Что такое жизнь? Понять биологию за пять простых шагов

Лежащие в основе жизни уникальные виды химических процессов нуждаются в дальнейшем уточнении, чтобы дать всестороннюю оценку работы живых машин. Главной отличительной чертой такой химии становится то, что она строится на больших полимерных молекулах, которые в основном формируются взаимосвязанными атомами углерода. Одной из них является ДНК, чья главная цель – быть высоконадежным сейфом для информации длительного хранения. Для этого спираль ДНК заключает свои критически важные, содержащие информацию элементы – нуклеотидные основания – в центре спирали, где они хорошо защищены и стабильны. Настолько хорошо, что ученые, исследующие древние ДНК, смогли секвенировать ДНК из организмов, которые жили и умерли давным-давно, в том числе ДНК лошади, сохранявшейся в вечной мерзлоте почти миллион лет!

Но информация, хранящаяся в ДНК-последовательности генов, не может оставаться скрытой и инертной. Она должна трансформироваться в действие, генерируя метаболическую активность и физические структуры – фундамент жизни. Информация, содержащаяся в химически устойчивой и малоинтересной ДНК, нуждается в переходе в химически активные молекулы: белки.

Белки тоже представляют собой полимеры на основе углерода, но в противоположность ДНК большая часть химически варьируемых частей белков размещается снаружи молекулы полимера. Это значит, что они влияют на трехмерную форму белка, а также взаимодействуют с миром. В конечном счете именно это позволяет им осуществлять многие свои функции, строить, поддерживать состояние и воспроизводить химическую машину. И в отличие от ДНК, если белки повреждаются или разрушаются, клетка может просто заменить их, создав новую белковую молекулу.

Я не в силах представить более элегантного решения: разные конфигурации линейных полимеров углерода порождают как химически стабильные устройства хранения информации, так и очень разнообразную химическую активность. По-моему, этот аспект химии жизни крайне прост и в то же время абсолютно уникален. То, как жизнь сопрягает сложную химию полимеров с линейным хранением информации, представляется настолько убедительным, что я полагаю, это не только центральное ядро жизни на Земле, но и нечто принципиально важное для жизни, если таковая будет когда-либо обнаружена, в иных точках Вселенной.

Хотя мы и все прочие известные жизненные формы зависим от углеродных полимеров, не следует ограничиваться в размышлениях о жизни лишь опытом химии жизни на Земле. Можно вообразить жизнь где-то в космосе, где углерод используется иначе, или жизнь, построенную вообще не на углероде. Например, британский химик и молекулярный биолог Грэм Кэрнс-Смит в 1960-х гг. предположил примитивную форму жизни на основе самовоспроизводящихся частиц глины с микрокристаллической структурой.

Вымышленные Кэрнсом-Смитом частицы глины строились на кремнии, популярном среди авторов научной фантастики, когда они воображают формы жизни в иных мирах. Аналогично углероду, атомы кремния могут иметь до четырех химических связей, и нам известно, что они могут образовывать полимеры, что лежит в основе силиконовых герметиков, клеев, смазочных материалов и кухонной посуды. В принципе молекулы кремния могут быть большими и достаточно изменчивыми, чтобы содержать биологическую информацию. Однако, несмотря на то что кремния на Земле намного больше, чем углерода, жизнь тут основана на углероде. Это может объясняться тем, что в условиях поверхности нашей планеты кремний не столь легко вступает в химические связи с другими атомами, как углерод, и, следовательно, не обеспечивает достаточного разнообразия для жизни. Впрочем, было бы глупо с порога отметать возможность того, что жизнь на основе кремния или, если на то пошло, на любой другой химии не может процветать в иных условиях, встречающихся где-нибудь во Вселенной.

Когда размышляешь о том, что такое жизнь, возникает большой соблазн провести четкую разделительную линию между жизнью и не-жизнью. Клетки очевидным образом живые, равно как и все организмы, созданные из скоплений клеток. Но имеются другие жизнеподобные формы, имеющие промежуточный статус.

Ярким примером служат вирусы. Они представляют собой химические структуры с геномом – некоторые на основе ДНК, другие на основе РНК, – содержащие гены, требующиеся для создания белковой оболочки, в которую заключен каждый вирус. Вирусы могут эволюционировать путем естественного отбора, проходя тем самым тест Мёллера, но далее все становится менее ясным. В частности, вирусы, строго говоря, не могут размножаться. Их количество может возрастать исключительно путем заражения клеток живого организма и захвата метаболизма инфицированных клеток.