Надежность передачи информации
Мы принимаем как должное способность живых организмов копировать геномы с высокой точностью, однако на самом деле это один из удивительнейших и важнейших аспектов жизни. Ошибка в копировании ДНК (иными словами, мутация) случается в одном случае на миллиард. Чтобы представить себе уровень точности копирования информации, вообразите весь текст этой книги: приблизительно миллион букв, знаков препинания и пробелов. Теперь представьте тысячу книг такого же объема на библиотечных полках. Вы получаете задание точно скопировать тексты тысячи книг, каждую буковку и каждый пробел. Как вы думаете, сколько ошибок вы сделаете? Именно этим и занимались средневековые переписчики, вручную копировавшие тексты до изобретения печатного станка. Несмотря на старания, переписчики допускали (и это неудивительно) много ошибок, что видно из множества несходных копий одних и тех же средневековых текстов. Безусловно, компьютеры способны копировать информацию с высокой точностью, однако это возможно только благодаря современным электронным цифровым технологиям. Представьте, что копировальная машина создана из влажного, вязкого материала. Сколько, по-вашему, ошибок такая машина совершит при считывании и записи скопированной информации? Если этот влажный, вязкий материал представляет собой одну из клеток вашего организма, в которой информация кодируется с помощью ДНК, то вероятность ошибки – менее одной на миллиард.
Высокая точность копирования информации имеет огромное значение для живого организма: структура живой ткани настолько сложна, что для ее копирования требуется не менее сложный набор инструкций, в котором одна-единственная ошибка может привести к фатальным последствиям. Геном, хранящийся в наших клетках, содержит около трех миллиардов букв генетического алфавита, кодирующих около 15 тысяч наших генов. Даже геномы самых простых бактерий, способных к самокопированию, к примеру тех, что живут в подледном озере Восток, состоят из нескольких тысяч генов, записанных на миллионах генетических букв. Несмотря на то что большинство организмов приобретают небольшое количество мутаций в каждом поколении, незначительный их перебор при передаче следующему поколению может вызвать серьезные проблемы. У человека это проявляется в виде генетических заболеваний или нежизнеспособности рожденного потомства. Кроме того, в процессе копирования любые клетки организма (клетки крови, кожи и другие) должны передать их ДНК дочерней клетке. Сбои в этом процессе приводят к онкологическим заболеваниям.
Так каким же образом квантовая механика связана с наследственностью? Чтобы разобраться в этом вопросе, перенесемся с вами в 1953 год, в Кембридж, в тот февральский день, когда Фрэнсис Крик вошел в «Игл паб» и заявил, что они с Джеймсом Уотсоном «открыли секрет жизни». Позже в том же году они опубликовали статью, перевернувшую мир науки [2]. В статье была представлена структура ДНК и описан набор простых правил, с помощью которых были найдены ответы на два из самых важных и таинственных вопросов жизни: как кодируется и наследуется биологическая информация.
Мы хотели бы отдельно остановиться на одном из аспектов открытия генетического кода, который, по мнению многих, имеет второстепенное значение, – на форме двойной спирали молекулы ДНК. Эта изящная структура и правда удивительна. Форма молекулы ДНК по праву стала одним из самых культовых изображений науки. Ее печатают на майках, выбирают в качестве эмблемы сайта и даже воспроизводят в архитектурных сооружениях. Однако двойная спираль, в сущности, только каркас. Главный секрет ДНК кроется в том, от чего зависит целостность спирали.
В главе 2 мы кратко говорили о том, что спиральную структуру ДНК (рис. 7.1) образует сахарофосфатный остов, несущий основную информацию ДНК: цепи оснований – гуанина (G), цитозина (С), тимина (Т) и аденина (А). Уотсон и Крик заметили, что линейная последовательность оснований складывается в код, который, как они предположили, и является генетическим кодом.
Рис. 7.1. Структура ДНК: а – двойная спираль Уотсона и Крика; б – схема связи между спаренными основаниями А и Т; в – схема связи между спаренными основаниями G и Т. На схемах водородные связи (общий протон), объединяющие два основания в пару, показаны пунктирными линиями. В этом стандартном (каноническом) представлении сплетения оснований, предложенном Уотсоном и Криком, основания изображаются в их обычной, нетаутомерной форме
В последнем предложении своей эпохальной статьи Уотсон и Крик высказали мысль о том, что структура ДНК помогает раскрыть вторую величайшую тайну жизни: «От нашего внимания не ускользнуло и то, что открытая нами специфически сплетенная структура молекулы представляет собой механизм копирования генетического материала». От внимания ученых не ускользнула важнейшая особенность двойной спирали: информация, записанная на одной цепи (последовательность оснований), присутствует на второй цепи в виде «обратной копии»: аденин на одной цепи всегда связывается тимином на другой цепи, а гуанин всегда образует связи только с цитозином. Уникальное сплетение оснований двух цепей (пары A – T и G – C) поддерживается слабыми химическими связями, а именно водородными. Этот «клей», связывающий две цепочки, в сущности, состоит из одного протона, который два основания делят между собой и который имеет большое значение для нашего дальнейшего повествования, поскольку мы подробно рассмотрим природу этой связи. Однако именно слабый характер связи между парными цепочками ДНК в молекуле предполагает наличие копирующего механизма: цепочки легко отделяются друг от друга, и каждая из них может стать образцом для построения новой, комплементарной цепи, в результате чего получаются две копии первоначальной двойной спирали. То же самое происходит, когда в процессе деления клетки копируются гены. Цепи двойной спирали с комплементарной информацией отделяются друг от друга. К каждой из них получает доступ фермент ДНК – полимераза. Затем фермент прикрепляется к одиночной цепочке и скользит вдоль последовательности нуклеотидов, считывая каждую букву и с высокой точностью помещая соответствующее основание в новую растущую цепь: если фермент распознает А, то помещает напротив Т, а если видит G – помещает С, и так до конца, пока не получится целая комплементарная цепь. То же самое происходит со второй цепочкой, в результате чего образуются две копии изначальной двойной спирали – по одной на каждую дочернюю клетку.
Этот, казалось бы, простой процесс является основой продолжения жизни на нашей планете. Когда Шредингер в 1944 году высказал идею о том, что необычайно высокая степень надежности и точности наследственности не может быть обусловлена классическими законами (он настаивал на том, что гены слишком малы, чтобы подчиняться принципу «порядок из хаоса»), он предположил, что гены представляют собой нечто наподобие апериодических кристаллов. Так ли это?
Кристаллы, например крупинки соли, обычно имеют характерную форму. Например, кристаллы хлорида натрия (обычной пищевой соли) имеют форму кубика, а молекулы воды в замерзшем состоянии представляют собой шестиугольные призмы, которые разрастаются в чудесные, бесконечно многообразные формы снежинок. Это удивительное многообразие форм возможно благодаря большому количеству способов сворачивания молекул внутри кристалла, которые управляются квантовыми законами, определяющими формы молекул. Однако обычные кристаллы, несмотря на высокую упорядоченность, не способны кодировать большое количество информации, поскольку в них, подобно узору на обоях, повторяется одна и та же единица кода. Таким образом, структура целого кристалла может быть описана одним простым правилом. Шредингер предположил, что гены являются так называемыми апериодическими кристаллами – с регулярно повторяющейся молекулярной структурой, как в обычном кристалле, но с некоторыми вариациями. Так, например, между повторяющимися структурами могут быть разные интервалы, или периоды (отсюда и название «апериодические»), или повторяющие структуры могут незначительно отличаться друг от друга, напоминая скорее сложный орнамент гобелена, нежели простые обои. Ученый предположил, что слегка измененные повторяющиеся структуры кодируют наследственную информацию и что их порядок, как в любом кристалле, кодируется на квантовом уровне. Не забывайте, что эти идеи были высказаны Шредингером за десятилетие до Уотсона и Крика – всего за несколько лет до того, как были открыты структура и материал генов.
Был ли прав Шредингер? Первый очевидный факт – код ДНК действительно состоит из повторяющихся участков, ДНК-оснований, и в этом смысле он является апериодическим, поскольку каждый повторяющийся участок может быть занят одним из четырех оснований. Гены и правда являются апериодическими кристаллами, как и предсказывал Шредингер. Но апериодические кристаллы не обязательно кодируют информацию на квантовом уровне: нерегулярные растры на фотографической пластинке образуются кристаллами соли серебра, в которых нет ничего квантово-механического. Чтобы понять, был ли прав Шредингер, предполагая, что гены являются квантовыми сущностями, мы должны подробнее рассмотреть структуру оснований ДНК и особенно природу связи комплементарных (парных) оснований – А с Т и G с С.
Скрученная форма молекулы ДНК, хранящей генетический код, обусловлена химическими связями, благодаря которым комплементарные основания образуют пары. Как мы уже упоминали, эти связи (их называют водородными связями) формируются одиночными протонами, а точнее, ядрами атомов водорода. Протон является общим для двух атомов, каждый из которых относится к одному из комплементарных оснований, расположенных на разных цепочках напротив друг друга. Именно этот протон и связывает основания в пару (см. рис. 7.1). Основание А связывается с основанием Т потому, что в каждой молекуле А протоны находятся в подходящих позициях для формирования водородных связей только с основанием Т. А не может образовать пары с С, поскольку протоны расположены в молекулах так, что связи с С не образуются.
Регулируемое протонами спаривание азотистых оснований и есть генетический код, который копируется и передается следующему поколению. И это вовсе не разовая передача информации наподобие закодированного сообщения, написанного в одноразовом блокноте, который уничтожается сразу после использования. Генетический код должен постоянно считываться на протяжении жизни клетки, обеспечивая работу механизма по производству белков, которые, в свою очередь, отвечают за образование движущих сил жизни – ферментов, управляющих всеми остальными функциями клетки. Считывание кода осуществляется ферментом РНК-полимеразой, который, как и ДНК-полимераза, читает порядок кодирующих протонов вдоль цепи ДНК. Подобно тому как буквы на странице, расположенные в правильном порядке, складываются в значимое сообщение или в сюжет целой книги, порядок протонов на двойной спирали определяет историю жизни.
Шведский физик Пер-Улоф Левдин первым указывал на то, что сейчас, ретроспективно, кажется очевидным: порядок протонов регулируется не классическими, а квантовыми законами. Так, генетический код, благодаря которому возможно существование жизни, бесспорно, является квантовым кодом. Шредингер был прав: гены записаны квантовыми буквами, а надежность наследственности обеспечивается квантовыми, а не классическими законами. Подобно тому как форма кристалла регулируется в основном квантовыми законами, форма вашего носа, цвет глаз и черты характера подчиняются квантовым законам, действующим внутри структуры молекулы ДНК, которую вы наследуете от матери или отца. Как и предсказывал Шредингер, жизнь поддерживается порядком, который пронизывает весь организм – от его структуры и поведения до распределения протонов вдоль цепей ДНК. Это и есть «порядок из порядка», обеспечивающий надежность передачи наследственной информации.
Но даже квантовые репликаторы, способные создавать собственные копии, иногда ошибаются.
