Что такое жизнь? Понять биологию за пять простых шагов

Крайне важная часть клетки (эукариота или прокариота) – наружная мембрана. Толщиной всего лишь в пару молекул, эта наружная мембрана образует гибкую «стенку», или барьер, отделяющий каждую клетку от окружающей среды и определяющий то, что находится «внутри», и то, что «вовне». И в философском, и в практическом отношении данный барьер насущно важен. В конечном счете именно наличием барьера можно объяснить, почему жизненные формы могут успешно сопротивляться общему стремлению Вселенной к беспорядку и хаосу. В пределах своих изолирующих мембран клетки могут устанавливать и совершенствовать необходимый порядок, создавая беспорядок в локальном окружении извне. При таком раскладе клетка не преступает второй закон термодинамики.

Все клетки могут обнаруживать изменения в собственном внутреннем состоянии и в состоянии окружающего мира – и отвечать на них. Поэтому, будучи отделенными от среды, в которой живут, они тесно сообщаются со своим окружением. Кроме того, они все время активны и поддерживают внутренние условия, которые позволяют выживать и благоденствовать. Это у них общее с наглядно видимыми живыми организмами вроде бабочки, на которую я взирал ребенком, и, коли на то пошло, с нами.

На деле у клеток много общих характеристик с животными, растениями и грибами. Они растут, воспроизводятся, поддерживают свое существование и при всем том выказывают целеустремленность: настоятельный долг продолжать существование, оставаться живыми, воспроизводиться во что бы то ни стало. Все клетки, начиная от бактерии, обнаруженной Левенгуком у себя на зубах, до нейронов, которые дают вам возможность чтения этих слов, делят эти свойства со всеми живыми существами. Если мы поймем, как функционируют клетки, то приблизимся к пониманию того, как устроена жизнь.

Основа существования клетки – гены, к которым мы сейчас перейдем. Они кодируют инструкции, которые каждая клетка использует для построения своих структур и организации их работы, и они должны передаваться каждому следующему поколению при воспроизводстве клеток и организмов.

2 Ген Испытание временем

У меня две дочери и четыре внука. Все они удивительно своеобразны. К примеру, одна из дочерей, Сара, – продюсер на телевидении, а вторая, Эмили, – профессор физики. Но есть и особые черты, общие у них, их детей, у меня и моей жены Энн. Семейное сходство может быть выраженным или еле заметным: рост, цвет глаз, изгиб рта или носа, даже особые манеры или выражения лица. Есть и много различий, но, без сомнения, преемственность поколений в нашем случае присутствует.

Сходство родителей с их потомством – отличительная черта всех живых организмов. Об этом давным-давно писали Аристотель и другие мыслители Античности, но основные принципы биологического наследования оставались неразрешимой загадкой. С течением времени выдвигались различные объяснения, некоторые из них сегодня выглядят довольно экстравагантно. Например, Аристотель предположил, что единственное влияние матерей на детей в утробе подобно воздействию определенного вида почвы на развитие растения из семени. Другие считали, что все объясняется «смешением кровей», то есть дети наследуют усредненную смесь характерных черт своих родителей.

Лишь открытие гена смогло проложить путь к более реалистичному пониманию принципов наследственности. Помимо того что гены предоставляют возможность разобраться в сложном сочетании сходных и уникальных характеристик членов семей, они служат главным источником информации, на основе которой жизнь формирует клетки, поддер живает их жизнедеятельность и воспроизведение и – в более широком смысле – образовывает из клеток организмы.

Грегор Мендель, аббат монастыря в Брно[1] (ныне – Чешская Республика), был первым, кто приоткрыл завесу тайны наследственности. Но он не занимался изучением часто непонятных наследуемых признаков в семьях человека, а вместо этого дотошно экспериментировал с горохом, придя к выводам, в итоге вылившимся в открытие того, что сегодня мы называем генами.

Мендель не был первопроходцем, ставившим научные эксперименты в поисках ответа на вопросы о наследовании, и даже не был первым, кто использовал для этой цели растения. И до него селекционеры описывали, как определенные свойства растений парадоксальным образом передавались через поколения. Потомство скрещивания двух разных родительских растений иногда выглядит как смесь этой пары. Например, скрещивание растения с пурпурными цветками и растения с белыми могло порождать растение с цветками розовой окраски. Однако всегда оказывалось, что в определенном поколении преобладают те или иные характеристики. Скажем, потомство пурпурного и белого цветков всегда будет пурпурного цвета. Первопроходцы накопили множество интригующих ключей к разгадке, но никому не удалось достичь удовлетворительного разъяснения того, каким образом в растениях происходит генетическое наследование, не говоря уж о том, как оно фактически действует во всей живой природе, в том числе и в нас – людях. И как раз это начал выявлять Мендель в опытах с горохом.