Что такое жизнь? Понять биологию за пять простых шагов

Помимо регуляции работы генов, обработка информации важна для создания живыми существами упорядоченных структур в пространстве. Вспомним мою бабочку-лимонницу. Она устроена исключительно сложно: форма крыльев тщательно подобрана для полета, пятна и прожилки на этих крыльях расположены с большой точностью. Более того, каждая отдельная бабочка «построена» по единому плану: у каждой есть, например, голова, грудной отдел и желудок, шесть конечностей и две антенны. Все эти структуры формируются и развиваются в одинаковой предсказуемой пропорции к остальному телу. Как же образуется эта экстраординарная пространственная конструкция? Как все это возникает из одной-единственной единообразной яйцеклетки?

Даже клетки могут приобретать различные формы и структуры, сильно отличающиеся от обычных, ящикообразных клеток пробки, которые Роберт Хук описывал в XVII в. и которые я наблюдал школьником в корешках лука: похожие на зубья расчески волоски в клетках легких, которые постоянно пульсируют, выталкивая прочь слизь и инфекции; кубообразные клетки, формирующие ваши кости и живущие в них; нейроны, чьи длинные разветвленные отростки достигают всех участков вашего тела, и множество других. Внутри их могут точно размещаться и расти органеллы, регулирующие свое местоположение в ответ на происходящие изменения клетки.

Одни из самых острых вопросов биологии связаны с объяснением такого пространственного упорядочивания. Удовлетворительные ответы будут зависеть от понимания того, как передается информация в пространстве и времени. В настоящий момент нам полностью понятна только структура биологических объектов, представляющих собой непосредственные сообщества молекул. Хорошим примером служит рибосома. Формы этих сравнительно малых объектов определяются химическими связями, образуемыми между их молекулярными компонентами. Можно представить, что эти конструкции создаются добавлением деталей в трехмерный пазл, немного похожий на конструктор Lego. Это означает, что информация, нужная для сборки конструкций, заключена в форму самих компонентов рибосомы – белков и РНК. В свою очередь, эта форма в конечном счете очень точно определяется информацией, содержащейся в генах.

Труднее понять, как формируются структуры в большем масштабе, в таких объектах, как органеллы, клетки, органы и целые организмы. Этого не объяснить непосредственными молекулярными взаимодействиями компонентов. Отчасти потому, что они больше, порой намного больше объектов типа рибосом. Но, кроме того, и потому, что они могут производить и сохранять идеальные структуры в диапазоне различных размеров, даже если клетки и тела растут или сокращаются в объеме. Это абсолютно невозможно в случае фиксированных молекулярных взаимодействий по типу Lego. Возьмем для примера деление клетки. Клетка представляет собой в целом хорошо организованную конструкцию, и, когда она делится, образуются две клетки примерно половинного размера, но при этом каждая имеет ту же общую структуру, что и «материнская» клетка. Аналогичное явление наблюдается в случае развития эмбриона, скажем, морского ежа. Оплодотворенное яйцо морского ежа проходит через повторяющиеся деления и развивается в искусно сделанный и довольно симпатичный маленький организм. Если две сформированные клетки вслед за самым первым делением отделить друг от друга, каждая клетка образует два тщательно сформированных морских ежа, но, что поразительно, каждый из них будет размерами только в половину обычного ежа того же возраста. Эта удивительная самонастройка размера и формы более века ставила биологов в тупик.

Но, приняв во внимание природу информации, биологи начинают понимать, как происходит такое формирование. Одним из средств генерирования развивающимися эмбрионами информации, которая требуется для преобразования однородной клетки или группы клеток в высокоорганизованную структуру, становится создание химических градиентов. Если ввести маленькую каплю чернил в сосуд с водой, она будет медленно диффундировать от места первоначальной капли. Интенсивность цвета чернил ослабевает при удалении от капли, создавая химический градиент. Такой градиент может использоваться как источник информации: например, если концентрация молекул чернил высока, мы знаем, что находимся близко от центра сосуда, куда были закапаны чернила.