Способ записи наследственной информации в молекулах ДНК в принципе оказывается довольно простым: ее характер определяется порядком чередования оснований в молекуле.
Это очень распространенный способ кодирования информации: ведь в конечном счете информация, содержащаяся в лежащей перед вами книге, тоже определяется порядком чередования букв в словах, составляющих ее текст. Только «текст», который организм передает по наследству из поколения в поколение, состоит из чудовищно длинных «слов» — молекул ДНК, и в слова эти входит лишь четыре буквы: А, Г, Ц и Т — по первым буквам названий четырех оснований, перечисленных выше (кстати, именно таким способом записи последовательности оснований ДНК пользуются в специальной литературе).
Другими словами, есть какая-то зародышевая клетка, в ней молекула ДНК (или несколько десятков, или несколько сотен молекул — словом, столько, сколько нужно, чтобы полностью описать генотип организма, — тот самый «текст», который только что был упомянут), и лишь от последовательности оснований каждой молекулы зависит, разовьется ли из этой клетки белый гриб-боровик, анаконда, корова, ласточка, креветка, медведь, даже динозавр, не говоря уже о «венце творенья» — о нас с вами. То есть наследственность любого человека может быть в принципе вполне точно и однозначно описана несколькими химическими формулами!
Не исключено даже, что какой-нибудь любитель подробных анкет уже прикидывает, как бы учредить графу «персональная генетическая формула» — ведь в ней содержались бы полные сведения о генотипе каждого человека! Пока, к счастью, это еще невозможно: определение последовательности оснований даже небольших фрагментов ДНК требует многих месяцев, а то и лет работы коллектива искуснейших химиков. Кроме того, в самой лаконичной записи для ответа на подобный вопрос анкеты понадобились бы сотни таких книг, как эта. С другой стороны, методы химического анализа совершенствуются, и стоит только очень захотеть…
Может показаться, что мы сильно преувеличили объем «генетического личного дела». Но молекулярный вес ДНК в одной лишь клетке, например, кишечной палочке оценивается в 2–4 миллиарда. Это означает, что в словах-молекулах ДНК такой клетки насчитывается 3–6 миллионов букв-оснований. А объем «текста» из ДНК для такого организма, как человек, составит уже около 2 миллиардов знаков — это приблизительно 145 томов формата Большой Советской Энциклопедии.
(Разумеется, можно потрясти воображение читателя и другими гигантскими цифрами. Подсчитать, например, сколько раз можно обмотать земной шар по экватору нитью, составленной из всех молекул ДНК в организме человека. Однако, вспомнив о том, что наши собратья по перу уже многократно обматывали земной шар — метрами выпущенной за год ткани, километрами стальной проволоки и даже железнодорожными составами с углем, причем неизменно по экватору, — мы решили дать ему отдохнуть. Он и без того славно поработал на ниве научно-популярной литературы.)
Каков же характер информации, закодированной в тексте из молекул ДНК? Увы, этот «жанр» нельзя назвать ни романом, ни драмой, ни даже научным трактатом. Генотип представляет собой скорее всего очень подробную инструкцию, необходимую организму для возведения самого себя. То, что эта инструкция оказывается чересчур уж объемистой, естественно объясняется чрезвычайной сложностью системы, которую мы называем организмом. Будь система попроще, скажем аэроплан начала века и майор кайзеровской армии, привыкший делать все точно по уставу, то, как это прекрасно показано в американском комедийном фильме «Воздушные приключения», достаточно тоненькой тетрадочки с инструкцией — и пунктуальный майор, ни разу в жизни не садившийся за штурвал, блестяще совершает опасный перелет.
Чем сложней система, тем толще инструкция. Инструкция для советских космонавтов, принимавших участие в совместном полете «Союз» — «Аполлон», насчитывала свыше тысячи страниц. А ведь в ней перечислены лишь правила поведения космонавтов в так называемых «штатных», то есть предусмотренных, ситуациях. Инструкция, охватывающая все возможные ситуации при космическом полете, получилась бы такой, что, пожалуй, после ее тщательного изучения космонавты не смогли бы участвовать в полете просто по причине достижения пенсионного возраста. Так что уж говорить о столь сложной системе, как организм!
Умеем ли мы читать?
Стоп! Вот теперь-то самое время остановиться, передохнуть, а заодно и покончить (желательно навсегда) с игривым тоном и всякими шуточками. Мы подошли к существу проблемы: мы знаем, что наследственная информация, формально говоря, записана в виде очень длинных слов на четырехбуквенном алфавите. Однако это всего лишь способ записи. И коль скоро мы употребляем слово «запись» — хоть оно и относится к форме, а не к существу дела, — надо бы подумать и о том, как происходит процесс чтения этой записи, процесс, конечным результатом которого оказывается создание того или иного организма.
Это, конечно, на первый взгляд звучит довольно странно. Вспомним, однако, что даже тушение пожара — тоже (хоть и не всегда) результат внимательного чтения противопожарной инструкции. Так что в принципе в таком способе чтения нет ничего удивительного. Вот еще одна, уже более близкая аналогия: существуют и прекрасно работают тысячи и тысячи станков с программным управлением. Изготовление детали на таком станке в известной мере также является результатом чтения ее шифра — условного набора дырок, пробитых на перфокарте или перфоленте. Эта аналогия, правда, страдает заметной даже невооруженному глазу однобокостью: она говорит лишь о результате чтения, но не о его механизме.
Итак, если ДНК — инструкция для возведения столь сложного устройства, как организм, вполне естественно задать такие вопросы: каким образом она выполняется, как копируется и передается из поколения в поколение? И, кроме того, кто ее составил?
Тем, что современной биологии известен, хотя бы в самых общих чертах, ответ на эти вопросы, мы обязаны главным образом целеустремленным и энергичным исследованиям, проведенным на протяжении двух последних десятилетий. Насколько огромен будет масштаб свершений этого нового периода «бури и натиска» в биологии, поначалу не удалось оценить не только культурной общественности, но и большинству самих биологов. Причины и последствия такого бурного развития событий крайне интересны сами по себе, но говорить о них лучше после того, когда мы хотя бы в общих чертах познакомимся с самыми главными результатами.
Молекула ДНК в клетке находится в окружении очень сложных структур и весьма странных веществ. Содержимое клетки представляет собой, с химической точки зрения, смесь сотен разнообразнейших соединений. Большая их часть растворена в воде — основном по массе содержимом клетки.
Среди прочих веществ присутствуют в окружающем ДНК растворе и все четыре типа нуклеотидов — элементарных звеньев цепочки ДНК. Реагируя друг с другом, они могут образовывать пары, тройки и вообще — цепь ДНК любой длины. Так что, если нужно, например, снять копию с данной молекулы ДНК, то, по крайней мере, материал для этого есть (мы просим читателя временно воздержаться от бестактного вопроса: «Откуда он взялся?»). А вот вопрос о том, как клетка ухитряется копировать молекулы собственной ДНК…
Хореографическая модель ДНК
К счастью, принципиальная схема молекулярного механизма, придуманного природой для копирования ДНК, представляется сравнительно несложной (правда, при очень поверхностном подходе и после тщательных объяснений). Говоря предельно лаконично, дело обстоит так. Цепочки ДНК в клетке часто существуют в виде парных комплектов. Особенность этого комплекта заключается в том, что все основания обеих цепочек попарно связаны друг с другом, а самое главное — такие попарные сцепления подчинены строгой закономерности: аденин может находиться в паре только с тимином, а гуанин — с цитозином, так что сцепленная пара молекул ДНК выглядит примерно так:
и по построению напоминает вереницу пар участников хореографического ансамбля, исполняющих какой-либо старинный танец, скажем мазурку. Такая вереница в хорошем ансамбле подчинена примерно тем же закономерностям: белокурые красавицы танцуют в паре с брюнетами, а темноволосые — с блондинами.
Обе нити ДНК должны, таким образом, строго соответствовать друг другу; описанный выше способ соответствия принято называть комплементарностью. Говорят, что две нити комплементарны, если последовательность одной из них получается из последовательности второй заменой аденина на тимин, гуанина — на цитозин, и наоборот. Нетрудно убедиться, что в паре нитей двойной спирали записан текст, соответствующий по длине только одной из них, ибо комплементарный текст определяется механически и новой информации нести уже не может.
