Рис. 7.3. Таутомер T в енольной форме (на рисунке обозначается T*) ошибочно образует пару с G, а не со своим постоянным партнером A. Подобным образом таутомер A (на рисунке A*) ошибочно образует пару с C, а не с T. Если эти пары образуются в процессе репликации ДНК, возникает мутация
Несмотря на очевидную правдоподобность данной гипотезы, было очень сложно подтвердить ее прямыми доказательствами. Однако в 2011 году, почти через 60 лет после того, как Уотсон и Крик опубликовали статью о двойной спирали ДНК, команде ученых из Медицинского центра Университета Дьюка (США) удалось доказать, что неправильные пары оснований ДНК с таутомерическими положениями протонов в связях действительно могут встраиваться в активный центр ДНК-полимеразы (фермент, образующий новую ДНК), а точнее, в новые цепочки ДНК в процессе репликации и обусловливать мутации[126].
Таким образом, таутомеры с альтернативным расположением протонов являются причиной мутаций, а следовательно, и движущей силой эволюции. Однако что же заставляет протоны менять положение? Согласно одному из «классических» объяснений, протоны время от времени «встряхиваются» из-за постоянных молекулярных вибраций, окружающих их. Тем не менее это возможно только при условии достаточного количества тепловой энергии, которая дает толчок, «встряску» молекуле. Как и в реакциях, катализируемых ферментами, о которых мы говорили в главе 3, для смены положения протону необходимо преодолеть достаточно высокий энергетический барьер. К тому же протоны могут получать толчок после столкновений с соседними молекулами воды, однако вблизи протонов, формирующих водородные связи внутри молекулы ДНК, нет молекул воды, способных передать такой толчок другим частицам.
Однако есть еще один фактор — тот, который играет важную роль в переносе электронов и протонов ферментами. Благодаря волновой природе элементарные частицы, такие как электроны и протоны, могут участвовать в квантовом туннелировании. Нестабильность положения какой бы то ни было частицы позволяет ей просачиваться через энергетический барьер. В главе 3 мы говорили о том, как ферменты обеспечивают возможность туннелирования электронов и протонов, подводя молекулы ближе друг к другу. Спустя десятилетие после публикации фундаментальной статьи Уотсона и Крика шведский физик Пер-Улоф Левдин, которого мы уже упоминали в этой главе, предположил, что протоны внутри водородных связей перемещаются посредством квантового туннелирования, в результате чего образуются таутомерические — мутационные — формы нуклеотидов.
Важно отметить, что мутации ДНК могут быть обусловлены действием множества различных механизмов, в том числе воздействием химических веществ, ультрафиолетового излучения, частиц, выпускаемых в результате радиоактивного распада, и даже космического излучения. В результате воздействия этих факторов изменения происходят на молекулярном уровне, а значит, они неизбежно сопровождаются квантово-механическими процессами. Пока не получены доказательства того, что все эти источники мутаций связаны с таинственными аспектами квантовой механики. Тем не менее доказано, что квантовое туннелирование играет большую роль в образовании таутомерических форм ДНК-оснований. Значит, мистическая природа других квантовых процессов, возможно, играет определенную роль в возникновении мутаций, движущих эволюцией.
И все же таутомеры ДНК-оснований составляют лишь 0,01 % всех ДНК-оснований. Их образование приводит к ошибкам одного порядка. Такое соотношение гораздо выше, чем показатель всех мутаций в природе, — одна на миллиард случаев, поэтому, если таутомеры действительно присутствуют в двойной спирали, потенциальных сбоев легко избежать путем различных процессов исправления ошибок (проверочных процессов), призванных обеспечивать высокую надежность репликации ДНК. Однако ошибки, возникающие благодаря квантовому туннелированию, не поддаются корректировке проверочных механизмов и продолжают быть источником природных мутаций, которые обеспечивают эволюцию всех земных форм жизни.
Открытие механизмов, лежащих в основе мутации, важно не только для понимания эволюции. Оно может пролить свет на то, как возникают генетические заболевания, как здоровые клетки становятся раковыми (доказано, что генетические и онкологические заболевания обусловлены мутациями). Однако не так легко проверить, основан ли механизм конкретной мутации на эффекте туннелирования, поскольку, в отличие от некоторых других видов воздействия на клетку, например химических веществ или излучения, этот эффект нельзя просто «включить» и «выключить». Следовательно, пока мы не имеем возможности сравнить соотношение мутаций, обусловленных квантовым туннелированием и не обусловленных квантовым процессом, и посмотреть, чем они отличаются друг от друга.
Есть еще один способ подтвердить квантово-механический аспект генетических мутаций. Он основывается на различиях между информацией в классическом понимании и квантовой информацией. Классическая информация может считываться и перечитываться снова и снова, при этом не меняя своего содержания, в то время как информация квантовых систем искажается при попытке измерений. Когда фермент ДНК-полимераза изучает ДНК-основание и пытается определить положение протонов в водородной связи, он осуществляет квантовое измерение, ничем не отличающееся от измерений, проводимых над теми же протонами ученым-физиком в лаборатории. Оба этих процесса и их измерения влияют на квантовую систему: с точки зрения квантовой механики вовсе не важно, выполняется измерение ферментом ДНК-полимеразой внутри клетки или счетчиком Гейгера в лаборатории, — в любом случае положение измеряемой частицы изменится. Если состояние частицы соответствует определенной букве генетического кода, означает ли это, что измерения, особенно частые, регулярные, будут способствовать изменению кода и вызывать мутации? Есть ли тому доказательства?
Несмотря на то что весь геном человека копируется во время репликации ДНК, считывание большей части информации генома осуществляется в ходе двух процессов, при которых генетическая информация используется для обеспечения синтеза белков. Первый из этих процессов — транскрипция — подразумевает перенос генетической информации с ДНК в РНК. РНК химически родственна ДНК. Скопировав информацию ДНК, РНК отправляется к механизму синтеза белков и инициирует их производство, или второй из упомянутых процессов, известный также как трансляция. Чтобы отличать эти процессы от репликации ДНК (копирования генетической информации), мы будем называть их процессами считывания ДНК-кода.
Ключевая особенность процесса считывания ДНК-кода заключается в том, что некоторые гены считываются чаще, чем другие. Если считывание ДНК-кода во время транскрипции является квантовым измерением, можно предположить, что наиболее часто считываемые гены будут подвержены более серьезным изменениям, обусловленным измерениями, а следовательно, будут содержать большее количество мутаций. Некоторые исследователи утверждают, что их эксперименты доказывают это предположение. Так, например, Абхиджит Датта и Сью Джинкс-Робертсон из Университета Эмори (Атланта, США) воздействовали на один и тот же ген дрожжевой клетки таким образом: сначала ген был считан несколько раз для получения небольшого количества белка, а затем — множество раз для получения больших объемов белка. Ученые обнаружили, что количество мутаций гена возросло в 30 раз после того, как участились случаи считывания его информации[127]. В ходе эксперимента с клетками мыши были получены схожие результаты[128], а недавние исследования генов человека показали, что наиболее часто считываемые гены чаще подвергаются мутациям[129]. Такие результаты согласуются с наличием квантово-механического измерения, однако они не доказывают связи образования мутаций с квантовой механикой. Считывание ДНК-кода сопровождается биохимическими реакциями, которые могут изменить или даже разрушить молекулярную структуру генов различными способами, также вызывая мутации, к которым квантовая механика не имеет никакого отношения.
Чтобы проверить, связан ли биологический процесс с квантовой механикой, необходимы данные, которые очень трудно или вовсе невозможно интерпретировать, не прибегая к основам квантовой механики. К слову, именно этот парадокс пробудил в нас интерес к определению роли квантовой механики в биологии.
Совершают ли гены квантовые скачки
В сентябре 1988 года в журнале Nature была опубликована статья, посвященная генетике бактерий. Автором статьи был выдающийся генетик Джон Кейрнс, сотрудник Гарвардской школы общественного здоровья (Бостон)[130]. Идеи, высказанные в статье, противоречили фундаментальному принципу неодарвинистской эволюционной теории, согласно которому мутации, источники генетических вариаций, происходят случайно, а направление эволюции определяется естественным отбором — «выживанием сильнейших».
