Случайность и необходимость

Тем не менее многообразие типов сохранялось и требовало объяснения. Ученые были вынуждены признать, что в биосфере сосуществует великое множество макроскопических структурных паттернов, абсолютно не похожих друг на друга. Голубая водоросль, инфузория, осьминог и человек – что у них общего? С открытием клетки и появлением клеточной теории во всем этом разнообразии можно было выделить новую единицу. Однако прошло некоторое время, прежде чем биохимики, во второй четверти этого столетия, открыли единство всего живого мира на микроскопическом уровне. Сегодня мы знаем, что химическая система всех живых организмов – от бактерии до человека – по существу одинакова как по своему устройству, так и по функционированию.

Химические инварианты

1. По своей структуре все живые существа без исключения состоят из одних и тех же двух основных классов макромолекулярных компонентов: белков и нуклеиновых кислот. Эти макромолекулы, в свою очередь, состоят из последовательностей одних и тех же остатков: двадцати аминокислот для белков и четырех видов нуклеотидов для нуклеиновых кислот.

2. Все организмы используют одни и те же реакции или, скорее, цепи реакций для мобилизации и накопления химического потенциала, а также биосинтеза клеточных компонентов.

Разумеется, существуют различные вариации этой центральной темы метаболизма, каждая из которых соответствует определенной функциональной адаптации. Большинство заключаются в новом способе использования универсальных метаболических последовательностей, которые до сих пор применялись для других функций. Возьмем, например, выделение азота у птиц и млекопитающих: первые выделяют мочевую кислоту, вторые – мочевину. Способ синтеза мочевой кислоты у птиц представляет собой не что иное, как модификацию, причем незначительную, цепи реакций, которая во всех организмах ведет к синтезу так называемых пуриновых нуклеотидов, универсальных компонентов нуклеиновых кислот. У млекопитающих синтез мочевины осуществляется благодаря модификации другого универсального метаболического пути, завершающегося синтезом аргинина – аминокислоты, присутствующей во всех белках. Подобных примеров множество.

На долю биологов моего поколения выпало открытие фактической идентичности клеточной химии во всей биосфере. К 1950 году в этом не осталось никаких сомнений; каждая новая публикация содержала те или иные доказательства этого удивительного факта. Надежды наиболее убежденных «платоников» оправдались.

Однако универсальность «формы» клеточной химии отнюдь не решила проблему репродуктивной инвариантности: напротив, она придала ей еще больше остроты и парадоксальности. Если с химической точки зрения компоненты одинаковы и синтезируются в ходе одних и тех же процессов у всех живых организмов, то в чем же источник их поразительного морфологического и физиологического разнообразия? А главное, каким образом каждый вид, используя те же материалы и те же химические превращения, что и все остальные, сохраняет неизменным из поколения в поколение структурный стандарт, который характеризует его и отличает от всех остальных?

ДНК как фундаментальный инвариант

Сегодня мы знаем ответ на эти вопросы. Универсальные компоненты – нуклеотиды с одной стороны, аминокислоты с другой – являются логическими эквивалентами алфавита, с помощью которого кодируются структура и, следовательно, специфические ассоциативные функции белков. Этим алфавитом можно записать все разнообразие структур и функций в биосфере. С каждым последующим клеточным поколением этот текст, записанный в виде нуклеотидных последовательностей ДНК, воспроизводится ne varietur, что гарантирует инвариантность вида.

Фундаментальным биологическим инвариантом является ДНК. Вот почему определение Менделем гена как неизменного носителя наследуемых признаков, его химическая идентификация Эйвери (подтвержденная Херши) и установление Уотсоном и Криком структурной основы его репликативной инвариантности, без сомнения, представляют собой важнейшие открытия, когда-либо совершенные в биологии. К ним, безусловно, следует добавить теорию естественного отбора, обретшую достоверность и свое истинное значение только благодаря этим более поздним открытиям.

Структура ДНК; связь между этой структурой и способностью задавать точную копию нуклеотидной последовательности, которая определяет ген; химический механизм, который переводит нуклеотидную последовательность сегмента ДНК в аминокислотную последовательность в белке – все эти факты и понятия были подробно разъяснены неспециалистам. По этой причине здесь нет необходимости давать их детальный обзор[42]. Для текущего обсуждения вполне достаточно следующей схемы, которая в общих чертах описывает два процесса – репликацию и трансляцию: