Книга: Наука о живом

Глава 12 Молекулярная биология

Глава 12 Молекулярная биология

Каждый, кто питает к биологии не просто поверхностный интерес, знает, что молекулярная биология была и остается величайшим достижением в биологии со времен создания теории эволюции. Важность молекулярной биологии и откровенное высокомерие тех, кто ею занимается, вызвали зависть и досаду у многих старомодных биологов, но, хотя в молекулярной биологии и есть что-то от новоиспеченного богача, сами ее богатства сомнений не вызывают.

Гунтер Стент, один из наиболее тонких ее историков, различает в развитии молекулярной биологии два основных направления: структурное (главным образом европейское) и информационное, т. е. занимающееся вопросами хранения и передачи наследственной информации в биологических системах (последнее, вероятно, достигло наибольшего развития в США).

Структурная молекулярная биология, пожалуй, получила свое начало, когда У. Т. Эстбюри отважно применил методы рентгеноструктурного анализа к таким биологическим объектам, как перья, волосы, сухожилия и волокна кровяного сгустка. Важнейший результат работ Эстбюри — открытие, что изученные им биологические структуры имеют в сущности кристаллическую упорядоченность. Это придало особую соль знаменитому афоризму Шредингера: «Так называемые аморфные твердые тела на деле либо не аморфны, либо не тверды». Исследования Эстбюри навсегда уничтожили идею о существовании нерушимой границы между физическими объектами и веществами живого мира — такой переворот в понятиях сходен с тем, который, как утверждают (задним числом), произвел осуществленный немецким химиком Фридрихом Вёлером в 1828 году синтез мочевины, но по значению далеко его превосходят. {108}

Установление структуры белков — работа, которая когда-нибудь даст нам возможность объяснять большинство протекающих в организме химических изменений на молекулярном уровне, — стало возможным благодаря целому ряду отдельных открытий; одним из них была разработка английским биохимиком Фредериком Сангером химических методов определения последовательности белков, т. е. определения последовательности распределения различных составляющих их аминокислот вдоль полипептидной цепи, что дает возможность определять структуру белков в линейном направлении, известную как первичная структура. Вторичной структурой называют дополнительную детализацию основания, особенно в том, что касается его разветвлений. Третичная структура белка — это общий рисунок его изгибов, выпячиваний и т. д. и полное его определение как трехмерной структуры. Когда английские биохимики Макс Перуц и Джон Кендрю, исследуя миоглобин, впервые дали исчерпывающее представление о пространственном строении белковой молекулы, специалисты по молекулярной биологии расценили их работу как важную веху в истории биологии. С тех пор Р. Валентайн и X. Г. Перейра довольно хорошо разъяснили строение одного из вирусов — аденовируса 12.

У. Т. Эстбюри попытался установить строение нуклеиновых кислот, но рентгеноструктурный анализ и расшифровка кристаллограмм были тогда слишком примитивными, а применявшиеся методы приготовления ДНК — слишком грубыми, так что успеха он не добился. Окончательное объяснение строения ДНК родилось из химических исследований американского биохимика Эрвина Чаргаффа и рентгеноструктурных анализов Фрэнсиса Крика и Джеймса Уотсона в Кембридже, а также Мориса Уилкинса и Розалинд Франклин в лондонском Кингз-колледже. Установление ее пространственной двухспиральной структуры стало двойным триумфом, так как оно одновременно разрешило кристаллографическую проблему и дало подходящую структурную основу для истолкования уникальной функции ДНК как носителя генетической информации.

Информационное направление в истории молекулярной биологии сложилось, когда Эвери, Маклеод {109} и Маккарти открыли, что дезоксирибонуклеиновая кислота представляет собой своего рода биологический философский камень, поскольку выяснилось, что именно ДНК вызывает трансформацию одной разновидности пневмококков в другую (см. гл. 11) — до тех пор это явление ставило всех в тупик. На протяжении нескольких следующих лет изучение бактерий и вирусов, а также обычные генетические исследования неопровержимо доказали, что ДНК — действительно хранилище наследственной информации и средство передачи ее от одного поколения к другому. Не считая ничтожного количества ДНК в митохондриях, вся ДНК животных клеток, в том числе и зародышевых, сосредоточена в ядре, как и следовало ожидать, учитывая тот факт, что ядро зародышевой клетки — это единственное материальное звено, связывающее поколения.

В молекулярной биологии общепринято положение, что генетически зашифрованная информация передается только в одном направлении — от нуклеиновой кислоты к белку, но не наоборот. Обычные биологи долго не принимали этого взгляда: они были чрезвычайно недовольны тем, что белки свергнуты со своего трона и им уже больше не приписывается то осуществление всех химических преобразований в организме, которое прежде представлялось их естественным правом. Согласно этому новому взгляду, нуклеиновые кислоты должны определять строение всех белков, производимых в клетке. Очень важная часть молекулярной биологии, называемая иногда «молекулярной биохимией» (попробуйте представить себе немолекулярную биохимию!), занимается определением средств, с помощью которых строение той или иной нуклеиновой кислоты в конечном счете картируется в строении того или иного белка.

Поскольку в белках существует более двадцати различных аминокислот, а в ДНК только четыре разных вида нуклеотидов, каждая аминокислота должна кодироваться более чем одним нуклеотидом, а точнее, триплетом их. Процесс картирования протекает в два этапа, и каждый включает перенос информации на нуклеиновую кислоту: транскрипцию, при которой последовательность нуклеотидов ДНК «переписывается» в последовательность нуклеотидов {110} информационной РНК, и трансляцию, протекающую при по» мощи транспортной РНК, молекулы которой опознав ют и аминокислоты, и код РНК, а потому могут собирать необходимые аминокислоты в нужной линейной последовательности. Трансляция генетической информации — это процесс необратимый, и в настоящее время не существует никакого известного или хотя бы мыслимого метода, путем которого в ДНК зародыша могла бы запечатлеться информация, полученная организмом в течение его жизни. Это — главное методическое соображение, из-за которого в наши дни уже никто не верит в возможность эволюции ламаркистского типа (см. гл. 5).

Молекулярная биология достигла такой всеобъемлющей гегемонии, что один выдающийся биолог сказал: «Нынче и музейный служитель может высоко держать голову, только если он называет себя молекулярным таксидермистом».

Заметка о переворотах в биологии. Главная критика молекулярной биологии исходит сегодня от биологов-практиков, которые в свое время точно так же навязывали свою доктринальную тиранию. В эпоху великого последарвиновского возрождения зоологии почти все серьезные биологи считали, будто по-настоящему важная задача заключается в том, чтобы как можно детальнее описывать ход эволюции. В те скверные старые дни многие биологические дисциплины получали право на уважение, только когда их удавалось назвать «сравнительными». Мы помним время, когда паразитология была облагорожена наименованием «сравнительная паразитология», поскольку она давала кое-какие доказательства эволюционного процесса; то же произошло и с иммунологией, когда в трудах Наттола и Бойдена ее начали использовать как средство определения эволюционных связей.

Из-за реакции против сравнительной анатомии сравнительная физиология превратилась в столь же ужасный (если не худший) источник всяческих досад. Едва сравнительная анатомия была дискредитирована, как первейшей обязанностью зоологов стало почитаться понимание физиологии низших животных. Значительная часть этой работы была очень скучной и бескрылой, а движение за сгавнительную физиологию {111} распространялось и распространялось по Англии, потому что специалисты по сравнительной физиологии получали руководящие посты почти на всех зоологических кафедрах — и нередко на тех, которые совсем недавно возглавляли специалисты по сравнительной анатомии. Как часто пустяковые физиологические эксперименты на низших животных проводили те кафедры, которые по своему положению и штатам могли бы внести значительный вклад в общую биологию!

К несчастью, природа каждого академического переворота, по-видимому, требует, чтобы он обязательно превратился в язву, прежде чем его претензии будут наконец устало и с отвращением отвергнуты.

По всей вероятности, то же случится и с молекулярной биологией, каким бы светлым и сияющим ни представлялось нам сейчас ее будущее: придет время, когда изучение структуры белка — и чем причудливее, тем лучше! — превратится в априорно респектабельное занятие, обеспечивающее стремительную карьеру и самые высокие академические почести.

Невозможно предсказать, какими окажутся будущие перевороты, но можно надеяться, что произойдет переворот в понимании некоторых областей биологии, где пока такого понимания нет, и особенно в том, что связано с накоплением памяти и с процессами, благодаря которым от поколения к поколению передаются запрограммированные элементы поведения.