До конца времен. Сознание, материя и поиск смысла в меняющейся Вселенной - Брайан Грин

Углубившись в отдельную клетку кролика, мы обнаружим, что и в куда меньшем масштабе работают те же идеи. Подавляющее большинство функций клетки выполняется белками — большими молекулами, которые катализируют и регулируют химические реакции, переносят необходимые вещества и управляют конкретными проявлениями, такими как форма и движение клетки. Белки строятся из различных комбинаций 20 элементов меньшего размера, аминокислот, примерно так же, как слова английского языка складываются из 26 букв.

И как для появления осмысленных слов буквы должны выстраиваться в определенном порядке, так и пригодные для использования белки требуют, чтобы аминокислоты связывались в цепочки в определенной последовательности. Если сборку белка оставить на волю случая, вероятность того, что нужные аминокислоты столкнутся друг с другом в последовательности, необходимой для получения конкретного белка, будет близка к нулю. Число способов, которыми 20 различных аминокислот можно связать в длинную цепочку, делает это очевидным: для цепочки из 150 аминокислот (небольшая белковая молекула) существует около 10195 вариантов расстановки — намного больше, чем частиц в наблюдаемой Вселенной. И как пресловутая группа обезьян, без устали колотящих по клавиатуре и печатающих случайные буквы, не сможет напечатать что-нибудь более объемное, чем «Быть или не быть», так и слепой случай не в состоянии создать конкретные белки, необходимые для жизни.

На самом деле для синтеза сложных белков требуется набор инструкций, которые пошагово определяют этот процесс: прицепить эту аминокислоту к той, затем добавить вот эту, следом вон ту и так далее. То есть для синтеза белков требуется клеточное «программное обеспечение». И внутри каждой клетки такие инструкции имеются. Они закодированы в ДНК — химическом соединении, поддерживающем жизнь, геометрическую архитектуру которого открыли Уотсон и Крик.

Каждая молекула ДНК имеет форму знаменитой двойной спирали, длинной закрученной лестницы, перекладины которой состоят из парных опор — более кротких молекул, называемых основаниями и обычно обозначаемых А, Т, Г и Ц (формальные названия значения для нас не имеют, но этими буквами обозначаются аденин, тимин, гуанин и цитозин). Члены одного биологического вида имеют по большей части одинаковую последовательность букв. У человека ДНК-последовательность насчитывает около 3 млрд букв, причем ваша последовательность отличается от последовательности Альберта Эйнштейна, или Марии Кюри, или Уильяма Шекспира, или кого угодно другого меньше чем на четверть процента — примерно на одну букву каждой цепочки из 500 букв25. Но, радуясь тому, что вы обладаете геномом, настолько близким к геному любой из самых уважаемых знаменитостей в истории (и самых отъявленных негодяев тоже), также обратите внимание, что ваша ДНК-последовательность на 99 % совпадает с ДНК-последовательностью любого шимпанзе26.

Небольшие генетические различия могут приводить к очень серьезным последствиям.

При формировании перекладин лестницы ДНК основания соединяются в пары по строгому правилу: брусок А на одной стороне лестницы соединяется с бруском Т на другой стороне, а брусок Г соединяется с бруском Ц. Таким образом, цепочка оснований на одной стороне лестницы однозначно определяет цепочку на второй стороне. И именно в цепочке букв мы обнаруживаем, помимо другой жизненно важной клеточной информации, инструкции, определяющие, какие аминокислоты будут связаны с какими, и управляющие синтезом видоспецифичного набора белков, без которого не может обойтись эта форма жизни.

Вся жизнь кодирует инструкции по строительству белков одинаковым способом27.

Приведем в одном абзаце — возможно, слишком детализированном — описание работы этого алгоритма, молекулярной азбуки Морзе, прочно встроенной в жизнь. Группы из трех последовательных букв на одной и той же нити ДНК обозначают одну конкретную аминокислоту из 20 существующих28. К примеру, последовательность (триплет) ЦТА обозначает аминокислоту лейцин; триплет ГЦТ обозначает другую аминокислоту, аланин; триплет ГТТ обозначает валин и так далее. Если бы вы рассматривали перекладины на сегменте одной нити ДНК и считали бы оттуда последовательность ЦТАГЦТГТТ, это означало бы следующую инструкцию: присоединить лейцин (первый триплет, ЦТА) к аланину (второй триплет, ГЦТ), который затем присоединить к валину (третий триплет, ГТТ). Белок, построенный, скажем, из тысячи связанных в цепочку аминокислот, должен быть закодирован конкретной последовательностью из 3000 букв (начало и конец любой такой последовательности также кодируется конкретными трехбуквенными цепочками, примерно как заглавная буква и точка обозначают начало и конец этого предложения). Такая последовательность составляет ген — программу сборки какого-либо белка29.

Я изложил здесь эти подробности по двум причинам. Во-первых, наглядное представление кода делает концепцию клеточного программного обеспечения более явной. Имея сегмент ДНК, мы можем считать инструкции, которые управляют внутренней деятельностью клетки и организуют сложнейшую координацию, которая полностью отсутствует у неодушевленной материи. Во-вторых, наглядное представление кода помогает понять, что имеют в виду биологи, когда называют этот код универсальным. Каждая молекула ДНК, принадлежащая хоть морской водоросли, хоть Софоклу, кодирует информацию, необходимую для строительства белков, одинаковым способом.

Это и есть единство информации.

Единство энергии

Как паровая машина нуждается в постоянном снабжении энергией, чтобы раз за разом выталкивать поршень, так и жизнь требует постоянного снабжения энергией, чтобы выполнять необходимые функции, от роста и ремонта до движения и размножения. Для паровой машины мы извлекаем энергию из окружающей среды. Мы сжигаем уголь, дерево или какое-то другое топливо, и полученная теплота поглощается внутренним механизмом машины, заставляя пар расширяться. Живые существа также извлекают энергию из окружающей среды. Животные извлекают ее из пищи, растения — из солнечного света. Но, в отличие от паровой машины, жизнь не обязательно использует эту энергию сразу же, на месте. Жизненные процессы сложнее расширения и сжатия пара, и потому им необходима более совершенная система доставки и распределения энергии. Жизнь нуждается в том, чтобы энергию сжигаемого ею топлива можно было запасать и выдавать надежно и регулярно по мере того, как у составляющих клетки появляется в ней нужда.

Все живое решает проблему извлечения и распределения энергии одинаково30.

Универсальное решение, которое выработала жизнь (сложную цепочку процессов, происходящих прямо сейчас внутри вас и меня — и, насколько нам известно, всего остального, что живет), можно отнести к числу самых поразительных достижений природы. Жизнь извлекает энергию из окружающей среды посредством своеобразного медленного химического горения и запасает эту энергию впрок, заряжая встроенные во все клетки биологические аккумуляторы. Затем эти клеточные батареи обеспечивают стабильный источник электричества, которое клетки используют для синтеза молекул, специально предназначенных для переноса и доставки энергии к каждому компоненту клетки.

Такая система может казаться сложной. Она и в самом деле сложна. Но при этом жизненно необходима. Поэтому давайте коротко опишем ее. Если вы чего-то не поймете, ничего страшного. Даже беглый взгляд позволит увидеть те чудесные средства, при помощи которых жизнь обеспечивает функционирование своих механизмов.