Откуда взялась жизнь и как она функционирует? Каким образом растения превращают солнечный свет в пищу? Как на секретном языке ДНК, в «алфавите» которого всего четыре буквы, записать инструкции для всех видов на планете? И наконец, что появилось раньше: курица или яйцо?
Книга «Как устроена жизнь на Земле» молекулярного биолога Малона Хогланда, открывшего транспортную РНК, и известного художника Берта Додсона рассказывает, как устроена жизнь на планете. В ней сложные явления объясняются просто: авторы придумывают аналогии и рисуют их. Так, строение клеток и тканей объясняется на примере матрешек, а передача генов потомству — с помощью двух колод карт.
Предлагаем несколько отрывков из книги.
Генетика как браслет
Наша ДНК представляет собой последовательность генов, которым соответствуют подвески на браслете. Один набор подвесок человек получает от матери, другой — от отца. Подвески в обеих цепочках всегда расположены в том же порядке.
Когда организм производит сперматозоиды и яйцеклетки, цепочки сходятся, выстраиваются рядом, разрезаются, образуя смешанные цепочки. Теперь их можно разделить и передать следующему поколению. А затем перекрестно соединяются.
Иллюстрации здесь и далее из книги «Как устроена жизнь на Земле»
Мартышки-поэты
Разве может группа обезьян, случайно нажимая на клавиши, написать сонет Шекспира? Такой вопрос часто задают те, кто не верит, что жизнь возникла случайно. Шанс на то, что сотня обезьян создаст такое произведение искусства, исключительно мал, даже если они будут печатать миллион лет. Однако если применить к этому процессу некоторые правила эволюции, то станет понятно, каким образом природа повышает шансы на успех и даже делает его неизбежным.
Во-первых, пусть обезьяны печатают не сонеты Шекспира, а собственные сонеты сопоставимой сложности. Таким образом, от них потребуется не конкретный результат, а просто общая схема. Пусть обезьяны работают за компьютерами, запрограммированными сохранять успешные результаты и отбрасывать все остальное. Это правило соответствует эволюционному принципу отбора.
Пусть работа происходит поэтапно с нарастающей сложностью — это еще одна черта эволюции. Сочетая произвольное печатание с постоянным «улавливанием» успешных результатов, мартышки смогут написать прекрасные стихи!
Как сливки в кофе
Жизнь — это большой мешок химических реакций. Представьте, что вы уменьшились до миниатюрных размеров и теперь видите, как эти реакции происходят. Сейчас из нескольких маленьких молекул клетка сделает одну большую. Это можно проиллюстрировать добавлением сливок в кофе. Если молекулы сливок как следует рассеялись, они останутся в таком состоянии. Вероятность того, что они снова всплывут на поверхность, практически нулевая. Молекулы сливок продолжают двигаться и натыкаться на другие молекулы, но при этом они распределены более или менее равномерно.
Проблема курицы и яйца
Разгадка проблемы курицы и яйца («что было раньше?») позволяет заглянуть в основополагающие принципы жизни. Это хитрый парадокс: кажется, что вопрос один, хотя на самом деле он распадается на две совершенно разные проблемы. Первая связана с циклами, вторая с эволюцией. Их нужно разделить.
Начнем с простого наблюдения: в настоящем цикле нет ни начала, ни конца. Курица откладывает яйца, из яйца рождается курица, и так снова и снова. В итоге правильный ответ на вопрос «Что было раньше?» — «Ни то ни другое». Чтобы разобраться в действующем здесь принципе, можно рассматривать курицу как машину, а яйцо — как информацию.
Машина делает информацию, та управляет машиной и так далее. Но и это слишком сильное упрощение. В яйце действительно есть вся информация, необходимая для создания курицы, но сама по себе она ничего бы не сделала без машины-дешифровщика.
Именно поэтому можно сказать точнее: в яйце есть не только вся информация, но и все машины, чтобы превратить эту информацию в живое вещество. Другими словами, каждому яйцу нужно что-то от курицы.
С другой стороны, взрослая курица содержит 100% информации плюс 100% машин, то есть создать новое яйцо для нее не проблема. Второй аспект этого парадокса можно сформулировать так: «Откуда взялся цикл курица — яйцо?» Если проследить происхождение кур и яиц (и то и другое появилось сравнительно недавно) на протяжении миллиардов лет, что будет в начальной точке? Однозначно сказать нельзя, но, возможно, там были молекулы, способные функционировать и как информация, и как машины). Из этого начала крохотными шажками и возник курино-яичный круговорот.
Младенец как поселок
Одна из самых больших проблем биологии — это вопрос о том, каким образом из одной клетки за несколько дней, недель и месяцев вырастает сложный организм, состоящий из миллионов, миллиардов и даже триллионов клеток.
Известно, что развитие эмбриона происходит по программе, заложенной в генетической информации каждой отдельной клетки. Ученые продолжают узнавать, как взаимодействия белков, кодируемых генами, координируют эти процессы. Сложно представить себе столько событий одновременно.
Во-первых, клетки растут и делятся. Во-вторых, они дифференцируются и специализируются: становятся, например, клетками костей, кожи, нервов и всеми остальными видами клеток организма. В-третьих, они мигрируют. В-четвертых, влияют на поведение своих соседок. Параллельное развитие и взаимодействие всех этих процессов порождает невероятную сложность.
В сильно упрощенном виде это похоже на рост поселка.
Новые планы копируют соседи. Примерно в это же время некоторые домовладельцы начинают передвигать свои дома ближе к центру поселка. Под влиянием новых проектов многие домовладельцы на старых участках перестраивают свои дома. Так возникают «районы» похожих домиков.
Чудо рождения: как из одной клетки вырастает человек. Это похоже на рост поселка: от одного домика к улицам.
Рыба или человек?
Много лет назад ученые с удивлением заметили, что совершенно разные организмы на ранних этапах своего развития невероятно похожи. Специалисты-эмбриологи не могли отличить, например, ранние эмбрионы птицы и человека. Откуда взялось такое сходство? Этот вопрос привел к осознанию основополагающих механизмов эволюции. Она любит мастерить и, берясь за новое творение, не начинает с нуля, а использует подходящие старые элементы.
Если программа хорошо сработала при создании рыбы, надо ее сохранить и использовать как основу для создания человека. Легче избавиться от хвоста и жабр, чем придумывать совершенно новую конструкцию.
Многие живые организмы на раннем этапе своего развития очень похожи
Вот несколько примеров такого сходства:
Белки: сыр и глаз. Фермент, при помощи которого бактерии сквашивают молоко в сыроварении, похож на один из белков в хрусталике глаза.
Гены развития: плодовая мушка и человек. Гены Hox, контролирующие строение тела плодовой мушки, похожи на гены, которые формируют наши тела.
Микротрубочки: простейшие и нервные клетки. Микротрубочки — похожие на кнут пучки, с помощью которых плавают одноклеточные существа, — служат «железными дорогами» внутри нервных клеток человека.
По материалам книги «Как устроена жизнь на Земле».
Обложка статьи: pexels.com
