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

Результаты эксперимента Кейрнса противоречили общепринятому принципу случайного возникновения мутаций; наоборот, они свидетельствовали о том, что мутации возникают тогда, когда для их возникновения создаются благоприятные условия. Открытие Кейрнса, казалось, доказывало поставленную под сомнение состоятельность теории эволюции Ламарка: голодающие бактерии не «отращивали длинные шеи» — они, подобно вымышленной антилопе Ламарка, реагировали на вызов, брошенный окружающей средой, развитием наследуемых модификаций организма — мутаций.

Экспериментальные открытия Кейрнса очень скоро подтвердились в ходе исследований других ученых. И все же данному феномену не находилось приемлемого объяснения в рамках современной генетики и молекулярной биологии. Науке не было известно о механизме, который позволял бактерии (или любому другому живому организму) выбирать, какие гены должны подвергнуться мутации и в какой именно момент. Открытие Кейрнса, на первый взгляд, также противоречило центральной догме молекулярной биологии, согласно которой во время транскрипции информация передается только в одном направлении: от ДНК белкам и далее во внутреннюю среду клетки или организма. Если Кейрнс оказался прав, клетки должны обладать способностью менять направление передачи генетической информации, позволяя среде влиять на то, что записано в ДНК.

Публикация статьи Кейрнса вызвала массу споров и лавину писем в редакцию журнала Nature: научная общественность стремилась понять смысл открытия. Будучи специалистом в области бактериальной генетики, Джонджо заинтересовался явлением «адаптивных мутаций», как все их стали называть. В то время он как раз читал популярную работу Джона Гриббина о значении квантовой механики «В поисках кота Шредингера»[132] и не мог не задуматься над тем, не кроется ли объяснение результатов Кейрнса в этой таинственной области, а именно в загадочных процессах квантовых измерений. Джонджо был также знаком с утверждением Левдина о том, что генетический код записан квантовыми буквами. Итак, если Левдин был прав, геном бактерий, исследуемых Кейрнсом, должен рассматриваться как квантовая система. Если это так, то попытка узнать, произошла ли мутация, будет представлять собой квантовое измерение. Может ли эффект квантового измерения объяснить довольно странные результаты исследования Кейрнса? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо подробнее рассмотреть модель его эксперимента.

Кейрнс поместил миллионы бактерий кишечной палочки E. coli[133] на поверхность желе в емкости, где из питательных веществ бактериям была доступна лишь лактоза. У бактерий одного из штаммов E. coli, которые использовал Кейрнс, был генетический сбой, из-за которого бактерии не принимали лактозу, а следовательно, подвергались голоданию в ходе данного эксперимента. Однако они не погибли; они оставались на поверхности желе. Затем произошло нечто, что очень удивило Кейрнса и вызвало множество споров среди ученых впоследствии, когда результаты эксперимента были опубликованы. Через некоторое время после начала эксперимента Кейрнс исследовал новые колонии, появившиеся на поверхности желе. В каждой колонии были бактерии-мутанты — потомки одной-единственной клетки, в которой мутация исправила ошибку в ДНК-коде дефектного гена, отвечающего за усваивание лактозы. Колонии мутантов продолжали расти на протяжении нескольких дней, пока желе из лактозы полностью не исчезло с тарелок.

Согласно одному из принципов классической теории эволюции, подтвержденному экспериментами Лурии и Дельбрюка, для эволюции одноклеточных E. coli требовалось изначальное присутствие в популяции бактерий-мутантов. Некоторые из них действительно появились в колонии в самом начале эксперимента, однако их было недостаточно для возникновения новых колоний, способных усваивать лактозу, спустя лишь несколько дней после того, как дефективные бактерии были помещены в лактозную среду (в которой мутации могли стать адаптивным преимуществом клетки, отсюда и название «адаптивные мутации»).

Кейрнс отказался от тривиальных объяснений данного явления, как, например, общая тенденция повышения частотности мутаций. Кроме того, ученый продемонстрировал, что адаптивные мутации возникают лишь в той среде, где от данной мутации будет преимущество. И все же результаты эксперимента Кейрнса не находили объяснения в рамках классической молекулярной биологии: мутации возникали с одинаковой частотой в присутствии и отсутствии лактозы. Однако в том случае, если (как утверждал Левдин) гены представляют собой квантовые информационные системы, наличие лактозы подразумевает потенциальное квантовое измерение, поскольку благодаря ему выявляется, мутирует ДНК клетки или нет, — перед нами не что иное, как явление квантового уровня, зависящее от положения одиночных протонов. Объясняются ли различия в частотности мутаций, выявленные Кейрнсом, именно наличием квантовых измерений?

Джонджо решил высказать свои соображения на одной из открытых лекций на физическом факультете Университета Суррея. Джим был среди слушателей и, несмотря на скептическое отношение к высказываемым идеям, заинтересовался ими. Мы решили работать вместе и выяснить, есть ли у предположений Джонджо квантовая подоплека. В конце концов нам удалось разработать достаточно «шаткую»[134] модель, которая, как нам кажется, способна объяснить механизм адаптивных мутаций. Описание объяснительной модели было опубликовано нами в журнале Biosystems в 1999 году[135].

Описание модели начинается с допущения того, что протонам свойственно квантово-механическое поведение. Следовательно, протоны в ДНК голодающих бактерий E. coli могут время от времени совершать скачок в таутомерическое (мутагенное) положение путем квантового туннелирования и с такой же легкостью возвращаться в исходное положение. С точки зрения квантовой механики такая система считается находящейся в суперпозиции, или одновременно в двух состояниях — туннелированном и нетуннелированном. Протон описывается в терминах волновой функции, распространяющейся в обе стороны, однако асимметрично: вероятность того, что протон находится в обычной (не мутагенной) позиции, гораздо выше, чем вероятность его перемещения в таутомерическое положение. В этой ситуации у нас нет никакого экспериментального измерительного прибора, который зафиксировал бы положение протона; процесс измерения, о котором мы подробно говорили в главе 4, осуществляется окружающей средой. Этот процесс происходит непрерывно: например, считывание ДНК механизмом синтеза белков заставляет протон «определиться», с какой стороны водородной связи ему находиться — обычной или таутомерической. В большинстве случаев протон выбирает обычное положение.