Химики привыкли работать с целыми числами: одна молекула не может реагировать с половиной другой молекулы. Наверное, самое поразительное свойство хемиосмоса состоит в том, что в нем на полную катушку используются дробные числа. Сколько электронов нужно передать по цепочке, чтобы синтезировать одну молекулу АТФ? Где-то между восемью и девятью. Сколько протонов должно пройти для этого через мембрану? Самая точная из полученных на настоящий момент оценок такова: 4,33. Откуда берутся такие числа, было совершенно непонятно, пока ученые не оценили посредническую роль протонного градиента. Ведь градиент предполагает миллионы переходных состояний, он не сводится к целым числам. А главное преимущество градиента состоит в том, что для синтеза единственной молекулы АТФ одну и ту же реакцию можно повторять неоднократно. Если в ходе некоей реакции выделяется сотая доля энергии, необходимой для получения одной молекулы АТФ, эту реакцию можно просто повторить сто раз, поэтапно наращивая градиент, пока “водохранилище” из протонов не наполнится настолько, чтобы можно было выработать одну молекулу АТФ. Этот механизм сразу дает клетке возможность экономить, словно набивая ее карманы разменной монетой.
Что это означает? Вернемся к реакции водорода с углекислым газом. На запуск этой реакции бактериям приходится тратить одну молекулу АТФ, но теперь они могут получать за ее счет больше, чем одну молекулу АТФ, потому что хемиосмос позволяет им экономить разницу, накапливая ее для приобретения следующей такой молекулы. Доход, может, и скромный, зато честный. Но самое главное - он составляет разницу между возможностью роста и отсутствием такой возможности. Если Мартин и Рассел правы и именно из данной реакции выросли древнейшие формы жизни, то единственный способ, который мог позволить жизни покинуть глубоководные гидротермальные источники, мог быть связан с хемиосмосом. Доподлинно известно, что единственные формы жизни, существующие за счет этой реакции в наши дни, пользуются хемиосмосом и не в состоянии без него расти. Также доподлинно известно, что почти всему живому на Земле свойствен этот удивительный механизм, несмотря на то, что он далеко не всегда необходим. Почему? Похоже, просто потому, что он был унаследован всеми от общего предка, который не мог без него жить.
Но главное основание считать, что Мартин и Рассел правы, связано с тем, что при хемиосмосе используются именно протоны. А почему, скажете вы, не заряженные атомы натрия, калия или кальция, используемые в нашей нервной системе? Нет никаких очевидных причин предпочесть градиент протонов градиенту каких-либо других заряженных частиц, и встречаются, хотя и редко, бактерии, создающие не протонный, а натриевый градиент. Основная причина этого предпочтения определяется, по-моему, свойствами щелочных источников. Вспомним, что эти источники изливают щелочной раствор в воды океана, кислые из-за растворенного в них углекислого газа. Определение кислотности завязано на протоны: кислоты богаты протонами, а щелочи ими бедны. Поэтому излияние щелочного раствора в кислую морскую воду создает естественный протонный градиент. Иными словами, минеральные клетки щелочных гидротермальных источников, которые, согласно гипотезе Рассела, стали колыбелью жизни, от природы обладают хемиосмотическим градиентом. Рассел сам еще много лет назад обратил на это внимание, но осознание того, что бактерии просто не могли покинуть щелочные источники без хемиосмоса, было одним из плодов его сотрудничества с Мартином, исследовавшим энергетику микробов. Так что эти электрохимические реакторы не только производят органические вещества и энергию в виде АТФ, но и сами предоставляют план эвакуации - способ обойти универсальную проблему десятифунтовой купюры.
Разумеется, природный протонный градиент мог стать полезен живым организмам лишь тогда, когда они научились использовать его, а впоследствии и создавать самостоятельно. Хотя использовать уже существующий градиент легче, чем создать с нуля собственный, и то, и другое не так-то просто. Эти механизмы развились путем естественного отбора - в этом нет сомнения. Сегодня для их работы требуется участие множества белков, кодируемых соответствующими генами, и нет никаких оснований предполагать, что столь сложная система вообще могла развиться в ходе эволюции без участия белков и записанных в ДНК генов. Получается интересный круг умозаключений. Живые организмы не могли покинуть гидротермальные источники, не научившись использовать собственный хемиосмотический градиент, но они могли научиться этому лишь с помощью генов и ДНК. Похоже, отсюда с неизбежностью следует вывод, что жизнь должна была дойти до удивительно высокого уровня сложности еще в своей минеральной колыбели.
Теперь вырисовывается интереснейший портрет последнего общего предка всего живого на Земле. Если Мартин и Рассел правы (а я думаю, что они правы), то ЛУКА был не свободноживущей клеткой, а целым лабиринтом из минеральных клеток, стенки которого были выстланы каталитическим составом из железа, серы и никеля, получавшим энергию за счет природного протонного градиента. Первыми формами жизни были пористые минералы, синтезировавшие сложные молекулы и генерировавшие энергию, в конечном счете научившиеся производить белки и даже ДНК. А значит, в этой главе мы рассказали лишь половину истории возникновения жизни, какой мы ее знаем. В следующей мы поговорим о второй половине - об изобретении вещества, не имеющего себе равных по культовому статусу, об основе наших генов - о ДНК.
Глава 2. ДНК
На стене паба “Орел” в Кембридже висит синяя мемориальная доска, установленная в 2003 году в честь пятидесятилетия одного случая, когда разговоры в этом пабе приняли не совсем обычный оборот. Во время обеда 28 февраля 1953 года два завсегдатая “Орла”, Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик, пришли туда и объявили, что раскрыли тайну жизни. Хотя этот эмоциональный американец и этот разговорчивый британец, отличавшийся малоприятным смехом, временами, должно быть, и напоминали дуэт комиков, на сей раз они были абсолютно серьезны - и наполовину правы. Если считать, что у жизни есть тайна, то эту тайну, несомненно, составляет именно ДНК. Впрочем, Крик и Уотсон, при всех их незаурядных способностях, раскрыли тогда лишь половину этой тайны.
В то утро они разгадали структуру ДНК - двойную спираль. Полученная ими схема стала результатом вдохновенного интеллектуального прорыва, обеспеченного гениальностью, умением строить модели, знанием химии и несколькими позаимствованными без спроса рентгенограммами, и была, по словам Уотсона, “слишком хороша, чтобы быть неправдой”. И чем больше они говорили о ней в тот обеденный перерыв, тем больше убеждались в ее правильности. Она была опубликована в номере журнала “Нейчур” от 25 апреля в письме, которое заняло всего одну страницу и немного напоминало заметку о появлении новорожденного в малотиражной местной газете. Необычайно скромная по тону (Уотсон писал в своей знаменитой книге, что “никогда не видел, чтобы Фрэнсис Крик держался скромно”, да и сам он был не намного скромнее своего партнера), та заметка завершалась намеренно уклончивым утверждением: “От нашего внимания не ускользнуло, что постулированное нами специфическое образование пар заставляет сразу предположить возможный механизм копирования генетического материала”.
ДНК, как известно, составляет основу наших генов, наследственный материал клеток. В ней зашифрованы свойства людей и амеб, грибов и бактерий - всех форм жизни на нашей планете, за исключением некоторых вирусов. Двойная спираль ДНК, в которой две цепочки без конца вьются друг вокруг друга оборот за оборотом, - поистине культовый научный символ. Уотсон и Крик показали, как одна цепочка дополняет другую на молекулярном уровне. Если оторвать их друг от друга, каждая из них может служить матрицей для воссоздания другой, так что из одной спирали получатся две точно таких же. Всякий раз, когда тот или иной организм размножается, он передает копии своей ДНК потомкам. Все, что для этого нужно, - это разделить цепочки и синтезировать две идентичных копии оригинала.
Хотя подробное описание молекулярного механизма этого процесса могло бы вызвать у любого читателя головную боль, лежащий в основе механизма принцип изумительно, потрясающе прост. Генетический код представляет собой последовательность “букв” (их более строгое наименование - “азотистые основания”). Таких букв в ДНК-алфавите всего четыре: А, Т, Г и Ц. Их полные названия - аденин, тимин, гуанин и цитозин, но эти химические термины для нас здесь не важны. Важно то, что в связи с ограничениями, накладываемыми формой молекул ДНК и структурой связей в них, А может образовывать пару только с Т, а Ц - только с Г. Если оторвать цепочки двойной спирали одну от другой, на каждой из них будут рядком торчать неспаренные буквы. С каждой буквой А может связаться только Т, а с каждой буквой Ц - только Г, и так далее. Азотистые основания не только дополняют друг друга, но и испытывают настоящую потребность найти себе пару. Только одно может сделать тусклую химическую жизнь буквы Т светлее - постоянная близость с буквой А. Стоит их совместить, и все их связи запоют в чудесной гармонии. Это химическое явление - настоящий “основной инстинкт”, неотъемлемое свойство азотистых оснований. Оно делает из цепочек ДНК нечто большее, чем пассивные матрицы: каждое основание обладает своего рода магнетизмом, притяжением к своему “альтер эго”. Стоит разделить цепочки, и они самопроизвольно сольются снова или, если им помешать, смогут послужить матрицами, обладающими неодолимой тягой к соединению с другой “второй половиной”, неотличимой от прежней.