Большинство людей делит мир на две части: живое и неживое. Булыжник просто лежит. Бабочка летает, ищет нектар, спасается от птицы, откладывает яйца. В её поведении есть цель. Кажется, что внутри теплится некая загадочная искорка — то, чего нет у камня. Этот тип мышления называется витализмом. Он восходит к Аристотелю и Галену, и даже самым рациональным из нас трудно от него отказаться. Когда кто-то умирает, кажется, что из тела уходит та самая искра. Но автор убежден: магия здесь не нужна. Жизнь можно объяснить физикой и химией — пусть невиданной, высокоупорядоченной, уровень сложности которой несопоставим с процессами в неживой материи. Для него такое объяснение повергает в больший трепет, чем любая вера в таинственные силы.
От пивоварни к Нобелевской премии
Идея, что жизнь есть химия, родилась из исследований ферментации. И у автора с ней особая связь. В семнадцать лет он закончил школу, но не мог поступить в университет — умудрился шесть раз завалить экзамен по французскому. Мировой рекорд, шутит он. Вместо вуза пошел работать лаборантом в микробиологическую лабораторию при пивоваренном заводе. Его босс Вик Ниветт (который, между прочим, в свободное время увлекался грузинскими танцами и однажды вечером отплясывал на лабораторной скамье) предложил восемнадцатилетнему парню исследовательский проект по заражению куриных яиц сальмонеллой. Это был восторг. Через год преподаватель из Бирмингемского университета уговорил руководство закрыть глаза на языковые слабости абитуриента. В 1967 году автор приступил к изучению биологии. А спустя тридцать пять лет французский президент вручил ему орден Почетного легиона за исследования дрожжей. Пришлось произносить благодарственную речь на языке, который он когда-то ненавидел.
Лавуазье и гильотина
Научное изучение ферментации началось с Антуана Лавуазье, основателя современной химии. Он первым понял, что ферментация — это химическая реакция, в которой сахар превращается в спирт. Лавуазже предположил существование некоего «фермента», но не мог сказать, что это такое. В мае 1794 года Лавуазье сложил голову на гильотине. Судья на политическом процессе, напоминавшем фарс, заявил: «Республика не нуждается в ученых и химиках». Автор замечает: нам, ученым, следует относиться к политикам с осторожностью, особенно когда они пренебрегают мнением экспертов.
Пастер и микроскоп-детектив
Почти полвека спустя виноделы обратились к Луи Пастеру. Их продукция портилась: вместо спирта получалась едкая кислота. Пастер взялся за расследование. Он посмотрел в микроскоп. В чанах, где получался спирт, были дрожжевые клетки. Некоторые почковались — размножались. В чанах со скисшим продуктом дрожжей не было. Пастер сделал вывод: трудноуловимый фермент — это живые дрожжи. Какой-то другой микроб, возможно бактерия, производил кислоту.
Он обобщил: химические реакции не просто интересная черта жизни клетки — это одно из определяющих жизнь явлений. «Химические реакции являются выражением жизни клетки», — сказал Пастер.
Сегодня мы называем совокупность этих реакций метаболизмом. Это основа всего, что делают живые существа: поддержание жизни, рост, размножение, источник энергии.
Бертло и неодушевленный фермент
Следующий шаг сделал Марселен Бертло. Он растер дрожжевые клетки и из остатков выделил вещество, которое продолжало работать вне клетки. Оно запускало реакцию, превращая сахарозу в глюкозу и фруктозу, но само не расходовалось. Бертло назвал его инвертазой. Инвертаза — фермент. Катализатор, который ускоряет химические реакции. Без ферментов важнейшие для жизни процессы не происходили бы при низких температурах и мягких условиях клетки. Открытие ферментов заложило основы современной биологии.
Полимеры: углеродное Lego
Большинство ферментов состоят из белков — длинных цепочек, полимеров. Полимеры — основа химии жизни. И построены они всего из пяти элементов: углерода, водорода, кислорода, азота и фосфора. Главный среди них — углерод. Атом водорода может образовать только одну связь. Атом углерода — четыре. Это позволяет строить длинные цепи, соединяя атомы углерода с другими атомами углерода. Получаются макромолекулы. ДНК в каждой хромосоме достигает нескольких сантиметров, соединяя миллионы атомов углерода в одну невероятно тонкую нить. Белки короче — от сотен до тысяч атомов углерода. Но они химически разнообразнее ДНК. Каждый белок — цепочка из аминокислот. Их двадцать видов, у каждой своя боковая молекула, придающая особые свойства: одни заряжены, другие отталкивают воду, третьи легко образуют связи. Когда линейная цепь собрана, она сворачивается в сложную трехмерную структуру. Каждый белок принимает одну и ту же определенную форму. Скачок от одномерности к трехмерности означает, что у каждого белка есть уникальный набор химических свойств. Клетки могут синтезировать ферменты, которые идеально подходят к веществам, на которые воздействуют, как инвертаза подходит к сахарозе.
Город внутри клетки
В одной дрожжевой клетке — свыше 40 миллионов белковых молекул. Вдвое больше, чем людей в Пекине. Результат — водоворот химических реакций. Молекулы сталкиваются, обмениваются электронами, образуют или разрывают связи. В клетке происходят тысячи разных реакций. Для сравнения: на заводе по производству пластмасс — несколько десятков. Некоторые ферменты работают с поразительной скоростью: тысячи, даже миллионы реакций в секунду. Они манипулируют отдельными атомами с точностью, о которой химики-технологи могут только мечтать. Эволюция совершенствовала эти процессы миллиарды лет.
Но как все эти реакции не мешают друг другу? Ответ — деление на зоны.
Город эффективен, когда есть жилые кварталы, вокзалы, заводы, больницы, полицейские участки. Если всё смешается, наступит хаос. Так же и в клетке. Самые маленькие зоны — поверхности самих ферментов. Там, где фермент встречается со своим субстратом, создается изолированная микросреда. Продукт одной реакции становится субстратом для следующей — так работают метаболические пути, похожие на заводские конвейеры. Следующий уровень — молекулярные машины. Некоторые белки используют химическую энергию, чтобы двигаться. Они «ходят» по клетке, как миниатюрные роботы, доставляя грузы по белковым «железным дорогам». Другие молекулярные моторы обеспечивают силу для расхождения хромосом и деления клеток. Совместные усилия миллиардов таких моторов во многих миллионах мышечных клеток приводят в движение крылья бабочек, позволяют глазам следить за текстом, а гепардам — развивать сумасшедшую скорость.
Рибосомы и ядро
Выше уровня отдельных ферментов — группы белков, образующие клеточные устройства. Рибосомы, где синтезируются белки, — это несколько десятков белков и молекул РНК. В каждой клетке — несколько миллионов рибосом. Они читают генетический код и за минуту собирают белок из трехсот аминокислот. Органеллы — следующий уровень. Ядро занимает лишь 10% объема клетки, но в нем упакована полная копия ДНК — 22 000 генов. Если растянуть, получится два метра.
Энергия: от солнца до АТФ
Вся эта деятельность требует энергии. Большинство форм жизни получают ее от солнца через хлоропласты — органеллы растений и водорослей. В них происходит фотосинтез: энергия света превращает воду и углекислый газ в сахара и кислород. Углерод, из которого построены наши тела, в конечном счете поступает из углекислого газа, извлеченного из воздуха фотосинтезом. Фотосинтез изменил историю планеты. Жизнь возникла около 3,5 миллиарда лет назад, используя энергию геотермальных источников. Кислорода в атмосфере не было. Когда у микробов развился фотосинтез, уровень кислорода резко вырос. Между 2 и 2,4 миллиарда лет назад произошла Великая кислородная катастрофа: большинство микробов погибло, отравленные собственными отходами. Жизнь чуть не уничтожила себя. Выжившие приспособились. Теперь мы зависим от кислорода. Клеточное дыхание — обратная фотосинтезу реакция: сахар реагирует с кислородом, давая воду, углекислый газ и энергию. Последние этапы происходят в митохондриях.
Турбины внутри нас
Британский биохимик Питер Митчелл первым понял, как митохондрии производят энергию. Он основал частную лабораторию в болотистой местности на юго-западе Англии — решение, которое некоторые называли стопроцентным британским заскоком. Автор встретился с ним, когда тому было за семьдесят, и был поражен его любознательностью и тем, как он игнорировал скептиков. Митчелл доказал: ключевой процесс — движение протонов (атомов водорода без электрона) через мембрану. Протоны выталкиваются из центра митохондрии в щель между двумя мембранами, создавая заряд. Это как перекачка воды для заполнения плотины. Затем протоны мчатся обратно через белковые каналы — молекулярные «турбины», уменьшенные в миллиарды раз. Поток вращает ротор, который создает молекулу АТФ — аденозинтрифосфата. Со скоростью 150 реакций в секунду. АТФ — универсальная энергетическая валюта жизни. Каждая молекула — как миниатюрный аккумулятор. Когда нужна энергия, клетка разрывает связь, высвобождая заряд. Митохондрии вашего тела каждый день производят АТФ в количестве, равном весу вашего тела. Биение пульса, теплота кожи, подъем грудной клетки — всё это работает на АТФ. Если и есть что-то отдаленно напоминающее «искру жизни», это поток протонов через мембрану. Но в этом нет мистики — это хорошо известный физический процесс.
Момент истины: cdc2 и CDK
Когда автор открыл ген cdc2, управляющий клеточным циклом дрожжей, он хотел понять, что делает этот ген. Потребовался переход от генетики к биохимии — от абстрактного к механистичному. Выяснилось: белок cdc2 — это протеинкиназа, фермент, который добавляет к другим белкам фосфатную группу. Но чтобы заработать, он должен соединиться с белком-активатором — циклином. Вместе они образуют комплекс CDK (циклин-зависимая протеинкиназа). Циклин получил название потому, что его концентрация циклически меняется в течение клеточного цикла, включая и выключая комплекс в нужное время. Активный CDK фосфорилирует множество белков одновременно, меняя их форму и свойства. Это как переключатель. Процессы копирования ДНК и расхождения хромосом требуют согласованной работы многих ферментов, и CDK координирует их, фосфорилируя все разом. Автор называет это моментом истины. Пятнадцать лет работы десяти сотрудников лаборатории, плюс исследования по всему миру на морских звездах, дрозофилах, лягушках, мышах и людях — и стало ясно: механизм управления клеточным циклом одинаков у всех эукариот, от дрожжей до человека.
Главный вывод
Жизнь возникает из относительно простых реакций сцепления и отталкивания, создания и разрыва связей. Эти процессы, действуя в миниатюрном масштабе, объединяются, чтобы создать бактерий, плавающих в воде, лишайники на скалах, цветы в саду, порхающих бабочек, вас и меня, способных писать и читать эти страницы. Современные технологии позволяют секвенировать ДНК, подсчитывать тысячи белков, описывать жиры и сахара в клетке. Но, как сказал Сидней Бреннер: «Мы тонем в данных, но томимы жаждой знаний». Данные — это еще не понимание.