Танец жизни. Новая наука о том, как клетка становится человеком

Но танец жизни помещается в гораздо более широкий контекст, где видны фундаментальные основы хореографии живого существа — занимаемое им пространство и время, структурные элементы, реакции на переданную через поколения информацию, а также появление и потеря симметрии для придания формы.

Поместив танец в самый широкий контекст, мы узнаем, сколько пространства и времени понадобилось для того, чтобы создать живой организм после Большого взрыва, произошедшего 13,8 миллиарда лет назад. Как только Вселенная остыла, возникли подходящие условия для формирования материи, необходимой для жизни и нашего создания.

Вы, я и все остальные существуем потому, что момент сотворения был односторонним. При остывании Вселенной частицы и античастицы аннигилировали попарно, однако некоторая асимметрия между материей и антиматерией означала, что крохотной доле материи (примерно одной частице на миллиард) удавалось сохраняться. Без этого нарушения симметрии, приближенного к моменту сотворения, во Вселенной не было бы ничего, кроме остатков энергии.

Но для создания жизни нужны особые виды материи. Каждая клетка нашего тела содержит 100 триллионов атомов — от легких элементов, возникших после Большого взрыва, до более тяжелых, появившихся в самом сердце звезд при столкновении звездных нейтронов и при других бурных космических событиях [7]. Чтобы наши тела могли функционировать, атомы, доставшиеся нам от Вселенной, должны быть нужного типа и в нужном количестве, а также располагаться особым образом. Иными словами, для создания жизни нужна информация о том, как построить организм.

Ранние идеи о местонахождении инструкций по созданию жизни принадлежат физику Эрвину Шрёдингеру, который в 1943 году предположил, что организм содержит «шифровальный код»[1], определяющий весь паттерн будущего индивидуального развития. Этот код — не схема, устанавливающая статичный порядок расположения атомов, а изощренная и динамичная наследственная информация о том, как создать живой организм.

Некоторые ученые критически восприняли («скорее фантастика, чем наука») книгу «What Is Life? The Physical Aspect of the Living Cell» («Что такое жизнь? Физический аспект живой клетки»), где Шрёдингер обрисовал свои мысли [8]. Однако его рассуждения вдохновили многих ученых, в том числе Фрэнсиса Крика и Джима Уотсона, которые в 1953 году в своей лаборатории Кембриджского университета открыли молекулярную структуру «шифровального кода», опираясь на ключевые рентгеновские исследования ДНК, проведенные Розалинд Франклин и Морисом Уилкинсом из Лондона [9]. В изгибах и поворотах двойной спирали кроется множество секретов нашей наследственности, и в частности гены, контролирующие наше развитие.

Двойную спираль можно расплести вдоль, и каждая отдельная сторона послужит шаблоном для другой, поэтому информация ДНК передается следующему поколению. И если элементы, необходимые для построения ДНК, можно найти в остатках взорвавшихся звезд, то порядок букв генетического кода — это инструкции, переданные сквозь поколения от наших предков, которые мы, в свою очередь, можем передать своим детям.

Все живые существа на Земле — недавние звенья в цепи информации, закодированной в реплицирующейся молекуле ДНК, которая размножается на этой планете около четырех миллиардов лет. Возможно, первые копии первой жизни появились в гидротермальных источниках морских глубин с использованием аминокислот из океанической коры [10]. Однако таких теорий множество, и пока это еще одна размытая граница великой истории жизни: никто не знает, как появилась самореплицирующаяся молекула ДНК, запустившая инструкции, которые эволюционировали в изобильное множество существ нашей планеты, сначала в виде бесформенной одноклеточной жизни, а позже — в виде величайшего разнообразия многоклеточных организмов.

Жизнь имеет еще одно измерение. Инструкции ДНК, которые мы передаем своим детям, содержат не конкретный план вроде архитектурного чертежа, а рецепт, согласно которому ингредиенты самоорганизуются в высшей степени слаженным образом. Эти инструкции вступают в действие в первые несколько дней, начиная с процесса, когда оплодотворенное яйцо делится и меняет форму до такой степени, что эти ранние фазы жизни эмбриона получили разные названия: зигота, морула, бластоциста и, наконец, собственно эмбрион.

Подобно космосу, жизнь формируется симметрией и ее нарушением, от легкого смещения внутри отдельной клетки до оси, вокруг которой организована группа клеток, составляющая эмбрион. В конце концов, нарушение симметрии формирует наше тело от расположения головы и пальцев ног до локализации внутренних органов, от симметричных легких и почек до сердца, которое у нас слева. Все это, в свою очередь, вытекает из асимметрии на молекулярном уровне.