17. Часы и нуклеиновые кислоты

17. Часы и нуклеиновые кислоты

Толковый словарь определяет «творческое мышление» как переосмысливание предшествующего опыта для создания новых «образов», подводящих к решению той или иной проблемы. Прекрасный пример тому являет собой работа Эрета.

В 1948 году, окончив Парижский университет, Чарлз Эрет стал работать в Аргоннской лаборатории при Комиссии по атомной энергии США. Стремясь достигнуть более глубокого понимания бесконечно разнообразных процессов, протекающих внутри живой клетки, Эрет обратился к физиологии клетки и, естественно, сразу же познакомился с клеточными ритмами. Он разделял мнение большинства биологов, что способность измерять время является необходимым условием выживания организма.

Чтобы выяснить принцип, лежащий в основе действия живых часов, Эрет попытался представить себе их возможную форму. Логический подход к решению этой задачи, по мнению Эрета, должен был состоять в том, чтобы изучить все типы приборов, которые веками создавал человек для измерения времени, и посмотреть, не найдется ли среди них чего-нибудь хотя бы отдаленно похожего на то, что могло содержаться в клетке. Такой поиск неизбежно увел его очень далеко от области, в которой он работал.

Он выяснил, например, что с X до VIII века до нашей эры египтяне пользовались Т-образной планкой, тень которой, отбрасываемая солнцем, служила примитивными солнечными часами. В качестве примера более поздних механических систем он изучал греческие водяные часы и маятниковые часы Галилея. И даже атомные часы, которые управляются колебаниями атомов цезия и отстают не более чем на одну секунду за каждые три тысячи лет. Он собрал у себя целую коллекцию различных устройств для измерения времени: песочных часов, маятниковых, древних механических будильников, цветочных часов, гиревых и даже часов, в которых время определялось по пятнышкам белой плесени, выраставшей на розоватом агаре в чашке Петри.

Но основное его внимание привлекли часы короля Альфреда. Оригинал этих часов по описанию, сделанному в девятом веке, состоял из двух спирально перевитых кусков каната длиной двенадцать дюймов каждый, пропитанных примерно 3/4 фунта смеси пчелиного воска и свечного сала. Эти куски каната горели с постоянной скоростью по три дюйма в час, так что на сжигание каждого уходило четыре часа. Разметка на двенадцать равных отрезков помогала измерять промежутки времени по двадцать минут. Как только сгорала одна свеча, зажигали другую; на день требовалось шесть таких свечей. В процессе творческого мышления Эрета часы короля Альфреда начинали принимать неясную форму первого «образа».

Случилось так, что второй «образ» тоже имел форму спирали и происхождение его тоже было связано с Англией. Эта была знаменитая двойная спираль ДНК, структуру которой открыли Дж. Уотсон и Ф. Крик в 1952 году, за что они вместе с М. Уилкинсом были удостоены Нобелевской премии по медицине за 1962 год. С тех пор накоплено огромное количество экспериментальных данных, доказывающих, что ДНК является носителем кода жизни.

Теперь перед Эретом было два образа, схожих между собой и вместе с тем совершенно различных, формально вполне подходивших для исследования с помощью рассуждения по аналогии. Для удобства Эрет воспользовался современной моделью часов короля Альфреда, которая представляла собой желтую в форме спирали свечу, размеченную горизонтальными коричневыми полосами на участки, соответствующие одному часу горения.

Итак, свеча — это предмет, сделанный руками человека. Спираль ДНК — очень большая молекула, часть живой клетки, и создавалась она в течение всего процесса развития жизни. Свеча может иметь несколько сантиметров в диаметре и несколько десятков сантиметров в длину. Молекула ДНК в ядре клетки человека имеет до метра в длину, но она столь микроскопически тонка и так плотно упакована в хромосоме, что занимает всего несколько стотысячных сантиметра. Иными словами, если вообразить молекулу ДНК, равную в диаметре свече, и вытянуть ее, то длина ее составит около восьми километров. И последнее — свеча сгорает и, таким образом, физически исчезает, а ДНК продолжает копировать самое себя в течение всей жизни клетки.

Сходство между свечой и молекулой ДНК чисто внешнее: обе имеют форму спирали и периодическую структуру. У свечи за полосой желтого воска следует темно-коричневая полоса, затем снова желтая и т. д. У молекулы ДНК повторяются комплекты определенной последовательности четырех оснований — аденина, гуанина, цитозина и тимина.

Здесь Эрет подходит к самому главному моменту в своих рассуждениях. Еще шаг — и анализ подсказывает очень важный вопрос. Спиральную свечу использовали для измерения времени. А не выполняет ли ДНК то же самое? Не использует ли клетка для измерения времени спираль ДНК?

И снова целый поток вопросов. Не может ли повторяющаяся структура ДНК служить регулятором хода крошечных живых часов? Какую роль играла бы в этом процессе информационная РНК?[19] Существует ли связь между процессом синтеза белков из аминокислот и измерением времени? И — что, пожалуй, наиболее важно — какой организм мог бы ответить Эрету на такие вопросы? Лучше всего, если бы это был одноклеточный организм.

Существует классическое деление всего живого на Земле на растительное и животное царства с дальнейшим подразделением этих царств на типы, порядки, классы и т. д. В пятидесятых годах биологи пришли к выводу, что с эволюционной точки зрения организмы логичнее разделить на три царства, и к растениям и животным было добавлено царство простейших, или протистов (от греческого «протистос», что означает самый первый).

После введения этого третьего царства нужно было найти логическую основу для классификации его членов, и, поскольку оно включало только микроорганизмы, поиски их отличительных особенностей, очевидно, надо было проводить на молекулярном уровне. Микробиологи довольно быстро нашли эти особенности, и новое царство было поделено на две большие группы. Члены первой группы имели «двухоболочечные» клетки с четко выраженным и отграниченным от цитоплазмы собственной мембраной ядром. Эта группа получила название высших протистов, или эукариотов. Члены второй группы имели «однооболочечные» клетки без обособленного ядра, которое в ряде случаев почти не выявлялось; кроме того, у них отсутствовали многие черты, свойственные высшим протестам. Эта группа получила название низших протистов, или прокариотов. К эукариотам были отнесены грибы и многие водоросли, к прокариотам — бактерии и сине-зеленые водоросли.

Поскольку клетки всех высших растений и животных имеют хорошо выраженные и очень сложные ядра с собственной оболочкой, они вместе с высшими протистами попадали в один большой класс эукариотов. И если удастся найти часы у простейшего эукариота, можно будет идентифицировать вообще все живые часы!

Такой была нить рассуждений Эрета. Он мог начать либо с человека и спускаться по лестнице животного царства до простейшей клетки, либо с самого сложного растения и — по лестнице царства растений к простейшему из них. И в том и в другом случае он должен был прийти к одному и тому же организму — простейшему эукариоту. Этим простейшим оказалась Paramecium (туфелька).

О причинах выбора именно этого объекта для своих исследований Эрет говорил:

Самой малой и самой простой клеткой животного происхождения, у которой в настоящее время обнаружены циркадные ритмы, является инфузория Paramecium. Выраженный ритмический показатель у этого простейшего — его способность к конъюгации, которая обычно происходит в дневное время. При постоянной темноте ритм конъюгации сохраняется в течение целой недели с циркадным периодом около 22–23 часов, который почти не зависит от температуры в диапазоне 17–30 °C. Биологические часы этой инфузории легко сдвигаются под действием света различной длины волны. Для P. bursaria, лишенной хлореллы[20], исследовали влияние близкой ультрафиолетовой, голубой и красной областей спектра. Излучение, соответствующее далекой красной области спектра, изменений ритма не вызывало, что свидетельствовало об участии в этом процессе порфириноподобных, а не фитохромоподобных пигментов. Еще больший интерес представляло открытие того, что часы туфельки не только сильно изменяют свою работу под действием далекого ультрафиолета, но и сам этот эффект обратим под действием белого света. Следовательно, внутриклеточные часы неделящихся клеток включают в сферу своего действия и метаболизм нуклеиновых кислот. С этой гипотезой вполне согласуются и полученные позже данные об изменениях во фракции РНК и фракции, содержащей нуклеотидные коферменты. Наблюдается определенное совпадение времени наступления этих изменений с циркадной периодичностью.

Иными словами, ультрафиолетовое излучение повреждает спираль ДНК, но клетка может исправить это повреждение, если после ультрафиолета воздействовать на нее белым светом. Именно это и привело Эрета к заключению, что механизм часов клетки должен быть связан с регулирующей системой нуклеинового обмена.

Данные, подтверждающие истинность такого предположения, были получены позднее и в других лабораториях. Так, эти доказательства, в частности, предоставили исследования действия на микроорганизмы актиномицина-Д. (Актиномицин-Д — антибиотик, получаемый из почвенных бактерий и подавляющий синтез ДНК в клетке.) Гастингс со своими сотрудниками показал, что актиномицин-Д останавливает часы водоросли Gonyaulax. Суини удалось изменить ход часов этой водоросли действием ультрафиолета. Мак-Мюррей показал, что веществами, подавляющими синтез белка, не удается воздействовать только на одну какую-нибудь форму ритмической активности Gonyaulax. Поэтому Эрет все больше и больше склонялся к убеждению, что часы размещаются непосредственно в самом основном комплексе жизни — в комплексе ДНК, информационной РНК и связанных с ними реакциях белкового синтеза.

Означала ли вся эта сложность взаимоотношений клеточных процессов несостоятельность аналогии с часами короля Альфреда? Может быть, Эрет и задумывался над этим, но хода своих рассуждений и исследований не изменил. Он договорился о сотрудничестве с Дж. Биллем, специалистом по химии крупных органических молекул, и Э. Трюкко, математиком, работающим в области биофизики, и они втроем занялись разработкой этой проблемы.

В 1967 году они предложили «феноменологическую модель биологического циркадного механизма для отсчета времени».

Концепция «хронона», к которой они пришли, чрезвычайно сложна. Мы не будем даже пытаться подробно обсуждать ее здесь, поскольку это совершенно не входит в задачу данной книги. Но максимально упрощенный разбор предложенной модели даст нам хотя бы приблизительное представление о ходе рассуждений Эрета.

Основой процесса отсчета времени являются по его представлению, очень длинные молекулы ДНК, которые он называет «хрононами». На разошедшихся нитях спирали ДНК строится информационная РНК, достигая полной длины одиночной нити ДНК. Одновременно протекает ряд взаимосвязанных химических реакций, соотношение скоростей которых можно рассматривать как работу регулирующего механизма часов. Таким образом, вся последовательность этих реакций служит в качестве точного механизма отсчета времени, который в очень большом диапазоне не зависит от температуры. Эрет рассматривает эту модель как «скелет… в котором опущены все подробности, не являющиеся абсолютно необходимыми».

Выдвинутая Эретом концепция уже теперь помогает глубже понять всю сложность проблемы живых часов.