Глава 10. СОБСТВЕННЫЙ КОД ЖИЗНИ. Полное описание организма уже содержится в яйце
Коренная сущность каждого живого существа — не пламя, не теплое дыхание и не “искра жизни”, но информация, слова, инструкции. Если вы любите метафоры, то не представляйте себе огни, искры и дыхание, а представляйте себе миллиарды четких кодовых знаков, высеченных на гранях кристалла.
Ричард Докинз (1986)
Ученые любят фундаментальные частицы. Если характерные черты передаются от одного поколения к следующему, то они должны принимать какую-то примитивную форму — или у них обязан быть какой-то носитель. Именно поэтому, например, была введена предполагаемая частица протоплазмы. “Биологу нужно позволить использовать столько же воображения в научных целях, сколько и физику, — объяснял The Popular Science Monthly в 1875 году. — Если один не может обойтись без молекул и атомов, второй должен иметь свои физиологические единицы, свои пластичные молекулы, свои “пластикулы”.
Пластикулы не прижились. Впрочем, в то время практически у всех были ложные представления о наследственности. Поэтому в 1910 году датский ботаник Вильгельм Иохансон без особой шумихи придумал слово “ген”. Ученый старался опровергнуть распространенную мифологию наследственности и думал, что новое слово сможет в этом помочь. Миф был таким: “личные качества” передаются от родителей к их потомству. Это “самая наивная и старая концепция наследственности”, — заявил Иохансон, выступая перед Американским обществом натуралистов. Его идею можно понять. Если отец и дочь толстые, люди могли подумать, что одна полнота стала причиной другой, что отец передал свою полноту дочери.
Но это не так. Как заявил Иохансон, “личные качества любого отдельного организма совсем не определяют качества, которыми будет обладать его потомство, но качества как предка, так и потомка определены вполне одинаковым способом, природой “половых субстанций”, т. е. гаметами, из которых они развиваются”. То, что наследуется, более абстрактно, скорее вопрос потенциальных возможностей.
Чтобы избавиться от вводящих в заблуждения рассуждений, ученый предложил новую терминологию и начал с гена: “В нем нет ничего особенного — короткое, очень подходящее слово, которое легко сочетать с другими”. Вряд ли имело значение, что ни он сам, ни кто-либо другой еще не знал, что такое ген на самом деле; “это слово может быть полезно как название “факторов-единиц”, “элементов” или “аллеломорфов”. <... > Что касается природы “генов”, пока она недостаточно важна, чтобы выдвигать гипотезы”. Годы исследований Грегора Менделя с зеленым и желтым горохом показали, что подобная штука должна существовать. Цвета и другие свойства различаются в зависимости от многих факторов, таких как температура, состав почвы, но нечто остается неизменным, оно не смешивается и не диффундирует и оно должно быть квантированным. Мендель обнаружил ген, хотя и не назвал его. Ген был ему нужен скорее для алгебраического удобства, а не как физическая сущность.
Когда Шредингер размышлял о гене, перед ним встала проблема. Как могла такая “малюсенькая крупинка вещества” содержать весь сложнейший “план”, зашифрованный сценарий, определяющий сложное развитие организма? Для разрешения этой проблемы Шредингер привел пример не из волновой механики или теоретической физики, а из телеграфии — из азбуки Морзе. Он заметил, что два знака, точка и тире, могут быть объединены в хорошо упорядоченные группы для передачи всего человеческого языка. Гены, предположил он, тоже должны использовать код: "Миниатюрный шифровальный код должен в точности соответствовать очень сложному и специфическому плану развития организма и каким-то образом содержать средства, способствующие его реализации”.
Коды, инструкции, сигналы — весь этот язык, сильно отдающий машиностроением и инженерными проектами, давил на биологов как нормандский французский, вторгающийся в средневековый английский.
В 1940 году из-за употребления этого жаргона возникало изощренное, искусственное ощущение, которое скоро прошло. Новая молекулярная биология начала изучать хранение и передачу информации. Биологи смогли привлечь термин "биты”. Некоторые физики, теперь обратившиеся к биологии, считали информацию именно тем понятием, которое необходимо для обсуждения и измерения биологических качеств, ведь для него еще не было своих инструментов: сложность и порядок, организация и специфичность. Генри Кастлер из Вены, один из первых радиологов, тогда работавший в Университете Иллинойса, применял теорию информации как к биологии, так и к психологии; он провел следующую аналогию: пусть аминокислота содержит столько же информации, сколько написанное слово, тогда молекула белка соответствует абзацу текста. Его коллега Сидней Данкофф в 1950 году подкинул идею, что нить хромосомы есть "линейная лента с закодированной информацией”:
Нить представляет собой “сообщение”. Это сообщение можно разбить на части и назвать их “абзацами”, “словами” и т.д. Вероятно, наименьшей единицей сообщения является некий триггер, который может принимать решение — да или нет.
В 1952 году Квастлер организовал симпозиум по теории информации в биологии с единственной целью — распространить эти новые идеи: энтропия, шум, сообщение, дифференциация в разных сферах, от клеточной структуры и ферментативного катализа до крупномасштабных “биосистем”. Один из исследователей построил оценку числа битов, представленных в простой бактерии, — получилось 1013. (Но это было число, необходимое для описания всей ее молекулярной структуры в трех измерениях — пожалуй, описание могло быть более экономичным.) Рост бактерии можно рассмотреть как снижение энтропии в той части вселенной, которую она представляет. Сам Кастлер хотел измерить более сложные организмы в терминах информационного содержания: не в терминах атомов (“это было бы крайне бессмысленной затратой сил”), но в терминах “гипотетических инструкций по построению организма”. Этот путь, конечно, привел его к генам.
Полный набор инструкций, расположенный “где-то в хромосомах”, и есть геном. Это “каталог”, говорил ученый, содержащий если не всю, то по крайней мере “существенную часть всей информации о взрослом организме”. Впрочем, он подчеркнул, что о генах известно чрезвычайно мало. Были ли они отдельными физическими сущностями или пересекались друг с другом? Были ли они “независимыми источниками информации” или влияли друг на друга? Сколько их? Перемножив неизвестные, он получил результат:
Объем существенной информации, содержащийся в отдельной клетке и в человеке в целом, не больше 1015 и не меньше 105 бит; крайне грубая оценка, но она лучше, чем ее отсутствие.
Эти неуклюжие попытки сами по себе не привели ни к чему. Теорию информации Шеннона нельзя было просто пересадить на биологическую почву. Но вряд ли это имело значение. Уже произошел сейсмический сдвиг от размышлений об энергии к размышлениям об информации.
Весной 1953 года на другом берегу Атлантики в редакцию журнала Nature в Лондоне пришло странное письмо, подписанное учеными из Парижа, Цюриха, Кембриджа и Женевы. Самым известным среди этих людей был Борис Эфрусси, первый профессор генетики во Франции. Ученые жаловались на то, “что кажется нам весьма хаотичным расширением технического словаря”. В частности, они наблюдали, что генетическую рекомбинацию бактерий описывали как “преобразование”, “индукцию”, “трансдукцию” и даже “инфекцию”. Они предложили упростить дело:
Как выход из этой сбивающей с толку ситуации мы хотели бы предложить термин “межбактериальная информация” в качестве замены всех вышеперечисленных. Он не обязательно подразумевает перенос материальных субстанций и допускает возможное использование науки кибернетики на бактериальном уровне в будущем.
Это письмо было результатом изобиловавшего вином обеда в Локарно и задумывалось как шутка, но редакторы Nature сочли его вполне правдоподобным и немедленно опубликовали.
Самым молодым из участников того обеда, подписавшим письмо, был 25-летний американец Джеймс Уотсон.
В следующем же номере Nature было опубликовано письмо самого Уотсона и его соавтора Фрэнсиса Крика. Оно сделало их знаменитыми. Они нашли ген.
На тот момент ученые договорились, что чем бы ни были гены, как бы они ни работали, они, вероятнее всего, являются белками — гигантскими органическими молекулами, состоящими из длинных цепочек аминокислот. Но в 1940-е несколько генетиков сосредоточились на простых вирусах — фагах. Эксперименты по выявлению наследственных признаков у бактерий убедили немногих исследователей, в том числе Уотсона и Крика, что гены могут находиться в другой субстанции, которая по неизвестным причинам обнаруживалась в ядре каждой клетки, будь то клетки растения, животного или фагов. Этой субстанцией была нуклеиновая кислота, точнее дезоксирибонуклеиновая кислота, или ДНК. Люди, работавшие с нуклеиновыми кислотами, в основном химики, знали о них немного — например, что молекулы состояли из групп, названных нуклеотидами. Уотсон и Крик решили, что в этом и заключается главный секрет, и поспешили выяснить их структуру в Кавендишской лаборатории Кембриджа. Они не могли видеть эти молекулы, они могли только искать их следы с помощью дифракции рентгеновских лучей. Но они много знали о группах, из которых эти молекулы состояли. Каждый нуклеотид содержал “основу”, причем существовало всего четыре разных базовых основания, обозначаемых как A, C, G и T. Они появлялись в строго определенных пропорциях. Они должны были быть элементами кода. Остальное можно было додумать с помощью метода проб и ошибок и воображения.
То, что обнаружили ученые, стало иконой: двойная спираль появилась на обложках журналов и в произведениях искусства. ДНК сформирована из двух переплетенных длинных последовательностей оснований, словно шифр, закодированный четырехбуквенным алфавитом, где каждая последовательность дополняет другую. Каждая цепь отдельно могла служить шаблоном для репликации. (Был ли это апериодический кристалл Шредингера? В терминах физической структуры, дифракция рентгеновских лучей показала, что ДНК полностью регулярна. Апериодичность отражена в абстрактном уровне языка — последовательности “букв”.) В местном пабе возбужденный Крик объявил всем, кто хотел слышать, что обнаружен “секрет жизни”; в своей небольшой, длиной всего в одну страницу, заметке в журнале Nature ученые были более осмотрительны. Они закончили текст замечанием, которое было названо “одним из наиболее скромных утверждений в научной литературе”:
От нашего внимания не ускользнул тот факт, что из постулируемой нами избирательной сочетаемости пар вытекает возможный механизм копирования генетического материала.
Уже через несколько недель, к моменту публикации другой статьи, они отбросили скромность и робость. В каждой цепочке последовательность оснований кажется нерегулярной; возможна любая последовательность, заметили они. “Отсюда следует, что в длинной молекуле возможно множество различных комбинаций”. Множество комбинаций — это то же самое, что и множество возможных сообщений. Их следующее замечание немедленно привлекло внимание по обе стороны Атлантики: “Таким образом, кажется вероятным, что точная последовательность оснований есть код, который несет генетическую информацию”. Термины код и информация, использованные в этой статье, уже не были метафорами.
В сложных структурах органических макромолекул содержится информация. Одна молекула гемоглобина состоит из четырех цепочек полипептидов, две из которых в свою очередь состоят из 141 аминокислоты, а две другие — из 146 аминокислот, и они находятся в строгой линейной последовательности, связаны и переплетены друг с другом. Атомы водорода, кислорода, углерода и железа могут случайно соединяться в любой момент жизни вселенной, но вероятность того, что они соединятся в молекулу гемоглобина, так же мала, как и вероятность того, что вошедшие в поговорку шимпанзе смогут напечатать работы Шекспира. Появление молекул требует энергии; они построены из более простых, менее упорядоченных частей, и к ним применим закон энтропии. К земной жизни энергия приходит в виде фотонов от солнца. А информация — через эволюцию.
Молекула ДНК была особенной: информация, которую она несет, является ее единственной функцией. Осознав это, биологи принялись решать проблему расшифровки кода. Крик, который ради биологии ушел из физики, после того как прочитал книгу “Что такое жизнь?”, послал Шредингеру копию их с Уотсоном статьи, но не получил ответа.
С другой стороны, отчет Уотсона — Крика увидел Джордж (Георгий) Гамов, когда посетил Лабораторию изучения радиации в Беркли. Гамов, родившийся в Одессе, был астрофизиком, создателем теории Большого Взрыва, и разумеется, он смог узнать великую идею. Он отправил письмо:
Уважаемые д-р Уотсон и д-р Крик.
Я физик, а не биолог. <... > Но меня очень взволновала ваша статья в номере Nature от 30 мая, и мне кажется, что она переводит биологию в группу “точных” наук... Если ваша точка зрения верна, то каждый организм можно будет охарактеризовать длинным числом, записанным в четверичной (?) системе с цифрами 1, 2, 3, 4 для разных оснований. <... > Это открывает заманчивую перспективу теоретических исследований, основанных на комбинаторике и теории чисел!.. У меня есть чувство, что это можно сделать. Что вы думаете?
В течение следующего десятилетия битва за понимание генетического кода привлекла пестрый набор великих умов, и у многих, как и у Гамова, не было полезных знаний в области биохимии. Для Уотсона и Крика решение первоначальной задачи зависело от преодоления болота специальных деталей — водородных и солевых связей, фосфатных цепочек с дезоксирибофуранозными остатками. Им пришлось узнать, как неорганические ионы могут быть ориентированы в трехмерном пространстве, и научиться вычислять точные углы химических связей. Они делали модели из картона и жестяных пластин. Но проблема переместилась в другую плоскость и стала абстрактной игрой в манипуляции символами. Одиночная спираль РНК, двоюродная сестра ДНК, казалось, играла роль посыльного или переводчика. Гамов объяснил, что связанная с этими молекулами химия практически не имела значения. Он и другие, последовавшие за ним, понимали это как математическую задачу — сопоставить сообщения в разных алфавитах. Если это проблема шифрования, то за необходимыми им инструментами следовало обратиться к комбинаторике и теории информации. Консультации проводились не только с физиками, но и с криптоаналитиками.
Сам Гамов импульсивно начал с разработки комбинаторного кода. Проблема, как он ее понимал, заключалась в том, чтобы перейти от четырех оснований ДНК к двадцати известным аминокислотам, из которых состоят белковые молекулы, — следовательно, к коду из четырех букв и двадцати слов.
Чистая комбинаторика заставила его думать о триплетах, комбинациях из трех последовательно расположенных нуклеотидов, как о трехбуквенных словах. Через несколько месяцев подробное решение было готово, вскоре оно стало известно под названием “ромбовидный код”, и ученый опубликовал его в Nature. Через несколько месяцев после этого Крик показал, что это решение неверно: экспериментальные данные о протеиновых последовательностях исключали ромбовидный код. Но Гамов не сдавался. Идея триплетов была соблазнительна. К охоте подключился неожиданный состав ученых: Макс Дельбрюк, бывший физик, а теперь биолог в Калифорнийском технологическом институте; его друг Ричард Фейнман, занимавшийся квантовой физикой; Эдвард Теллер, знаменитый создатель водородной бомбы; еще один выпускник Лос-Аламоса, математик Николас Метрополис; Сидни Бреннер, присоединившийся к Крику в лаборатории Кавендиша.
У всех были разные мысли о коде. Математически проблема казалась обескураживающей даже Гамову. “Как и с взломом сообщений противника в годы войны, — писал он в 1954 году, — успех зависит от длины доступного зашифрованного текста. Как скажет вам любой офицер разведки, работа очень сложна, результат зависит в основном от удачи... Боюсь, что задача не может быть решена без помощи электронной вычислительной машины”. Гамов и Уотсон решили создать Клуб галстуков РНК, в который вошло двадцать человек. Каждый член клуба получил шерстяной галстук в черных и зеленых тонах, сделанный по рисунку Гамова галантерейщиком из Лос-Анджелеса. Дело было не только в игре, Гамов хотел создать канал связи в обход публикаций в журналах. Новости науки никогда раньше не распространялись так быстро. “Многие значительные идеи первоначально предлагались для неформального обсуждения по обе стороны Атлантики и затем быстро транслировались заинтересованным лицам, — рассказывал один из членов клуба, Гюнтер Стент, — через частное международное сарафанное радио”. Случались здесь и фальстарты, и предположения наобум, и тупиковые идеи, да и сами биохимики не всегда с радостью принимали идеи членов клуба.
“Люди не обязательно верят в код, — писал Крик позже. — Большинство биохимиков раньше просто об этом не думали. Это была совершенно новая идея; более того, они были склонны считать, что она слишком упрощена”. Они думали, что способ понять, что такое белки, лежит в изучении ферментных систем и в сочетании пептидных единиц. Это было достаточно разумно.
Они думали, что синтез белка не может быть простым вопросом кодирования одной вещи в другую, что это слишком напоминает изобретение физиков. По их мнению, все это было слишком далеко от биохимии... Поэтому простым идеям вроде кодирования аминокислот с помощью трех нуклеотидов было оказано определенное сопротивление; люди считали, что это похоже на мошенничество.
С другой стороны, Гамов обходил все биохимические детали и выдвигал идею шокирующей простоты: любой живой организм определяется “длинным числом, записанным в четырехзначной системе”. Он назвал его “числом зверя” (как в Книге Откровения). Если два зверя имеют одно и то же число, они являются идентичными близнецами.
К этому времени слово “код” настолько глубоко укоренилось в разговорном языке, что люди редко задумывались, насколько на самом деле необычно обнаружить такую вещь — абстрактные символы, представляющие различные произвольные абстрактные символы, — в действии: в химии, на уровне молекул. Генетический код выполнял функцию, которая была сверхъестественным образом похожа на метаматематический код, придуманный Геделем для его философских целей. Код Геделя заменял математические выражения и операции обычными числами; генетический код использовал триплеты нуклеотидов для представления аминокислот. Дуглас Хофштадтер был первым, кто обозначил эту связь понятным языком в 1980-е: связь “между сложными процессами в живой клетке, которые позволяют молекуле ДНК воспроизводить самое себя, и умными машинами в математической системе, которые позволяют формуле сообщить нечто о самой себе”. В обоих случаях он увидел петлю обратной связи. “Никто никогда ни в малейшей степени не подозревал, что один набор химических веществ может кодировать другой”, — писал Хофштадтер.
Идея ошарашивает. Если есть код, то кто его придумал? Какого рода сообщения им записаны? Кто их пишет? Кто их читает?
Клуб галстуков установил, что проблема состояла не просто в хранении информации, но в ее передаче. ДНК выполняет две разные функции. Во-первых, сохраняет информацию. Она делает это, копируя саму себя из поколения в поколение, из века в век, — Александрийская библиотека, сохраняющая свои данные, копируя себя миллиарды раз. Несмотря на красивую двойную спираль, это хранилище информации по существу одномерно: строка элементов, поставленных друг за другом. В ДНК человека число нуклеотидов превышает миллиард, и это подробное гигабайтное сообщение должно быть в точности или почти в точности сохранено. Во-вторых, ДНК также посылает эту информацию вовне для того, чтобы ее можно было использовать при создании организма. Данные, сохраненные в одномерной нити, должны оказаться в трех измерениях. Эта передача информации происходит путем передачи сообщений от нуклеиновых кислот белкам. Таким образом, ДНК не только воспроизводит саму себя, отдельно от этого процесса она диктует производство чего-то совершенно иного. Белки со всей их огромной сложностью служат материалом для тела, раствором, кирпичами и одновременно системой управления, водопроводом, электропроводкой и химическими сигналами, контролирующими рост.
Репликация ДНК есть копирование информации. Производство белков есть передача информации, посылка сообщения. Биологи теперь ясно могли это видеть, потому что сообщение оказалось хорошо определено и абстрагировано от какого-либо конкретного субстрата. Если сообщения могут передаваться с помощью звуковых волн или пульсаций электричества, то почему они не могут передаваться биохимическими процессами?
Гамов описал проблему просто: “Ядро живой клетки есть хранилище информации”. Более того, заявил он, это передатчик информации. Непрерывность жизни проистекает из этой “информационной системы”, а предметом изучения в генетике является “язык клеток”.
Когда ромбовидный код Гамова оказался неверным, ученый попробовал “треугольный” код и еще множество других вариаций, тоже неверных. Кодовые единицы из триплетов оставались главными, а решение казалось завораживающе близким, но недоступным.
Проблема заключалась в том, чтобы понять, как природа делит, казалось бы, неразрывные нити ДНК и РНК. Никто не мог разглядеть биологического эквивалента паузы, разделяющей буквы в азбуке Морзе, или пробела, стоящего между словами. Вероятно, каждое четвертое основание есть запятая. Или, может быть (как предположил Крик), запятые не нужны, если некоторые триплеты имеют “смысл”, а другие нет. Опять-таки может быть нужно, чтобы что-то вроде считывающего устройства начинало работать в определенном месте этой ленты и отсчитывало нуклеотиды тройку за тройкой. Среди математиков, привлеченных проблемой, была группа из новой Лаборатории реактивного движения в Пасадене, которая должна была заниматься изучением воздушно-космического пространства. Для них все это выглядело как классическая проблема теории шифрования Шеннона — “последовательность нуклеотидов как бесконечное сообщение, записанное без пунктуации, из которого любая конечная часть должна декодироваться в последовательность аминокислот путем соответствующей расстановки запятых”. Они составили словарь кодов. И рассмотрели проблему опечаток.
Биохимия, безусловно, имела значение. Все криптоаналитики мира не смогли бы угадать верный ответ. Когда в начале 1960-х генетический код был расшифрован, оказалось, что он полон избыточности. Многие соответствия между нуклеотидами и аминокислотами казались случайными — они не следуют шаблону с точностью, подразумевавшейся в любом из вариантов Гамова. Некоторые аминокислоты соответствуют лишь одной кодовой единице, другие — двум, четырем или шести. Частицы, названные рибосомами, двигаются вдоль нити РНК и транслируют ее, три основания за раз. Некоторые единицы кода оказались избыточными; некоторые на самом деле работают сигналами начала и конца. Избыточность служит ровно той же цели, что и ожидал бы теоретик информации. Она дает устойчивость к ошибкам. Шум влияет на биологические сообщения так же, как и на любые другие. Ошибки в ДНК, опечатки, называются мутациями.
Еще до того, как был получен точный ответ, Крик выразил его фундаментальные принципы в утверждении, которое назвал (и оно до сих пор так называется) “центральной догмой”. Это гипотеза о направлении эволюции и происхождении жизни; она доказуема в терминах энтропии Шеннона на множестве возможных химических алфавитов:
Как только “информация” передана в белок, она не может снова попасть наружу. Более подробно, передача информации от нуклеиновой кислоты к нуклеиновой кислоте или от нуклеиновой кислоты к белку возможна, а передача от белка к белку или от белка к нуклеиновой кислоте — нет. Под информацией здесь понимается точное определение последовательности.
Генетическое сообщение независимо и хорошо защищено: никакая информация, поступающая извне, не может его изменить.
Информация никогда прежде не была записана в таком масштабе. Перед вами рукопись ангстремных размеров, опубликованная там, где никто не сможет увидеть, в Книге Жизни, которая в свою очередь свободно проходит сквозь игольное ушко.
Omne vivum ex ovo. “Полное описание организма уже содержится в яйце, — зимой 1971 года говорил в Кембридже Сидни Бреннер Хорасу, великому летописцу молекулярной биологии Джадсону Фриланду — Внутри каждого животного сокрыто его описание... Будет непросто суммировать огромное количество деталей. Наиболее экономичный язык описания — молекулярный, генетическое описание уже присутствует. Мы пока не знаем, как будут выглядеть названия на этом языке. Как организм называет сам себя? Мы не можем сказать, например, что организм имеет название для пальца. Нет гарантии, что при создании руки объяснение можно дать в терминах, которые мы используем при изготовлении перчатки”.
Бреннер был в задумчивом настроении, пил шерри до обеда в Кингс-колледж. Когда он начал работать с Криком, менее двух десятилетий назад, сама молекулярная биология еще не имела названия. Два десятилетия спустя, в 1990-е, ученые по всему миру попытаются расшифровать геном человека — около 20 тыс. генов, 3 млрд пар оснований. Что же изменилось за эти годы? Изменилась точка зрения — от энергии и материи к информации.
“Вся биохимия до 1950-х годов была сосредоточена вокруг вопроса, откуда берутся энергия и материалы для функционирования клетки, — утверждал Бреннер. — Биохимик думал только о потоках энергии и потоках материи. Молекулярные биологи начали говорить о потоках информации. Оглядываясь, можно увидеть, что двойная спираль принесла с собой понимание того, что информации в биологических системах может быть исследована способом, очень похожим на способ изучения энергии и материи... ”
“Послушайте, — заявил он Джадсону, — позвольте мне привести пример. Если бы вы подошли к биологу двадцать лет назад и спросили его: “Как синтезировать белок?”, он ответил бы: “Ну, это ужасно сложная проблема, я не знаю... но важный вопрос состоит в том, где вы возьмете энергию для создания пептидных связей”. Тогда как молекулярный биолог сказал бы: “Это не проблема, важная проблема состоит в том, где вы возьмете инструкции для сборки последовательности аминокислот, и черт с ней, с энергией, она сама о себе позаботится”.
К этому времени технический жаргон биологов включал слова алфавит, библиотека, редактирование, правка, транскрипция, перевод, отсутствие смысла, синоним и избыточность. Генетика и ДНК привлекли внимание не только криптографов, но и классических лингвистов.
Были обнаружены отдельные белки, способные переключаться из одного относительно стабильного состояния в другое. Они выполняли функцию реле, принимая зашифрованные команды и передавая их своим соседям, — коммутаторные станции в трехмерной сети связи. Бреннер, заглядывая вперед, думал, что фокус переместится и к информатике. Он предсказывал появление науки (правда, не придумал, как ее назвать) о хаосе и сложности. “Я думаю, в следующие двадцать пять лет нам придется научить биологов еще одному языку, — сказал он. — Не знаю, как он будет называться, и никто не знает. Но думаю, что нацелен он будет на фундаментальную проблему теории сложных систем”. Он вспомнил фон Неймана, во времена рассвета теории информации и кибернетики предложившего понимать биологические и умственные процессы в терминах того, как может действовать вычислительная машина. “Другими словами, — объяснял Бреннер, — там, где наука вроде физики работает в терминах законов, а наука вроде молекулярной биологии до сих пор говорит в терминах механизмов, возможно, пришло время начать думать об алгоритмах, наборах команд, процедурах”.
Если вы хотите знать, что такое мышь, спросите вместо этого, как можно построить мышь. Как мышь строит саму себя? Гены мыши включают и выключают друг друга и выполняют вычисления пошагово. “Я чувствую, что новая молекулярная биология должна пойти в направлении исследования высокоуровневых логических компьютеров, программ, алгоритмов развития... ”
“Хотелось бы быть в состоянии слить воедино и то и другое, передвигаться между молекулярными строительными материалами и логическими программами, описывающими, как это все организовано, без того, чтобы ощущать, что это две разные науки”.
Даже тогда — или особенно тогда — ген не был тем, чем казался. Понятие, начавшееся с догадки ботаника и алгебраического удобства, отследили до уровня хромосом и описали как скрученные молекулярные нити. Ген был расшифрован, пронумерован и каталогизирован. А затем, в пору расцвета молекулярной биологии, идея о гене снова сорвалась с якоря.
Чем больше становилось известно, тем труднее было давать определения. Является ли ген ДНК? Состоит ли он из ДНК или это что-то, что переносит ДНК? Вообще правильно ли его определять как материальную субстанцию?
Не все были согласны с тем, что это проблема. В 1977 году Гюнтер Стент заявил, что одним из самых больших триумфов в этой области науки было “однозначное определение” гена Менделя как участка молекулы ДНК. “Именно в этом смысле все ныне работающие генетики употребляют слово “ген”, — писал он. Говоря коротко и техническим языком, “ген на самом деле является линейным массивом нуклеотидов ДНК, который определяет линейный массив белковых аминокислот”. Это определенно установил Сеймур Бензер, утверждал Стент.
Тем не менее сам Бензер не был настроен столь оптимистично. Еще в 1957 году он утверждал, что классический ген мертв. Это было понятие, пытавшееся служить сразу трем целям как единица рекомбинации, мутации и функционирования, и уже тогда имелись веские основания подозревать, что цели несовместимы. Нить ДНК содержит множество пар оснований, словно бусы на нитке или буквы в предложении; как физический объект ее нельзя назвать элементарной единицей. Бензер предложил варианты новых названий этой частицы: “рекон” для наименьшей единицы, которая может участвовать в рекомбинации; “мутон” для наименьшей единицы, изменение которой приводит к мутации (в одиночной паре оснований); “цистрон” для единицы функционирования, которую, признавал он, трудно определить. “Все зависит от того, какой уровень функциональности имеется в виду”, — писал он, — возможно, только определение аминокислоты или, может быть, все множество шагов, “ведущих к одному конкретному физиологическому конечному эффекту”. Ген никуда не делся, но оказалось, что это короткое слово несет слишком большую смысловую нагрузку.
Отчасти происходило столкновение между молекулярной и эволюционной биологией, которую изучали с помощью наблюдений — от ботаники до палеонтологии. Это было настолько же плодотворное столкновение, насколько и любое другое в истории науки. Прошло совсем немного времени, и ни одна из сторон уже не могла двигаться вперед без другой, но в процессе летели искры. К этому движению был причастен молодой зоолог из Оксфорда Ричард Докинз. Ему казалось, что многие его коллеги смотрели на жизнь с неверной точки зрения.
По мере того как молекулярная биология совершенствовала свои познания о ДНК и становилась все более искусной в манипулировании этими молекулярными догадками, было естественным считать их ответом на великий вопрос жизни: как организмы воспроизводят себя? Мы пользуемся ДНК ровно так же, как пользуемся легкими, чтобы дышать, и глазами, чтобы видеть. Мы пользуемся. “Читатели... поймут всю ошибочность подобных представлений, — писал Докинз. — Это истина, поставленная с ног на голову”. ДНК появляется первой, утверждал он, если рассматривать жизнь в правильной перспективе. С этой точки зрения гены являются главными, sine qua non, звездами шоу. В своей первой книге, опубликованной в 1976 году, предназначенной для широкой аудитории, с провокационным названием “Эгоистичный ген” он запустил спор длиною в десятилетия, заявив: “Мы всего лишь машины для выживания, самоходные транспортные средства, слепо запрограммированные на сохранение эгоистичных молекул, известных под названием генов”. И добавил, что это истина, которая известна ему уже многие годы.
Гены, а не организмы являются единицами естественного отбора. Они возникли как “репликаторы” — молекулы, случайно сформированные в первородном супе, обладающие необычным свойством создавать копии самих себя.
Они не вымерли, ибо они — непревзойденные мастера в искусстве выживания. Но не надо искать их в океане, они давно перестали свободно и непринужденно парить в его водах. Теперь они собраны в огромные колонии и находятся в полной безопасности в гигантских неуклюжих роботах, отгороженные от внешнего мира, общаясь с ним извилистыми непрямыми путями и воздействуя на него с помощью дистанционного управления. Они присутствуют в вас и во мне. Они создали нас, наши души и тела, и единственный смысл нашего существования — их сохранение. Они прошли длинный путь, эти репликаторы. Теперь они существуют под названием генов, а мы служим для них машинами выживания.
Такое утверждение, разумеется, заставило ощетиниться организмы, которые считали себя чем-то большим, чем роботы. “Английский биолог Ричард Докинз недавно разозлил меня, — писал Стивен Джей Гулд в 1977 году, — своим утверждением, будто сами гены являются единицами селекции, а особи суть просто их временные носители”. Гулд был в хорошей компании. Говоря от имени многих молекулярных биологов, Гюнтер Стент заявил, что можно не обращать внимания на Докинза, этого “36-летнего исследователя поведения животных”, и отнес его к разряду “старой традиции донаучного анимизма, согласно которому все природные объекты наделены душой”.
Тем не менее книга Докинза была гениальной и преобразующей. Она породила новое, многослойное понимание гена. Сначала идея эгоистичного гена казалась трюком изменения угла зрения или шуткой. Самюэль Батлер сказал веком ранее, не заявляя своего первенства в этом вопросе, что курица — всего лишь способ, которым яйцо производит другое яйцо. Батлер был вполне серьезен по-своему.
Каждому существу должно быть позволено “управлять” своим развитием по собственному усмотрению; способ, которым это делает яйцо, может показаться слишком окольным, но это его способ, и это один из тех способов, на который людям в целом нет особых причин жаловаться. Почему птица должна считаться более живой, чем яйцо, и почему дόлжно говорить, что курица несет яйца, а не что яйца несут куриц, — это вопросы, которые лежат за пределами философского объяснения, но на которые, возможно, проще всего ответить, если учесть самомнение человека и его привычку упорствовать вот уже много веков, не замечая того, что не напоминает ему о нем самом.
И добавил: “Но, наверное, в конце концов настоящая причина заключается в том, что яйцо не кудахчет, когда сносит курицу”. Некоторое время спустя шаблон Батлера X есть просто способ Y сделать другой Y начал повторятся в многих формах. “Ученик, — сказал Дэниел Деннет в 1995 году> — всего лишь способ библиотеки создать еще одну библиотеку”. И это была не просто шутка.
В 1878 году для Батлера высмеивать такой взгляд на жизнь, когда в центре всего располагается человек, было скорее предвидением, но он читал Дарвина и смог понять, что все мироздание не было создано вокруг Homo sapiens. “Антропоцентризм есть смертельный порок интеллекта”, — сказал Эдвард О. Уилсон столетие спустя, но у Докинза была заготовлена еще более радикальная смена точки зрения. Он отбрасывал в сторону не просто человека (и курицу), но организм во всей его многогранной славе. Как может биология не быть наукой об организмах? Если он чего-то и не учел, когда высказывал свои идеи, так это трудностей, с которыми придется столкнуться: “Необходимо приложить определенное усилие, чтобы вновь наставить биологию на верный путь и вспомнить, что репликаторам принадлежит первое место как по их значению, так и в историческом плане”.
Одной из целей Докинза было желание объяснить такое явление, как альтруизм — поведение индивидов, которое противоречит их собственным интересам. В природе полно примеров, когда животные рискуют собственной жизнью в пользу своего потомства, своих сородичей или просто членов их генетического клуба. Более того, они делятся едой; они кооперируются при постройке ульев и дамб; они упрямо охраняют свои яйца. Чтобы объяснить такое поведение, да и любую адаптацию, если уж на то пошло, обычно задают вопрос детектива, расследующего убийство: см Ьопо? Кто выигрывает, когда птица, увидев хищника, кричит, предупреждая стаю, но также и привлекая внимание к себе? Хочется думать в терминах выгоды для группы — семьи, племени или вида, — но большинство ученых согласны, что эволюция так не работает. Естественный отбор редко происходит на уровне групп. Однако оказывается, что многие объяснения аккуратно занимают свое место, если думать об особи как о ком-то, кто пытается передать собственный отдельный набор генов в будущее.
Конечно, ее вид разделяет с ней большую часть этих генов, а с родственниками она имеет еще больше общих генов. Конечно, особь не знает о генах. Она не пытается осознанно сделать что-то подобное. И конечно, никто не приписывает намерений самим генам — маленьким сущностям без мозга. Но, как показал Докинз, смена угла зрения и утверждение, что гены работают на увеличение своей репликации, могут оказаться полезными. Например, ген "может обеспечить свое выживание, последовательно наделяя тела, в которых он оказывается, длинными ногами, дающими им возможность убегать от хищников”. Ген может увеличить собственную численность до максимума, давая организму инстинктивный импульс пожертвовать жизнью ради спасения потомства: сам ген, конкретный сгусток ДНК, умирает вместе с животным, но его копии продолжают жить. Процесс слеп. У него нет предвидения, нет намерения, нет знаний. Гены тоже слепы. “Гены не наделены даром предвидения, — пишет Докинз. — Они не заглядывают вперед. Гены просто существуют (причем одни преуспевают в этом больше, чем другие), и этим все сказано”.
История жизни начинается со случайного появления молекул, достаточно сложных, чтобы стать строительным материалом, — с репликаторов. Репликатор — это носитель информации. Он выживает и распространяется, копируя сам себя. Копии должны быть ясными и надежными, но не обязаны быть совершенными; наоборот, для продолжения эволюции ошибки должны появляться. Репликаторы могли существовать задолго до ДНК, даже до белков. В одном из сценариев, предложенном шотландским биологом Александром Кернсом-Смитом, репликаторы появились в слоях кристаллов глины — сложные молекулы силикатных минералов. В других моделях эволюционной сценой действия остается более традиционный первобытный суп. Так или иначе, некоторые из этих несущих информацию макромолекул распадаются быстрее, чем другие; некоторые делают больше копий или более точные копии; некоторые обладают химическим эффектом разрушать конкурирующие молекулы. Поглощая энергию фотонов, словно миниатюрные демоны Максвелла, которыми они и являются, молекулы рибонуклеиновой кислоты, РНК, катализируют процесс формирования более крупных и более богатых информацией молекул. ДНК, всегда немного более стабильная, обладает двойной способностью копировать себя, одновременно производя другой вид молекул, и это дает особое преимущество. Она может защититься, построив вокруг себя белковую оболочку. Это “машина выживания” Докинза — сначала клетки, затем все более и более крупные тела с растущими запасами мембран, и тканей, и суставов, и органов, и навыков. Они — причудливые носители генов, участвующие в гонке с другими носителями, преобразующие энергию и даже обрабатывающие информацию. В игре на выживание некоторые носители обыгрывают других, превосходят их в маневрировании и в распространении.
Потребовалось некоторое время, но геноцентрическая, основанная на информации точка зрения привела к новому виду детективной работы по выслеживанию истории развития жизни. Там, где палеонтологи смотрели в прошлое, в ископаемые свидетельства в поисках предшественников крыльев и хвостов в скелетах, молекулярные биологи и биофизики искали намеки на остатки ДНК в гемоглобине, онкогенезе и всей остальной библиотеке ферментов и белков. “Создается молекулярная археология, — утверждал Вернер Левенштейн. История жизни написана в терминах негативной энтропии. — Что действительно развивается, так это информация во всех ее формах и преобразованиях. Если существовало бы что-то вроде руководства для живых существ, думаю, первая строка читалась бы в нем как библейская заповедь: увеличь свою информацию”.
Ни один ген не создает организма. Насекомые, растения и животные — это коллективы, коммунальные носители, скооперированные собрания множества генов, каждый из которых играет свою роль в развитии организма. Это сложносочиненное единое целое, в котором каждый ген взаимодействует с тысячами других в иерархии влияний, простирающейся как в пространстве, так и во времени. Тело есть колония генов. Конечно, она действует, двигается и производит потомство как единое целое и, более того, по крайней мере в случае одного вида с впечатляющей уверенностью ощущает себя как единое целое. Геноцентричная точка зрения помогла биологам осознать, что гены, составляющие человеческий геном, — это всего лишь часть генов, содержащихся в каждом человеке, потому что люди (как и другие виды) от кожи до системы пищеварения являются носителями целой экосистемы микробов, в частности бактерий.
Наши “микробиомы” помогают нам переваривать пищу и бороться с болезнями, все это время быстро и гибко развиваясь в угоду собственным интересам. Эти гены вовлечены в великий процесс взаимного соразвития, конкурируя друг с другом и с альтернативными аллелями в огромном генном котле природы, но уже не конкурируя сами с собой. Их успех или неудача проявляется через взаимодействие. “Каждый... отбирается как отдельный эгоистичный ген, — пишет Докинз, — но процветает лишь в присутствии соответствующего набора других генов”.
Влияние любого отдельного гена зависит от этих взаимодействий с единым целым, от влияния окружающей среды и от чистой случайности. В самом деле, даже говорить о влиянии гена стало непросто. Недостаточно просто сказать, что влияние гена есть белок, который он синтезирует. Но можно сказать, что овца или ворона обладает геном черной масти. Это может быть ген, производящий белок черного пигмента в шерсти или перьях. Но овцы, вороны и все остальные создания, способные быть черными, демонстрируют эту особенность в разных обстоятельствах и в разной степени; даже такое кажущееся простым качество редко имеет биологический переключатель “включено” или “выключено”. Докинз предложил ситуацию, когда ген, синтезирующий белок, действует как фермент со многими косвенными и отдаленными эффектами, одним из которых является облегчение производства черного пигмента. Более того, предположим, что ген поощряет организм искать солнечный свет, который в свою очередь необходим для черного пигмента. Такой ген — просто “участник заговора”, но он незаменим. Однако назвать его геном черной масти становится трудно. И еще труднее определить гены, отвечающие за более сложные свойства, — гены ожирения, агрессии, строительства гнезд, смышлености или гомосексуализма.
Существуют ли гены, отвечающие за такие вещи? Нет, если ген — это определенная часть ДНК, производящая белок. Нельзя сказать, что существуют гены для чего бы то ни было, даже для цвета глаз. Вместо этого нужно говорить, что различия в генах порождают различия в фенотипе (получившемся организме). Но с ранних времен изучения наследственности ученые говорили о генах в более широком смысле. Если в популяции есть различия по какому-то признаку, например росту, и если вариация зависит от естественного отбора, то она по определению хотя бы частично генетическая.
Существует генетический компонент вариаций роста. Нет гена длинных ног, вообще нет гена для ног. Для того чтобы вырастить ногу, требуется много генов, каждый выдает инструкции в форме белков, некоторые производят строительный материал, другие создают таймеры и выключатели. Некоторые из этих генов, несомненно, могут сделать ноги длиннее, чем они были бы, не будь этих генов, и именно их мы можем коротко называть генами длинных ног, до тех пор пока помним, что непосредственно длинноногость не представлена и не закодирована в гене.
Так генетики, зоологи, этологи и палеонтологи взяли привычку говорить “ген для X” вместо “генетический вклад в изменчивость параметра X”. Докинз заставил их взглянуть на логические последствия. Если есть любая генетическая вариация свойства — цвет глаз или ожирение, — то должен быть ген или гены для этого свойства. Неважно, что фактическое проявление свойства зависит от от непредставимого массива других факторов, которые могут быть факторами окружающей среды и даже случайными факторами. Для иллюстрации он предложил намеренно доведенный до крайности пример: ген чтения.
Идея кажется абсурдной по нескольким причинам. Чтение — приобретенный навык. Никто не рождается, умея читать. Если какой-либо навык вообще завит от факторов окружающей среды, например от образования, то это как раз навык чтения. Всего несколько тысячелетий назад его не существовало вовсе, поэтому на него не могло распространяться действие естественного отбора. Можно так же сказать (именно так иронизировал генетик Джон Мейнард Смит), что существует ген для завязывания шнурков. Но Докинза это не смутило. Он указал, что в конечном счете гены отвечают за различия. Поэтому он начал с простого противопоставления: может ли не существовать ген, отвечающий за дислексию?
Чтобы установить существование “гена чтения”, нам нужно обнаружить ген не “чтения”, а, скажем, ген, вызывающий определенную патологию мозга, конкретный вид дислексии. Такой дислексический человек мог бы быть нормален и умен во всех отношениях, за исключением того, что он бы не мог читать. Ни один генетик особо не удивится, если окажется, что этот вид дислексии передается по наследству по законам Менделя. В этом случае очевидно, что ген проявил бы свой эффект лишь в такой среде, какая предполагала бы нормальное образование. В доисторической обстановке он мог бы не иметь никакого внешнего эффекта; впрочем он мог бы иметь отличающийся эффект, который бы пещерные генетики назвали бы, скажем, “геном неспособности читать следы животных”...
Что же до нашего гена этой дислексии, то из обычных соглашений о генетической терминологии следует, что немутировавший ген в том же локусе, ген, который остальная популяция имеет в двойном количестве, должен называться “геном чтения”. Если вы с этим не согласны, то вы должны также возражать против разговоров о генах высоты у гороха Менделя, потому что логика терминологии идентична в обоих случаях. В обоих случаях интерес фокусируется на различиях, и в обоих случаях различие проявляет себя в лишь некоторой специфической окружающей среде. Причина, по которой нечто столь простое, как отличие одного гена, может вызывать такой сложный эффект, как обусловливание способности научиться (или нет) чтению, или определять, будет ли человек хорошим (или нет) завязывателем шнурков, в основном описана. При всей сложности данного состояния мира может быть так, что различие между этим состоянием мира и некоторым другим может быть вызвано чем-то чрезвычайно простым.
Может ли существовать ген альтруизма? Да, говорит Докинз, если это означает “любой ген, воздействующий на развитие нервной системы таким образом, чтобы сделать вероятным ее альтруистичное поведение ”. Такие гены — репликаторы, выживающие, — конечно, ничего не знают об альтруизме и чтении. Чем бы они ни были и где бы они ни находились, их фенотипические эффекты имеют значение лишь до тех пор и до той степени, до какой они помогают генам передаваться по наследству.
Молекулярная биология в ее знаменательном достижении обнаружила ген в кодирующем белки отрезке ДНК. Это было определение с точки зрения “оборудования”. Определение с точки зрения “программы” было старше и более размыто: единица наследования, носитель фенотипических различий. Так как эти два определения с трудом сосуществуют друг с другом, Докинз взглянул поверх обоих.
Если гены созданы, чтобы отвечать за выживание, они вряд ли могут быть фрагментами нуклеиновой кислоты. Такие вещи мимолетны. Говорить, что репликатор умудряется выжить в течение эонов, — это определить репликатор как все копии, рассматриваемые как одна. Таким образом, ген не “стареет”, заявил Докинз.
Он с равной вероятностью может умереть в возрасте как миллиона, так и всего ста лет. Он перепрыгивает из одного тела в другое, манипулируя ими на свой лад и в собственных целях, покидая эти смертные тела одно за другим, прежде чем они состарятся и умрут.
“Я хочу подчеркнуть, — писал он, — потенциальное квазибессмертие гена в форме копий как его определяющее свойство”. Здесь жизнь срывается со своих материальных якорей. (Если только вы не верите в бессмертие души.) Ген — это не несущая информацию макромолекула. Ген есть сама информация. В 1949 году физик Макс Дельбрюк написал: “Сегодня существует тенденция говорить: “Гены есть просто молекулы или наследственные частицы” и тем самым исключать абстракции”. Теперь абстракции вернулись.
Где же тогда находится любой отдельный ген — например, ген длинноногости у человека? Это немного похоже на вопрос, где находится бетховенская Соната для фортепиано ми минор. В оригинальном нотном манускрипте? В печатной нотной версии? В любом концертном исполнении или, возможно, в сумме всех исполнений, состоявшихся и потенциальных, реальных и воображаемых?
Восьмые и четверти, нанесенные на бумагу, не есть музыка. Музыка — это не серия звуковых волн, разносящихся по воздуху, не дорожки, прочерченные на виниле, не питы, считываемые лазером с компакт-диска, и даже не нейронные симфонии, возникающие в мозгу слушателя. Музыка — это информация. Аналогично, пары оснований ДНК не есть гены. Они кодируют гены. Сами гены состоят из битов.
