Большая история. С чего все начиналось и что будет дальше

Эти тонкие потоки энергии поддерживали сложную внутреннюю структуру клеток точно так же, как ядерный синтез поддерживает структуру звезд. Как и ядерные реакции, они позволили первым живым клеткам по требованию энтропии уплачивать налоги на сложность, поскольку в клетках, как и в звездах, много энергии тратится на то, чтобы обеспечивать работу сложных структур. Но, как и в звездах, много энергии просто выбрасывается, потому что ни одна реакция не эффективна на 100 %, а энтропия, конечно, очень любит, когда это происходит. И в клетках, и в звездах сконцентрированные потоки энергии нужны, чтобы уплачивать энтропии налоги и преодолевать универсальное стремление всех вещей к деградации.

В живом организме энергия выполняет новую функцию, которой у нее нет в звездах: она создает копии клетки. Эти копии позволяют клеткам сопротивляться энтропии, сохраняя свою сложную структуру даже после смерти отдельных из них. Потомки «Луки» выработали изящные и эффективные способы воспроизведения, которыми и сегодня пользуется все живое. В основе их лежит молекула ДНК, структуру которой Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон описали в 1953 году на основе исследований, проведенных ранее Розалинд Франклин. Принцип действия ДНК так важен для эволюции, что к этой удивительной молекуле стоит присмотреться внимательнее.

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) тесно связана с РНК (рибонуклеиновой кислотой). Обе они – полимеры, длинные цепочки одинаковых молекул. Но если белки состоят из цепочек аминокислот, а мембраны – из фосфолипидов, то ДНК и РНК сделаны из длинных последовательностей нуклеотидов. Это молекулы сахара, к которым присоединены маленькие молекулярные группы, так называемые основания. Есть четыре типа оснований: аденин (А), цитозин (С), гуанин (G) и тимин (T) (в РНК тимин заменяет урацил, U). А теперь магия. Крик и Уотсон показали, что эти четыре основания можно использовать как буквы алфавита, чтобы переносить огромные количества информации. Когда молекулы ДНК или РНК соединяются в гигантские цепочки, основания торчат сбоку, образуя длинную последовательность из А, С, G и T (или U в РНК). Каждая группа из трех букв кодирует определенную аминокислоту или содержит инструкцию, например «закончить считывание». Так, последовательность TTA означает «добавить молекулу аминокислоты лейцина», а TAG – это что-то вроде знака препинания, который говорит: «сейчас можно прекратить копирование».

Считывать и копировать информацию из молекул ДНК и РНК можно, потому что основания обычно соединяются друг с другом с помощью водородных связей, которые достаточно легко образуются и рвутся. При этом соединяются они только строго определенным образом. А всегда связывается с Т (или U в РНК), а C – с G. Особые ферменты подставляют участки ДНК, соответствующие определенному гену или кодирующие определенный белок, и каждое основание притягивает свою пару, чтобы сформировать новую короткую цепочку РНК из нуклеотидов, комплементарных исходной цепочке. Затем этот новый сегмент увлекает с собой большая молекула, так называемая рибосома, своеобразная белковая фабрика. Рибосома считывает последовательность букв в тройках и штампует соответствующие аминокислоты, одну за другой, точно в таком порядке, чтобы получился определенный белок, который затем отправляется в клетку выполнять свою работу. Так рибосомы производят тысячи необходимых клетке белков.

Наконец, молекулы ДНК и РНК могут использовать эти механизмы, чтобы копировать самих себя и всю информацию, которая в них содержится. Основания, торчащие сбоку от сахарно-фосфатных цепочек, прощупывают клеточный бульон и цепляются за основания, комплементарные себе. При этом С всегда цепляется за G, а А – за Т (или U в РНК). Новые присоединенные основания привлекают новые молекулы сахара, которые соединяются вместе, образуя новую цепочку, в точности комплементарную первой. В ДНК они обычно скрепляются, и бóльшую часть времени она имеет форму двойной цепочки или спирали, похожей на две винтовые лестницы. Она может очень плотно свернуться и отлично поместиться в каждой клетке, разворачиваясь только для того, чтобы ее считали или чтобы сделать собственные копии. А РНК обычно имеет вид одинарной цепочки, так что она, как белок, может принимать определенные формы и действовать в качестве фермента.