Жизнь на скорости света. От двойной спирали к рождению цифровой биологии - [2]

Причина, по которой эта тоненькая книжечка Шрёдингера оказалась такой влиятельной, по сути проста: он подходил к центральным проблемам биологии – наследственности и тому, как организмы управляют энергией, чтобы поддерживать порядок, – с новой, дерзкой, точки зрения. Он четко и кратко аргументировал, что жизнь должна подчиняться законам физики и что, следовательно, можно использовать физические законы, чтобы делать важные выводы о сущности жизни. Шрёдингер указал, что хромосомы должны содержать «в виде своего рода шифрованной записи весь “план” будущего развития индивидуума и его функционирования в зрелом состоянии». Он предположил, что эта запись должна представлять собой «высокоупорядоченную ассоциацию атомов, наделенную достаточной устойчивостью для длительного сохранения своей упорядоченности», и объяснил, как сумма атомов в «апериодическом кристалле» может нести достаточно информации для наследственности. Он использовал термин «кристалл», чтобы подчеркнуть стабильность, и характеризовал его как «апериодический», который, в отличие от периодического, с повторяющейся структурой (как объясняла The Irish Times, это как сравнивать сложный гобелен и рулон обычных обоев), мог бы нести большую информационную нагрузку. Шрёдингер утверждал, что для того, чтобы содержать много информации, этот кристалл не обязан быть слишком сложным и может быть таким же простым, как бинарный код вроде азбуки Морзе. Насколько я знаю, это первое упоминание того факта, что генетический код может быть простым, как бинарный.

Одно из самых примечательных свойств жизни – это ее способность создавать порядок: ваять сложное и упорядоченное тело из химического хаоса, окружающего нас. На первый взгляд эта способность кажется чудом, которое бросает вызов мрачному второму закону термодинамики, гласящему, что всё стремится соскользнуть от порядка к беспорядку. Но этот закон приложим только к закрытой системе вроде запечатанной пробирки, а живые существа – это открытые системы (или маленькие части большой закрытой системы), обменивающиеся веществом и энергией со своим окружением. Они тратят много энергии, чтобы создавать порядок и сложность в виде клеток.

Шрёдингер посвятил большую часть своей лекции термодинамике жизни – теме, в ту пору недостаточно изученной для его прозрений в генетике и молекулярной биологии. Он описывал удивительный дар живого «концентрировать на себе “поток порядка”, избегая таким образом распада в атомный хаос» и «пить упорядоченность» из подходящей среды. Он выяснил, какое отношение к этому подвигу креативности имеют «апериодические твердые тела». В кодированном тексте заложены средства, способные изменить близлежащие химические вещества таким образом, чтобы запрячь вихри в великом потоке энтропии и заставить их жить в виде клетки или организма.

Гипотеза Шрёдингера вдохновила ряд физиков и химиков обратить внимание на биологию – после того как они разочаровались во вкладе своих наук в проект «Манхэттен», создание атомной бомбы во время Второй мировой войны. Когда Шрёдингер читал свои лекции, научный мир считал, что основу генетического материала составляют не ДНК, а белки. В 1944 году появилось первое явное свидетельство того, что на самом деле носитель информации – не белок, а ДНК. Книга Шрёдингера подтолкнула американца Джеймса Уотсона и британца Фрэнсиса Крика на поиск этой «кодированной записи», что в конечном итоге привело их к открытию самой прекрасной структуры во всей биологии – двойной спирали ДНК, внутри которой лежат все тайны наследственности. Каждая цепочка двойной спирали комплементарна второй, и при этом они идут в противоположных (антипараллельных) направлениях. В результате двойная спираль способна „расстегиваться“ посередине, и каждая сторона может служить матрицей или образцом для другой, и так информация ДНК будет копироваться и передаваться потомству. В 1953 году, 12 августа, Крик послал Шрёдингеру письмо, в котором говорилось об этом, с добавлением: «Ваш термин „апериодический кристалл“, похоже, будет очень подходящим».

Детали того, как именно работает этот носитель информации, были открыты и затем подробно разобраны в 1960-х. Это привело к формулированию Криком в 1970 году «центральной догмы», определившей пути, по которым генетическая информация течет через биологические системы. В 1990-х я возглавлю группу, которая прочитает первый геном живой клетки, а потом одну из двух групп, которая прочитает человеческий геном в широко разрекламированной, часто жаркой, раздраженной и политизированной гонке с Уотсоном и другими. На рубеже тысячелетий мы на самом деле впервые увидели замечательные детали апериодического кристалла, содержащего зашифрованную запись человеческой жизни.

В мысли Шрёдингера неявно подразумевалось, что эта запись посылала свои сигналы с момента зарождения жизни, имевшего место больше четырех миллиардов лет назад. Рассмотрев эту идею подробнее, биолог и писатель Ричард Докинз предложил впечатляющий образ реки, текущей из Эдема{4}. Эта медленная река состоит из информации, из рецептов для построения живых существ. Точность копирования ДНК не абсолютна, и случавшиеся в череде поколений повреждения, вызванные кислородом или ультрафиолетом, породили достаточно замен в ДНК, чтобы обеспечить внутривидовую изменчивость. В результате река ветвится и раздваивается, порождая бесчисленные новые виды в течение миллиардов лет.