клетке. Эта ошеломительная цифра дает некоторое представление об интенсивности и масштабности происходящих внутри нас биохимических процессов».

Это начинается с одной клетки. Первая клетка делится, чтобы стать двумя, а две становятся четырьмя и так далее. После всего 47 удвоений у вас будет около 10 тысяч триллионов (10 000 000 000 000 000) клеток, готовых ожить в виде человека. И каждая из этих клеток точно знает, что делать, чтобы оберегать и лелеять вас от момента зачатия и до последнего вздоха.
У вас нет никаких секретов от ваших клеток. Они знают о вас больше, чем вы сами. Каждая имеет копию полного генетического кода — наставления по уходу за вашим организмом, — так что она знает не только свое дело, но и всякое другое дело в организме. Вам ни разу в жизни не придется напоминать клетке, чтобы та следила за содержанием аденозинтрифосфата или нашла место для неожиданно появившейся избыточной фолиевой кислоты. Клетка сделает за вас все — и это, и миллион других дел. Каждая клетка по своей природе является чудом. Даже самые простые из них находятся за пределами человеческой изобретательности. Например, чтобы создать самую элементарную дрожжевую клетку, вам придется миниатюризировать примерно столько же компонентов, сколько деталей в реактивном самолете «Боинг-777», и уместить их в шарике диаметром всего в 5 микрон; затем вам нужно будет как-то убедить этот шарик размножаться.
Но дрожжевые клетки — ничто по сравнению с человеческими, которые не только разнообразнее и сложнее, но и куда больше захватывают воображение благодаря своему сложному взаимодействию.