Что такое жизнь? Этот вопрос стал движущей силой развития генетики (от греческого genetikos — «относящийся к рождению, происхождению») — науки о происхождении жизни, в центре внимания которой вот уже более 50 лет находится молекула ДНК.
Открытие, которое перевернуло мир
«Мы только что открыли секрет жизни!» — так 28 февраля 1953 года Френсис Крик и Джеймс Уотсон сообщили о своем открытии структуры ДНК.
Что нового привнесло оно в науки о жизни? До этого было известно, что ДНК — большая молекула, в которой с помощью «четырехбуквенного алфавита» записана информация о строении и свойствах живых существ. Но оставалось непонятным, как эта информация передается из поколения в поколение и материализуется в эти самые структуры и свойства, а также какова пространственная структура ДНК.
Разгадка структуры ДНК помогла ученым понять механизмы ее копирования и материализации. ДНК состоит из двух цепей, которые комплементарны (дополнительны) друг другу. Копирование ДНК происходит за счет достраивания на каждой исходной цепи ДНК, как на матрице, дополнительной к ней копии. Так из одной двойной спирали ДНК получаются две абсолютно идентичные ей двойные спирали, что и необходимо для сохранения генетической информации при делении материнской клетки на две дочерние. Матричный принцип лежит также в основе поэтапной материализации генетической информации: на одной из цепей ДНК образуется комплементарная ей цепь другой информационной молекулы — РНК, которая, в свою очередь, служит матрицей для синтеза белков, от количества и качества которых зависят структуры и свойства конкретного организма.
Насколько это открытие значимо для постижения тайны жизни? С одной стороны, знания структуры ДНК явно недостаточно для того, чтобы ответить на вопрос «что такое жизнь?». Но с другой — именно это открытие сделало «научным» очень древний и очень важный вопрос о взаимосвязи потенциального и проявленного — на примере связи информации о структурах и свойствах организма с самими структурами и свойствами. И не только поставило этот вопрос, но и дало ключ к ответу на него. Этот ключ — матричный принцип, принцип комплементарности.
Путь от гена до признака
Что означает классическая фраза из учебника: «ДНК — носитель генетической информации»? Как генетическая информация связана со структурой ДНК? Каким образом информация воплощается в конкретных свойствах организма? Если за точку отсчета генетической информации принять структуру ДНК и далее следовать структурной модели, то путь от гена до признака будет выглядеть так: в последовательности ДНК зашифрованы все свойства организма; линейная структура конкретного гена однозначно определяет линейную структуру соответствующего ему белка, которая, в свою очередь, однозначно определяет роль этого белка в формировании того или иного признака. Другими словами, «ДНК рождает РНК; РНК рождает белок, а белок рождает нас с вами» (Ф. Крик). Если это верно, то для того, чтобы изменить тот или иной признак (например, вылечить болезнь, имеющую генетические корни), достаточно установить соответствующую ему последовательность участка ДНК и исправить ее. Но так ли все просто? Достаточно ли знаний (хотя они бесспорно верны и необходимы!) о структурных соответствиях на пути от гена к признаку, для того чтобы понять и воспроизвести этот путь?
Последние достижения генетики показали, что недостаточны. В 2003 году в рамках проекта «Геном человека» была полностью определена линейная структура ДНК человека (и многих других простых и сложных организмов). Как сказал один из ученых, «прочитаны все буквы, которыми написана толстая книга, теперь еще понять бы слова и их смысл». Выяснилось, что собственно генов (участков ДНК, кодирующих белки) у человека около 30 000, и это лишь 1–3% всей ДНК! Столько же генов у растения Arabidopsis taliana и рыбы фугу. Более того, 99% генов человека совпадают с генами мыши, то есть человек имеет всего 300 генов, которых нет у мыши. (Трудно представить, что у нас и мышей одинаковы еще и 99% признаков!)
Дальше — больше. Оказалось, что однозначная взаимосвязь между геном и белком существует только у бактерий. А у человека возможно образование многих белков на основании одного гена (максимально известное сегодня число разных белков, кодируемых одним геном, — 40 000!) и возникновение многих функций у одного белка. Получается, что путь от потенциального к проявленному, от генетической информации к признаку отнюдь не линейный; что каждый признак является результатом сложных взаимодействий многих генов и их продуктов-белков; что само понятие «ген» из-за своей неоднозначности вряд ли может служить «отправным пунктом» этого пути.
Взаимодействие структур
Тело человека состоит из 1014 клеток. Все они имеют абсолютно одинаковую ДНК, но существенно различаются по форме, размерам и своим задачам. Разрешение этого парадокса — в избирательном считывании генетической информации. В каждой клетке активными являются только те гены, которые ей в данный момент необходимы. Избирательность обеспечивают специальные гены-регуляторы, которые разрешают или запрещают считывание информации с того или иного участка ДНК. Активность гена зависит и от его окружения в пространстве клеточного ядра. Смена окружения, вызванная перемещением самого гена или кого-то из его соседей, способна изменить его активность («выключить» или «включить» ген). Например, в геноме человека есть масса потенциально опасных вирусных генов и протоонкогенов (способных вызвать раковое перерождение клетки). Они могут долгое время (и всю жизнь) вести себя вполне мирно и даже работать на благо клетки, до тех пор пока перемещение их самих или кого-то из окружения не выявит в этих генах агрессивные потенциалы. К счастью, могут произойти другие перемещения, которые утихомирят «бунтовщика» или включат защитные механизмы.
Итак, носитель генетической информации переместился с уровня гена (конкретного участка ДНК) на эпигенетический (от латинского «над», «сверх») уровень взаимодействия генов между собой и с другими структурами ядра клетки (99% негенной ДНК и белками). Предположим, наука расшифрует механизм этого взаимодействия. Приведет ли это к раскрытию тайны жизни? Жизнь — это только лишь структура? А если нет, стоит ли в поисках разгадки тайны жизни ограничиваться взаимодействием структур?
Кто сторожит сторожа?
Как из единственной клетки в результате 46 делений получается не бесформенная масса из 1014 клеток, а весьма характерное тело каждого из нас? Последовательно удваиваясь, клетки не только сами становятся разными, но еще и формируют разные части тела в нужное время и в нужном месте. Что управляет организацией клеток во времени и пространстве? Целое, которое качественно больше простой суммы составляющих его частей-клеток. И это не противоречит тому, что организм образуется из одной клетки, — вопрос в том, что для этой клетки воплощает «волю целого». Поиски подобного упорядочивающего фактора вылились в начале XX века в концепцию морфогенетического поля. Ее основоположником стал русский ученый А.Г. Гурвич.
Когда Гурвич работал над теорией поля, молекула ДНК считалась составной частью хромосом, и ей не придавали особого значения. В 1944 году ученый опубликовал свой труд «Теория биологического поля». Этот год стал судьбоносным для всей генетики, определив путь ее развития на несколько десятилетий вперед. В центре внимания ученых оказалась молекула ДНК, поскольку было доказано, что именно ей принадлежит ведущая роль в передаче наследственной информации. Не за горами был и 1953-й... В результате все свое внимание наука сосредоточила на структуре ДНК, которую фактически стала отождествлять с переносимой ею информацией, а теория биологического поля оказалась не в почете. Но исследования в этой области продолжались, и все эти годы два пути познания тайны жизни шли параллельно...
Переход в новое тысячелетие изменил соотношение сил в науках о жизни. Все больше ученых приходят к тому, что структурный ключ в познании живого необходим, но недостаточен; что разные подходы не исключают друг друга, а образуют объединенный путь научного поиска; что по сути своей структурный подход и теория поля комплементарны. Вспомним: именно предположение о комплементарности цепей ДНК стало ключом к расшифровке ее структуры, а само открытие 1953 года оказалось возможным благодаря комплементарности усилий представителей разных областей науки — физиков, химиков, биологов. Может быть, объединенная наука нового тысячелетия не только окончательно примирит разные научные подходы (например, структурный и полевой), но и обратится к плодам «ненаучного» пути познания тайны жизни — тысячелетней мудрости человечества, — «ненаучного», поскольку этот путь уходит корнями в те времена, когда науки не было и в помине. Обращение к источникам древней мудрости способно дать науке ключи от двери, за которой скрыта тайна. Но чтобы это произошло, столь разные пути познания должны где-то «пересечься». Одним из таких «перекрестков» может стать концепция формообразующего поля (биологического, морфогенетического, информационного), выросшая на почве современной науки и восходящая к явлениям, рассматривавшимся в древних источниках. Последние говорят о том, что человек состоит из нескольких тел, или принципов, которые не являются отдельными, независимыми частями, а взаимопроникают и взаимоформируют друг друга; что видимое, плотное, физическое тело является проводником, носителем более тонкоматериальных тел, которые с его помощью проявляются в физическом мире и взаимодействуют с ним; что «сборкой» — формированием физического тела из элементов физической материи — управляет самое «плотное» из этих тел, астральное тело-прообраз (план, матрица).
Современная наука знает, что каждая вновь образовавшаяся клетка участвует в формировании организма согласно индивидуальной «инструкции» (активные, или включенные, гены) и что у родителя и у потомков этой клетки могут быть совсем другие «инструкции». Но что и как согласует переключения индивидуальных «программ» развития миллиардов клеток, пока не ясно. Теория биологического поля предполагает, что согласование есть функция целого, которое и является тем самым полем, матрицей или моделью; что каждая вновь образовавшаяся клетка с помощью собственного генетического аппарата подключается к единому «плану» развития организма, получает оттуда индивидуальные «инструкции» и реализует их в рамках собственной программы поведения. Получается, что генетический аппарат клетки состоит, как минимум, из трех функциональных блоков: воспринимающей «антенны», «пульта управления» активностью генов и «исполнительной» части — генов, ответственных за образование конкретных белков. Вспомним, что на долю генов приходится всего 1–2% от всей клеточной ДНК. В оставшихся 98–99% ДНК уже обнаружены структуры, относящиеся ко второму «управляющему блоку». А что играет роль «антенны»? Где происходит «встреча двух миров» — информационного поля и генетических структур, воплощающих эту информацию в конкретное физическое тело?
Мост от потенциального к проявленному
Почему бы не предположить, что роль антенны, способной улавливать, трансформировать и передавать сигналы волновой природы, тоже играет ДНК? К этому располагает и спиральная структура «молекулы жизни» (многие технические антенны имеют форму спирали), и такие ее свойства, как способность проводить электрический ток, возможность резонансного возбуждения продольных колебаний под действием радиоволн, а также способность к лазерной генерации света после предварительной «накачки».
Если ДНК может работать на прием информации, обеспечивающей жизненную активность клеток, то ей вовсе не обязательно постоянно хранить эту информацию в своей структуре. Как, например, мозгу человека, чтобы успешно управлять системами жизнеобеспечения организма, не обязательно быть «вместилищем» разума, а достаточно играть роль посредника между сознанием и телом: он воспринимает информацию из плана сознания и «переводит» ее на язык управления телом.
И ясно, почему в случае повреждений структуры ДНК (или мозговых структур) страдает физическое тело. Ведь всем известно, что при неисправности в телевизоре хотя бы одной детали изображение на его экране сильно искажается, а если телевизор лишить антенны или выключить его из сети, на экране вообще ничего не появится.
ДНК — связующее звено между «моделью» физического тела и ее конкретным воплощением. Мозг — посредник между разумом и телом. Разум связывает жизнь и форму ее проявления и позволяет жизни, заключенной в форме, познавать саму себя. С помощью этого замечательного инструмента человек имеет возможность изучать окружающий мир и находить в нем ключи к познанию своего внутреннего мира. Так рождается объединенный путь, ведущий к познанию тайны жизни. Ибо человек есть величайшая из тайн — тайна взаимосвязи земли и неба.
Дополнительно:
Увлекшись структурой ДНК, молекулярно-биологический мир как-то забыл, что главный вопрос, на который он должен был бы ответить, — это вопрос, задаваемый всеми поколениями мыслителей: «что такое жизнь?». Открытие структуры ДНК было одним из самых крупных шагов в этом поиске. К сожалению... столь необходимый шаг все-таки очень недостаточен для ответа на главный вопрос о феномене жизни. Но благодаря ДНК наука получила такой импульс, что, возможно, сегодня мы можем попытаться ответить на него.
Е.Д. Свердлов, академик,
директор Института молекулярной генетики
Пространственная модель ДНК
ДНК состоит из двух цепей, закрученных одна вокруг другой. Каждая цепь построена из четырех «букв», нуклеотидов, — повторяющихся элементов четырех типов. Каждый нуклеотид состоит из фосфатной группы, сахара и одного из четырех азотистых оснований. Получается двойная спираль, по форме напоминающая веревочную лестницу. Роль «веревок» в ней играют сахарофосфатные остовы обоих цепей, а роль «перекладин» — азотистые основания. Каждая «перекладина» состоит из двух оснований, присоединенных к двум противоположным цепям и связанных между собой водородными «мостиками» по принципу ключ-замок.
Ген — это участок ДНК, кодирующий полную аминокислотную последовательность какого-либо белка. Термин (от греческого genos — «происхождение») в 1909 году ввел датский ботаник В.Л. Иогансен, имея в виду «участок хромосомы, контролирующий какую-то характеристику».
Геном — это совокупность всей наследственной информации организма. В состав генома человека входит 46 хромосом ядра клетки и митохондриальная ДНК.
Проект «Геном человека» (1991–2003) — полная расшифровка последовательности нуклеотидов в ДНК Homo sapiens.
Реальный вызов биологии человека, идущий далее простого выяснения, как гены дирижируют конструкцией и поддержанием нашего тела, ждет нас впереди. Мы должны понять, как наше сознание пришло к такой высокой организации, чтобы начать исследовать наше существование.
К. Вентер, руководитель группы ученых,
расшифровавших геном человека
Поле — это особая форма материи, связывающая частицы вещества в единые системы и передающая с конечной скоростью действия одних частиц на другие.
Морфогенез (от греческого morphe — «форма» и genesis — «происхождение, возникновение») — возникновение новых форм и структур в процессе развития.
Некоторые положения теории поля Гурвича
В основе процесса формирования организма лежит принцип соподчинения элементов единому целому. Целое — единое поле организма, несущее всю необходимую информацию о его строении; «план», определяющий и направляющий пространственное распределение клеток. Единое поле организма есть сумма полей составляющих его клеток. Источник поля каждой клетки находится в хромосомах.