Представьте себе, что вы идете по пляжу и натыкаетесь на слова, написанные на песке: «Ромео любит Джульетту». Большинство из нас встречали нечто подобное и не удивились бы этому, но большинство людей были бы удивлены, обнаружив, что весь текст пьесы Уильяма Шекспира «Ромео и Джульетта» записан на песке. Почему же так? Очевидная причина заключается в том, что песок – неподходящий материал для больших письменных произведений. Песчинки легко перемещаются, и текст, написанный на них, стирается быстро. До того, как первый акт был бы полностью написан на песке, начало могло бы исчезнуть, если дует ветер или его омывают волны.
С другой стороны, нет ничего удивительного в том, что пьеса «Ромео и Джульетта» написана на бумаге. Поскольку бумага компактна и сохраняется в течение многих лет, она является отличным материалом для хранения информации. Мы могли бы записать информацию на других материалах – на протяжении истории люди использовали все, от камней до пергамента, сделанного из овечьих шкур, в качестве носителей информации, – но дешевая и долговечная бумага оказалась одним из лучших носителей, когда-либо изобретенных для хранения информации.
ДНК – надежный носитель генетической информации
Внутри клеток мы обнаруживаем носитель информации, который, как и бумага, кажется подходящим для хранения информации; мы называем его дезоксирибонуклеиновой кислотой или ДНК. Одна из причин, почему ДНК является отличным носителем для хранения генетических данных, заключается в ее удивительной химической стабильности. ДНК может сохраняться в течение тысяч лет после того, как организм умер, и это позволило нам прочитать ДНК давно вымерших организмов, начиная от наших неандертальских родственников [1] до покрытых шерстью мамонтов [2]. Химическая стабильность имеет важное значение для функционирования ДНК. Если бы она была нестабильна, то информация, которую она кодирует, быстро бы разрушалась, как информация, записанная на песке.
ДНК – эффективный носитель информации
Наша собственная ДНК иллюстрирует еще один существенный признак ДНК. Геном человека включает все наши ДНК, упакованные в 23 человеческих хромосомы, две копии которых находятся в большинстве клеток, а также ДНК в митохондриях [3]. ДНК хранит информацию гораздо эффективнее, чем печатные слова на бумаге. Например, человеческая митохондриальная ДНК имеет длину всего около 5,6 мкм – около одной сотой диаметра обычной точки в конце предложения – но если напечатать это в виде букв на бумаге, то ее последовательность ДНК займет около 6 страниц. Точно так же весь человеческий геном имеет длину около метра, но потребуется около миллиона страниц для того, чтобы его напечатать! Ясно, что миллион страниц не поместится внутри клетки, но вся эта информация поместится внутри крошечного ядра клетки, если она закодирована в ДНК. Способность ДНК хранить информацию в крошечном пространстве делает ее наиболее эффективным известным носителем информации с точки зрения плотности информации.
ДНК – точно скопированный носитель информации
Двойная спиральная структура ДНК также удивительным образом способствует ее функционированию в качестве носителя информации. Когда большинство клеток делится, в «материнской» клетке необходимо сделать полную копию ДНК, чтобы каждая «дочерняя» клетка получила одну полную копию ДНК материнской клетки. Информация кодируется в ДНК с помощью последовательностей химических веществ, называемых нуклеотидными основаниями. Эти основания аналогичны буквам, которые мы используем для записи информации, и полная копия человеческого генома содержит около 3 миллиардов из них. Когда делятся клетки человека, то задача заключается в том, чтобы точно скопировать 6 миллиардов оснований, потому что каждая материнская клетка содержит две копии человеческого генома.
Организм каждого человека начинается с одной оплодотворенной яйцеклетки, которая делится до тех пор, пока количество клеток не достигнет того числа, которое характеризует взрослого человека и составляет около 37 триллионов [4]. Когда мы становимся взрослыми, наши клетки продолжают делиться и расти, ведь мы теряем старые клетки, поэтому каждый день в нашем организме делятся миллионы клеток, и таким образом должны точно воспроизводиться миллионы копий 6 миллиардов оснований в ДНК каждой клетки. Хотя количество реплик ДНК и длина 3 миллиардов оснований человеческого генома могут показаться впечатляющими цифрами, наш организм – не исключение. Многие другие организмы, от кукурузы до некоторых саламандр, имеют значительно более крупные геномы. Самый большой геном животного, о котором сейчас известно, принадлежит мраморной двоякодышащей рыбе, Protopterus aethiopicus, в ее геноме 139 миллиардов оснований, но известны организмы с еще более крупными геномами [5].
Когда в 1953 году Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик опубликовали свою фундаментальную работу [6], раскрывающую миру двойную спиральную структуру ДНК, они сразу же отметили, что эта структура предполагает механизм точной репликации ДНК:
От нашего внимания не ускользнуло, что постулируемая нами специфическая парность сразу же наводит на мысль о возможном механизме копирования генетического материала.
Парность, на которую ссылаются Уотсон и Крик, включает в себя химические «буквы» оснований уже упомянутого алфавита ДНК. Эти плоские молекулы прикреплены к двум нитям двойной спирали. Поскольку две нити двойной спирали наматываются друг на друга, основания указывают в центр и взаимодействуют друг с другом очень специфическим образом. Один класс оснований, пуриновые основания аденин (A) и гуанин (G), относительно крупные; в то время как другой класс, пиримидиновые основания: тимин (T) и цитозин (C) – меньше. Кроме того, заряды на поверхности этих оснований распределяются по-разному. По этим причинам аденин (A) на одной нити двойной спирали всегда образует пару с тимином (T) на противоположной нити и наоборот. То же самое относится к гуанину (G) и цитозину (C). Таким образом, если A находится на одной нити двойной спирали, вы можете быть уверены, что на противоположной нити находится T, и если на одной нити находится C, можно быть уверенным, что на противоположной нити есть G.
Если двойная спираль расплетается и образует отдельные нити ДНК, то каждая нить содержит отрицательную копию противоположной нити. Когда ДНК реплицируется, двойная спираль ДНК расплетается, и каждая нить служит шаблоном для создания точной копии другой нити. Очевидно, что существует сложный клеточный механизм, который заставляет это происходить, но если одна нить имеет последовательность AGTCCGC, то противоположная нить может быть реконструирована точно из нее как TCAGGCG [7] таким образом, структура ДНК способствует удивительному способу ее репликации с почти невообразимой скоростью и точностью.
Происхождение ДНК как генетического материала организмов
Чем больше мы узнаем о ДНК, тем лучше она подходит для своей роли носителя информации внутри клеток. Мы уже говорили о трех идеальных характеристиках, которые она выказывает: 1) она химически стабильна; 2) ДНК удивительно информативна, храня огромные количества информации в невероятно малом объеме; 3) структура ДНК благоприятствует ее способности точно копироваться с поразительной скоростью, что необходимо, когда клетки делятся, чтобы произвести новые клетки. Есть и другие характеристики ДНК, которые делают ее идеальной, но обсуждение их становится все более рассчитанным на специалистов, а этих трех уже достаточно, чтобы проиллюстрировать суть. Возможно, существуют и другие химические соединения, которые могли бы делать то же, что и ДНК, но ни одна из них не удовлетворяет всем требованиям генетического материала так же, как это делает ДНК.
В связи с этим встает вопрос о том, как же организмы в конечном итоге стали использовать ДНК, а не какую-то другую молекулу для хранения генетической информации. Для непредубежденных людей существует по меньшей мере две возможности: либо ДНК была выбрана в качестве генетического материала кем-то, кто знал, что делает, либо ДНК была выбрана в качестве генетического материала некой силой, которая не знала, что она делает. Последняя позиция – это материалистическая вера (всем известный дарвинизм). Как это могло получиться? Учитывая удивительное соответствие между свойствами ДНК и ее функцией, а также разнообразие молекул, создаваемых организмами, трудно представить, что природа пришла к этому решению с первой попытки. Что-то должно было быть исходным генетическим материалом, а затем были испробованы различные другие решения проблемы генетического материала, пока естественный отбор не остановился на принципиально идеальном решении ДНК.
Существует серьезная проблема с этим дарвиновским сценарием. Дарвин указывал, что для того, чтобы его механизм заработал, он должен пройти через «многочисленные, последовательные, незначительные модификации» [8]. Однако изменение генетических данных, даже при относительно небольших изменениях в соответствующих химических веществах, не является незначительной модификацией для организма. Аналогией может быть попытка заменить жесткий диск компьютера бумажным носителем информации. Информация хранится в виде различных магнитных состояний на жестких дисках, а оборудование для извлечения этой информации должно соответствовать носителю, на котором она хранится. Таким образом, головки, считывающие изменения магнитного состояния на жестком диске, не способны считывать чернила на бумаге. То же самое относится и к оборудованию, используемому клетками для считывания информации с генетического материала. Сегодня мы имеем возможность изучать механизмы, действующие внутри клеток, и увидеть, что невозможно заменить ДНК другим видом молекул. Молекулы, такие как полисахариды, триглицериды или белки – все они естественным образом производятся клетками – не являются особенно хорошими носителями информации, но даже если бы они были таковыми, они не считываются механизмом, считывающим ДНК.
Мы также видим, что устройства, способные считывать различные носители, представляют собою сложную инженерную задачу, но создание устройства, достаточно гибкого для считывания нескольких носителей, на порядок сложнее. Вот почему при переходе с оптических накопителей на USB-накопители не было предпринято попыток создать системы, которые читали бы и то и другое; они считываются различными устройствами внутри компьютеров. Чтобы следовать материалистическому сценарию, включающему в себя множество генетических материалов, нужны механизмы считывания хранящейся информации на различных носителях, которые каким-то образом предвосхищают необходимость ее считывания до того, как они станут использоваться. В действительности, переключение с одних генетических материалов на другие, даже переключение между довольно тесно связанными химическими веществами, требует скоординированных изменений в нескольких молекулярных механизмах внутри клеток, что кажется весьма знаменательным в любой системе, не говоря уже о системе, которая никак не управляется.
Альтернативная теория, что ДНК была выбрана в качестве генетического материала Кем-то, Кто знал, что делает, может быть сравнима с тем, с чем мы обычно сталкиваемся в жизни. Первое, на что обращают внимание инженеры, столкнувшись с инженерной проблемой, – это доступные материалы. Например, при проектировании двигателя автомобиля инженеру необходимо использовать материалы, способные выдерживать температуру и механическую нагрузку внутри двигателя. Вода не является подходящим материалом для блока двигателя, а также не являются таковыми дерево или бетон; некоторые металлы очень хорошо служат для этой цели, поэтому эти металлы являются наиболее часто используемыми материалами. Инженеры знают спецификацию разрабатываемого проекта и спецификацию доступных материалов. Затем они сопоставляют материал, демонстрирующий необходимые технические характеристики, с имеющимся проектом. Это наблюдение хорошо согласуется с нашим пониманием ДНК как генетического материала; это все хорошо объясняется в рамках парадигмы мудрого Конструктора, Который выбрал идеальный материал для хранения генетической информации в созданных Им организмах. Удовлетворенный этим выбором и многими другими, Он мог, таким образом, объявить по завершении Своего творения, что оно было «хорошо весьма» [9].
Очевидно, что существует аргумент в пользу наличия замысла в живых организмах, основанный на выборе ДНК в качестве генетического материала, но что же насчет информации, закодированной в ДНК? Христиане верят, что Бог создал живые существа и закодировал информацию об их строении в молекуле ДНК. Напротив, наиболее распространенная альтернативная теория происхождения жизни – материалистический дарвинизм – приписывает появление информации случайным мутациям и слепым силам, в частности естественному отбору. Давайте рассмотрим два признака геномов, которые проливают свет на их происхождение и, в конечном счете, на происхождение жизни.
Действительно ли большая часть информации, закодированной в ДНК, является ненужной?
Нашему пониманию геномов помешало стремление объявить большинство из многих геномов «мусором» [10]. Сусуму Оно, который ввел термин «мусорная ДНК», изящно выразил эту дарвиновскую точку зрения: «Земля усеяна ископаемыми останками вымерших видов; разве удивительно, что наш геном тоже заполнен остатками вымерших генов?» [11]
Большая часть ДНК не кодируют белок, и многие биологи первоначально предполагали, что, следовательно, эти некодирующие белок последовательности ДНК, не имеют функции. Логика сводилась к следующему: «если мы не знаем, что они делают, то они, вероятно, не делают вообще ничего». Однако сейчас многие данные показывают, что эта логика приводит к ложному выводу: некодирующая белок ДНК часто несет важные функции. Это понимание произвело революцию в том, как биологи рассматривают геномы. Вместо обширных пустынь с редкими оазисами функциональной информации, геномы теперь больше похожи на тропические леса информации с блестящим набором генов, механизмов управления и логических схем.
Гены умнее, чем мы думали
Согласно модели «один ген – один фермент», предложенной Бидлом и Татумом (за которую они получили Нобелевскую премию), каждый ген кодирует один белок; но теперь все изменилось. Современные оценки показывают, что у человека имеется менее 25 000 генов, но в организме производится более 100 000 белков [12]; таким образом, по крайней мере, некоторые гены должны быть способны производить несколько белков.
Как клетка «знает», когда нужно произвести одну форму белка, а не другие? Это происходит за счёт сложного механизма так называемого альтернативного сплайсинга [13, 14]. В ходе этого процесса после переноса информации из молекулы ДНК на молекулу РНК из последней удаляются определённые участки, а оставшиеся сшиваются. В зависимости от того, какие участки были удалены, а какие соединены и в каком порядке получаются разные белки. У человека 94 % генома подвергаются альтернативному сплайсингу. Сложные системы, управляющие сплайсингом, по-видимому, включают последовательности, занимающие, по меньшей мере, одну треть генома человека, что значительно превышает 3 % человеческого генома [15], считавшегося функциональным несколько лет назад. Возникающая картина показывает, что ДНК действительно хранит огромное количество информации, большая часть которой была упущена первыми учеными, изучавшими ее. Вероятно, еще многое предстоит выяснить.
Выводы
В выборе ДНК в качестве носителя для хранения генетической информации есть красота, сложность, элегантность и эффективность, да и сама информация удивительна. Кое-что из того, что мы знаем о геномах, хорошо согласуется с тезисом об общем происхождении и дарвиновской эволюции, но в целом эти данные более согласуются с библейским мировоззрением, согласно которому Конструктор, Бог, стоит за выбором ДНК в качестве генетического материала, огромным количеством информации, хранящейся в ней, и элегантном расположении этой информации в геномах.
Когда Бог-Творец писал 10 заповедей, Он делал это на прочном каменном материале; но когда Он записывал грехи самодовольных книжников и фарисеев, Он писал на земле, на которой Его слова быстро бы стерлись [16, 17]. Библейский Бог продемонстрировал Свою способность выбирать подходящие носители для записи информации, поэтому неудивительно, что для живых существ Он выбрал носитель, столь подходящий для записи генетической информации, как ДНК. Каждый живой организм является совершенным хранилищем генетической информации, закодированной в ДНК, информации гораздо более совершенной и глубоко значимой, чем все написанное Уильямом Шекспиром или любым другим писателем. У христиан есть все основания полагать, что мы «дивно устроены» [18] и что Бог, сотворивший нас вместе со всем прочим, достоин нашего поклонения.
Ссылки
[1] Green RE, Krause J, Briggs AW, et al. 2010. A Draft Sequence of the Neandertal Genome. Science 328(5979):710-722. DOI: 10.1126/science.1188021
[2] Miller W, Drautz DI, Ratan A, et al. 2008. Sequencing the nuclear genome of the extinct woolly mammoth. Nature 456:387-390. doi:10.1038/nature07446
[3] Мы получаем полный набор хромосом человека от каждого из родителей; 23 от матери и 23 от отца, в общей сложности 46. Большинство клеток человека в своем ядре имеют все 46 хромосом.
[4] Bianconi E, Piovesan A, Facchin F, Beraudi A, Casadei R, Frabetti F, Vitale L, Pelleri MC, Tassani S, Piva F, Perez-Amodio S, Strippoli P, Canaider S. 2013. An estimation of the number of cells in the human body. Annals of Human Biology. 40(6):463-71. doi: 10.3109/03014460.2013.807878.
[5] Pellicer J, Fay MF, Leitch AJ. 2010. The largest eukaryotic genome of them all? Botanical Journal of the Linnean Society 164(1):10–15. DOI: 10.1111/j.1095-8339.2010.01072.x
[6] Watson JD, Crick FHC. 1953. A structure for deoxyribose nucleic acid. Nature 171:737-738.
[7] Обратите внимание, что из-за условных обозначений, обычно используемых молекулярными биологами, эти последовательности не записываются в точности так же.
[8] Darwin, C. R. 1859. On the origin of species by means of natural selection, or the preservation of favoured races in the struggle for life. London: John Murray. 1st edition, 1st issue. P 189.
[9] Бытие 1:31
[10] Makalowski, W. 2003. Not junk after all. Science 300:5623.
[11] Ohno S. 1972. So much "junk" DNA in our genome. Brookhaven symposia in biology. P. 366-70 in Evolution of genetic systems (H. H. Smith, ed.). Gordon and Breach, New York.
[12] Clamp, M., B. Fry, M. Kamal, X. Xie, J. Cuff, M. F. Lin, M. Kellis, K. Lindblad-Toh, and E. S. Lander. 2007. Distinguishing protein-coding and noncoding genes in the human genome. Proceedings of the National Academy of Sciences USA 104:19428–19433.
[13] Gage PJ, Suh H, Camper SA. 1999. The bicoid-related Pitx gene family in development. Mammalian Genome 10:197-200.
[14] Lamba, P., T. A. Hjalt, and D. J. Bernard. 2008. Novel forms of Paired-like homeodomain transcription factor 2 (PITX2): Generation by alternative translation initiation and mRNA splicing. BMC Molecular Biology 9:31.
[15] Zhang, C., W.-H. Li, A. R. Krainer, and M. Q. Zhang. 2008. RNA landscape of evolution for optimal exon and intron discrimination. Proceedings of the National Academy of Sciences USA 105:5797–5802.
[16] Исход 31:18, Второзаконие 9:10
[17] Иоанна 8:7,8
[18] Псалтирь 138:14
Автор: Тимоти Дж. Стэндиш