Жизнь на грани. Ваша первая книга о квантовой биологии - Джонджо МакФадден

Открытие озера под толстым слоем льда приобрело еще большее значение благодаря другому открытию, совершенному в 1980 году. За полмиллиарда миль от Земли космический аппарат «Вояджер-2» сфотографировал поверхность Европы, спутника Юпитера. Снимки позволили ученым выдвинуть правдоподобную гипотезу о существовании под ледяной поверхностью Европы жидкого океана. Если жизнь могла сохраниться на протяжении сотен тысяч лет в воде под километрами антарктического льда, возможно, и на Европе в океане, накрытом льдом, существуют некие формы жизни. Поиски живых организмов в озере Восток стали репетицией еще более захватывающих поисков внеземных форм жизни.

Бурение было приостановлено в 1996 году, когда до поверхности озера оставалось около 100 метров льда: нельзя было допустить контакта древней подледной воды с пропитанной керосином буровой головкой, на которой могли находиться микроорганизмы и вещества с поверхности Земли. Тем не менее был изучен состав озерного льда, взятого из других скважин. Термальные источники влияют на озеро таким образом, что его вода под покровом ледника то замерзает, то оттаивает. Этот процесс продолжается с тех пор, как озеро навсегда покрылось льдом, так что самый нижний слой льда — это не ледниковый лед, а замерзшая озерная вода, или аккреционный лед. Слой аккреционного льда над водой озера Восток достигает нескольких десятков метров. Несколько скважин, пробуренных ранее, достигли глубины, на которой залегал аккреционный лед, и в 2013 году впервые были опубликованы результаты подробного исследования образцов замерзшей воды озера Восток[118]. Основной вывод статьи заключался в следующем: скрытое подо льдом озеро является средой обитания сложной системы организмов — как одноклеточных бактерий, грибов и простейших, так и более сложных животных — моллюсков, червей, анемонов и даже членистоногих. Ученым даже удалось определить особенности метаболизма этих существ, а также их вероятные места и условия обитания.

Однако в данной главе мы хотим подробнее поговорить не об удивительной экосистеме озера Восток, а о том, как любая экосистема может сохраниться в изоляции на протяжении тысяч и даже миллионов лет. Озеро Восток и правда представляет собой модель всей нашей планеты, которая, по сути, оказалась изолированной от внешних воздействий, за исключением солнечных фотонов, на четыре миллиарда лет и все же сохранила богатую и многообразную экосистему, несмотря на угрозы извержений крупных вулканов, столкновений с астероидами и изменений климата. Как же удается жизни — невероятно сложной и многообразной — выносить все испытания, уготованные окружающей средой, и сохраняться на протяжении тысяч и даже миллионов лет?

Ключ к пониманию этой тайны кроется в образце вещества, которое было изучено командой биологов, работающих на станции и озере Восток, — в нескольких микрограммах химического соединения, извлеченного из замерзшей озерной воды. Это вещество играет главную роль в непрерывности и многообразии жизни на нашей планете и состоит из самых необычных молекул, известных во Вселенной. Мы называем это вещество ДНК.

Образцы ДНК, полученные из замерзшей воды озера Восток, исследовали ученые из Университета Боулинг Грин, США. Для расшифровки последовательности из миллионов фрагментов молекул ДНК, извлеченных из воды озера Восток, ученые применили технологию секвенирования, которая ранее использовалась для расшифровки генома человека. Затем они сравнили ДНК из озера Восток с данными из базы, содержащей информацию о последовательности генов в геномах тысяч организмов, обитающих на нашей планете. Было обнаружено, что многие последовательности генов в образцах озера Восток идентичны или почти совпадают с генами бактерий, грибов, членистоногих и других существ, живущих и надо льдом, особенно в холодных озерах и глубоких и темных морских тоннелях, то есть в условиях, вероятно немного приближенных к среде озера Восток. Сходства генов позволили ученым выдвинуть вполне обоснованные предположения о природе и образе жизни существ, оставивших образцы ДНК глубоко подо льдом.

Однако не забывайте, что организмы, обитавшие в озере Восток, попали в ледовый плен на сотни тысяч лет. Сходства последовательностей ДНК этих организмов с последовательностями геномов существ, обитающих на поверхности Земли, объясняются наличием у них общих предков, которые населяли Антарктиду до того, как она превратилась в ледовый континент. Последовательности генов предков, таким образом, копировались организмами, обитающими подо льдом и на поверхности Земли на протяжении жизни тысяч поколений. И все же, несмотря на многочисленные случаи копирования на протяжении сотен тысяч лет, некоторые гены остались неизмененными. Каким-то удивительным образом сложная генетическая информация, которая определяет форму, отличительные признаки и функции организмов, живущих на Земле и в воде подо льдом, надежно, практически без ошибок передавалась из поколения в поколение на протяжении сотен тысяч лет.

Способность генетической информации надежно копировать себя и передаваться из поколения в поколение (эту способность мы и называем наследственностью), безусловно, играет главную роль в сохранении жизни. Гены — особые участки ДНК — кодируют белки и ферменты, которые в процессе метаболизма создают биомолекулы всех возможных живых клеток — от фотосинтетических пигментов растений и бактерий до обонятельных рецепторов животных и загадочных внутренних магнитных компасов птиц, одним словом, отвечают за любой признак живого организма. Многие биологи утверждают, что самокопирование является основной отличительной чертой жизни. Однако живые организмы не могли бы создавать копии самих себя, если бы они не были способны сперва копировать инструкции к самокопированию. Таким образом, жизнь возможна именно благодаря процессу наследственности — высококачественному копированию генетической информации. В главе 2 мы говорили о том, что тайна наследственности (то, каким образом генетическая информация может надежно передаваться из поколения в поколение) была той самой загадкой, которая убедила Эрвина Шредингера в том, что гены являются квантово-механическими сущностями. Но был ли он прав? Объясняет ли квантовая механика механизм наследственности? Поговорим об этом подробнее.

Мы принимаем как должное способность живых организмов копировать геномы с высокой точностью, однако на самом деле это один из удивительнейших и важнейших аспектов жизни. Ошибка в копировании ДНК (иными словами, мутация) случается в одном случае на миллиард. Чтобы представить себе уровень точности копирования информации, вообразите весь текст этой книги: приблизительно миллион букв, знаков препинания и пробелов. Теперь представьте тысячу книг такого же объема на библиотечных полках. Вы получаете задание точно скопировать тексты тысячи книг, каждую буковку и каждый пробел. Как вы думаете, сколько ошибок вы сделаете? Именно этим и занимались средневековые переписчики, вручную копировавшие тексты до изобретения печатного станка. Несмотря на старания, переписчики допускали (и это неудивительно) много ошибок, что видно из множества несходных копий одних и тех же средневековых текстов. Безусловно, компьютеры способны копировать информацию с высокой точностью, однако это возможно только благодаря современным электронным цифровым технологиям. Представьте, что копировальная машина создана из влажного, вязкого материала. Сколько, по-вашему, ошибок такая машина совершит при считывании и записи скопированной информации? Если этот влажный, вязкий материал представляет собой одну из клеток вашего организма, в которой информация кодируется с помощью ДНК, то вероятность ошибки — менее одной на миллиард.