Серия «Биология: школьный курс»

Едва ли на просторах Интернета остались люди, не имеющие ни малейшего представления о теории эволюции Чарльза Дарвина. Даже тот, кто нещадно прогуливал школьную биологию, расскажет вам если не о выживании сильнейшего (хотя правильнее будет: наиболее приспособленного), то хотя бы о том, что человек произошёл от обезьяны. Однако эта теория, как водится, не была ни первой, ни единственной: ровно за полвека до публикации дарвиновского "Происхождения видов", в далёком 1809 году, свою теорию эволюции выдвинул другой выдающийся учёный — французский естествоиспытатель Жан Батист Ламарк. И хотя его концепция была немедленно опровергнута тем же Дарвиным, а сейчас вызывает снисходительную улыбку даже у десятиклассников, ламаркизм был важной ступенькой в становлении эволюционной теории.

А что ещё важнее, когда ты пишешь научно-популярные статьи, ламаркизм был забавной ступенькой. В изучении отвергнутых, забытых и абсурдных теорий вообще есть какая-то неповторимая прелесть, особый шарм, эдакая лёгкая сумасшедшинка. Кроме того, согласитесь, приятно знать, что именитые учёные тоже могли ошибаться — и некоторые из них ошибались, причём по-крупному. Хотя бы потому, что вещи, очевидные для нас и наших смартфонов, не были очевидны в начале 19 века. Ещё один вывод: сама идея эволюции не взялась с потолка дарвиновской каюты, а зрела в умах его предшественников на протяжении сотен, если не тысяч лет. И, наконец, самое главное, что надо знать о ламаркизме —

жирафы!

Зачем жирафу такая длинная шея? Не нужно быть Жаном Батистом Ламарком, чтобы ответить: жирафы едят листья, а длинная шея позволяет им дотягиваться до крон деревьев. Кто угодно может щипать траву или объедать кусты, но кроны деревьев — персональная жирафья столовая. Персональная столовая — это хорошо, ведь в отсутствие конкуренции можно не беспокоиться о том, где добыть себе пропитание. В кронах деревьев, очевидно. Но только если ты жираф.

Жаном Батистом Ламарком нужно быть, чтобы спросить себя: как именно жирафы стали такими длинношеими? Ведь двухметровая шея — явно скорее причудливое исключение в животном мире, чем базовая комплектация любого травоядного. Затем можно вообразить себе далёкого предка жирафа: шея у этого предка сравнительно короткая, то есть обычная, но каждый день он вытягивает её изо всех сил, чтобы дотянуться до сочных зелёных листочков. И от этого шея становится чуть длиннее.

(Не спрашивайте меня, почему по Ламарку простое вытягивание шеи работает по принципу дыбы — я стараюсь об этом не думать, просто тихо радуюсь, что это воображаемый сценарий эволюции, и ни один жираф не пострадал от смещения позвонков.)

Так на жирафах объясняется первый закон ламаркизма: закон упражнения и неупражнения органов. Как только у жирафов возникает потребность в длинных шеях (раз уж вся их еда наверху), они начинают вытягивать шеи, и поэтому шеи становятся длинными. Те органы, которыми мы постоянно пользуемся, благодаря такой тренировке усложняются и развиваются, а органы, которыми не пользуемся, постепенно исчезают за ненадобностью — например, живущие в темноте кроты потеряли возможность видеть, а у некоторых обезьян (в том числе у людей) отвалился хвост.

Ламарк был прав в том, что организмы изменяются вместе со средой, в которой живут. Ещё ни один живой организм не появился на свет идеально приспособленным одновременно к глобальному потеплению и ледниковому периоду, не говоря уже о потопах, засухах и падениях метеоритов. Теория эволюции Ламарка была первой теорией трансформизма: его предшественники, например, Карл Линней, были креационистами и считали, что все организмы сотворены изначально приспособленными, ведь не может же сам Творец создат нечто несовершенное, что потребует доработки, или, не дай бог, патчей и обновлений? Однако к 19 веку, судя по всему, стало невозможно спорить с тем, что мир "слегка" поменялся со времён Ветхого Завета.

Второй закон ламаркизма — закон наследования приобретённых признаков — стал его самым серьёзным промахом. Ламарк заявил, что "натренированные" органы родителей передаются потомкам. У двух растянувшихся за годы поедания листьев жирафов родится длинношеий жирафёнок. В семье бодибилдеров будут появляться исключительно мускулистые младенцы, а если вы хорошенько загорите, то, несомненно, родите мулата.

Конечно, сейчас нам известно, что приобретённые признаки (их приобретение называется модификационной изменчивостью) не наследуются — наследуются только гены. Но о генах не знал ни Ламарк, ни Дарвин. Не знал о них (хотя догадывался) и Август Вейсман, что не помешало ему опровергнуть второй закон ламаркизма. За неимением в Пруссии жирафов он провёл опыт на мышах, изучая потомство мышей с отрезанными хвостами — и, разумеется, у бесхвостых родителей из поколения в поколение упрямо рождались исключительно хвостатые мышата.

Наконец, движущей силой эволюции Ламарк называл внутреннее стремление организмов к совершенствованию. Насекомые устроены сложнее червей, поэтому черви хотят превратиться в насекомых. Все обезьяны поголовно хотят превратиться в людей — и мы бы заметили, как они превращаются, если бы понаблюдали за ними достаточно долго. Примитивные организмы типа инфузорий и медуз существуют только потому, что они возникли сравнительно недавно и ещё не успели эволюционировать. Соответственно, Ламарк не верил в вымирание видов — никто не вымирает, они просто превращаются! Да и саму категорию "вида" он считал искусственной: мол, лягушка — это не отдельная категория животных, а просто промежуточный этап между рыбой и рептилией.

На самом деле, конечно, эволюция движется методом проб и ошибок. Виды вымирают, тупиковые ветви случаются, а примитивность даёт свои преимущества одним организмам и губит других. Какие-то виды не меняются со времён динозавров, а другие разделяют судьбу динозавров. Стремление к совершенству — красивая философская концепция, вот только реальность гораздо сложнее и хаотичнее. Эволюция полна неоптимальных решений, которые становятся нормой, удачных ошибок и фатальных случайностей. Естественный отбор — слепой художник, нарисовавший для нас восхитительную картину, и это причина, по которой дарвинизм завораживает сильнее "совершенной предопределённости" ламаркизма или "идеальных созданий" креационизма.

Но где ещё вы найдёте таких смешных и целеустремлённых жирафов?

Френсис Крик, нобелевский лауреат и учёный, благодаря которому буквы ДНК стали тремя самыми знаменитыми буквами в современной биологии, дал своей гипотезе скандальное название "догма", совершенно не подумав о том, что тем самым его наблюдения претендуют на статус неоспоримой божественной истины — просто "догма", по мнению Крика, звучала круто.

К тому, кто возьмётся отрицать центральную догму молекулярной биологии, скорее всего, не ворвётся испанская инквизиция (хотя никто не ожидает испанскую инквизицию), да и парочка падших ангелов, желающих проложить себе дорогу обратно на небеса, едва ли заглянет на огонёк. Но был ли прав Френсис Крик, выдвигая свою теорию? И какой из законов жизни он посчитал настолько важным, чтобы ради него позаимствовать термин, которым на протяжении многих и многих веков пользовались почти исключительно богословы?

Элегантные постулаты Крика укладываются в три слова и две стрелки между ними:

ДНК → РНК → белок

Так что если ты не один из особо упоротых вирусов, дело обстоит так:

1. у тебя имеется ДНК — дезоксирибонуклеиновая кислота, эдакая большая поваренная книга на все случаи жизни (читай: генетическая информация);

2. если тебе необходимо приготовить, допустим, борщ, то ты переписываешь конкретно рецепт борща на отдельный лист — это твоя РНК, рибонуклеиновая кислота;

3. РНК с рецептом борща вручается рибосомам, органеллам-поварятам, которые собирают из аминокислот готовое блюдо — молекулу белка.

Причём из готового борща ни при каких условиях нельзя извлечь его рецепт: молекула белка никогда не бывает матрицей для нуклеиновых кислот. Поток информации при производстве белка строго однонаправленный: от ДНК — к РНК, от РНК — к белку, и белок — конечная станция, поезд дальше не идёт, пожалуйста, покиньте вагоны?

Почему при этом большая книга (ДНК) не может служить матрицей (рецептом) для белка напрямую? Ведь на синтез посредника, которым по сути является РНК, тратится драгоценная для клетки энергия. И правда, с этой точки зрения каждый раз переписывать несчастный рецепт от руки — та ещё морока. Но клетка жертвует энергией, чтобы получить гораздо более ценный приз: творческую свободу.

Допустим, в твоей книге имеется вкуснейший рецепт яблочного пирога, доставшийся тебе ещё от прабабушки. К сожалению, от прадедушки тебе досталась ужасная аллергия на яблоки, и ты просишь поваров заменить их на груши. Повара относятся к выпечке очень серьёзно и просят тебя оставить письменные инструкции, желательно — прямо в рецепте. Большими буквами. Зачеркнув любое упоминание яблок. Чтобы потом не говорили, будто ты их не предупреждал. Вдруг у тебя и с грушами тоже не сложится.

Но эта книга — твоя семейная реликвия! Она передаётся из поколения в поколение, прямо как наследственная информация, закодированная в ДНК. И если ты сделаешь так, как советуют повара, рецепт прабабушкиного яблочного пирога будет безвозвратно утерян — а его место займёт грушевый пирог, который ни разу даже не появляется в твоих любимых воспоминаниях о детстве.

Поэтому ты переписываешь рецепт, убирая яблоки, но добавляя груши — и вместо оригинала вручаешь своим рибосомам копию.

А может быть, и нет у тебя никакой аллергии. Может быть, у тебя никак не получается вспомнить, какие яблоки клала в пирог твоя бабушка — и ты находишь двух поваров, одному вручая рецепт с антоновкой, а второму — с белым наливом. Или тебе нужно срочно приготовить тысячу пирогов — и ты понимаешь, что если тысяча поваров будет толпиться вокруг одной книги, тысяча пирогов займёт примерно тысячу лет. РНК — серый кардинал белкового синтеза, молекула, которая до сих пор остаётся в тени своей безкислородной сестры, но во многом именно благодаря РНК мы способны синтезировать более двух миллионов белков, располагая всего лишь 23—24 тысячами генов*.

* Конкретные цифры до сих пор уточняются, меняются и устаревают, но разница на два порядка (в сто раз) — абсолютный научный факт.

А теперь, проголодавшись и проникшись важностью РНК, представим, что у нас в ДНК хранится некая ценная генетическая информация. Например, знание о том, что "London is the capital of Great Britain".

Процесс передачи информации от ДНК к РНК называется транскрипцией. Давайте вспомним уроки какого-нибудь языка и транскрибируем нашу фразу. В филологическом понимании этого процесса, то есть с помощью специальных символов запишем, как эта фраза слышится, куда падает ударение и как произносятся разные звуки.

В итоге получаем что-то такое:

[ˈlʌndən ɪz ðə ˈkæpətəl ʌv ɡreɪt ˈbrɪtən]

По-латински "транскрипция" означает буквально "переписывание". То есть уже из названия понятно, что от этого процесса ожидается результат, который не будет сильно отличаться от оригинала. Например, в нашем транскрипте без особых усилий узнаётся английский язык (несмотря на появление нескольких странных закорючек и загогулин).

Примерно то же самое происходит в результате биологической транскрипции: и ДНК, и РНК — нуклеиновые кислоты, ближайшие родственницы, вещества одной химической природы. Поэтому неудивительно, что они общаются, можно сказать, на разных диалектах одного языка. ДНК для кодирования информации использует буквы (нуклеотиды) А, Т, Г и Ц. В таком же скромном и таком же четверобуквенном алфавите РНК есть буквы А, Г и Ц, но нет буквы Т, поэтому при "переписывании" все Т заменяются буквой У.

Процесс передачи информации от РНК к белку называется трансляцией. Слово "транслировать" похоже на английское translate, то есть переводить. Что же, переведём — и получим фразу "Лондон — столица Великобритании". По смыслу она абсолютно идентична изначальной "London is the capital of Great Britain", однако выглядит и звучит совершенно иначе, содержит другое количество слов и даже использует другой алфавит. И настолько же радикальное преображение происходит с информацией во время трансляции.

Потому что белки, в отличие от нуклеиновых кислот, говорят на совершенно другом языке: языке аминокислот, а не нуклеотидов. В аминокислотном языке абсолютно другие правила, другой синтаксис (пептидные связи вместо фосфодиэфирных) и аж двадцать букв вместо четырёх. При этом несколько разных нуклеотидных слов (которые всегда складываются из трёх букв и называются поэтому триплетами) на аминокислотный зачастую переводятся одинаково: например, аминокислоту глицин кодируют четыре триплета (ГГА, ГГУ, ГГЦ, ГГГ). Так что даже самые матёрые переводчики обычно пользуются таблицей кодонов:

Кроме того, поддавшись вдохновению (или нерешительности), мы можем предложить сразу несколько переводов: "Лондон — столица Великобритании", и "Лондон — это столица Великобритании", и даже "Лондон является столицей Великобритании". А уж если позволить себе парочку переводческих вольностей... тогда у нас, конечно, не останется никаких сомнений в том, что Лондон — столица и крупнейший город Соединённого Королевства Великобритании и Северной Ирландии.

Мораль истории? Учите английский, пеките пироги, постарайтесь не путать трансляцию и транскрипцию. А главное, помните о той незаметной, но очень важной, кропотливой, а иногда даже творческой работе, которую проделывает для нас РНК.