От родителей будущий человек получает полную программу на созидание своего организма, упакованную всего в одну яйцеклетку. В чем суть этого таинственного механизма передачи наследственной информации?

Вся наследственная информация живого организма получается им от родителей. Тут расписано все: и форма вздернутого носика, и блеск глаз, и цвет волос, и группа крови, и родимые пятнышки, и, к сожалению, иногда наследственные болезни.

Весь этот полный каталог деталей и качеств будущего человека упакован в невероятно малый объем - яйцеклетку диаметром лишь в одну десятую долю миллиметра!

Разберем, хотя бы схематично, этот таинственный механизм передачи наследственной информации.

Природа нашла удивительный и единственно возможный путь предельного сжатия информации - составление длиннющей телеграммы наследственности . непосредственно из молекул и их комбинаций!

Установление этого факта, бесспорно, одно из величайших открытий XX века.

Все живое на Земле состоит из мельчайших частиц - клеток.

Одним из основных элементов клетки является ядро. В нем и находится интересующий нас тайник с наследственной информацией.

Живой организм, как это ни удивительно, возникает в результате "снятия многочисленных копий" с одной (только одной!) исходной микроскопически малой оплодотворенной клетки. Этот процесс идет с невероятной быстротой: исходная клетка делится на две, эти две дают при делении четыре, четыре - восемь, восемь - шестнадцать и т. д. Так почти из "ничего" (если не считать гигантской информации) возникает целый организм. Среднюю скорость процесса размножения клеток читатель может легко подсчитать сам: одна исходная клетка при оплодотворении и 26 триллионов (26 · 10¹²) клеток в организме новорожденного землянина.

Ядра всех клеток содержат тельца, называемые хромосомами. Число их для каждого вида постоянно. Так, у человека 46 хромосом, комар-пискун имеет всего 6, а у сазана насчитывается 104. Из человекообразных обезьян ближе всего к человеку по строению и числу хромосом стоит шимпанзе. У нее их 48.

Хромосомная теория наследственности дает ответ на волновавший людей во все века "информационный" вопрос - кто родится: мальчик или девочка? Ответ удивительно прост. Половые клетки, в отличие от остальных клеток организма, содержат только 23 хромосомы, из которых только одна определяет пол ребенка. Эта хромосома бывает двух типов: X или Y. Женская яйцеклетка всегда содержит только одну Х - хромосому, а мужской сперматозоид либо одну Х - хромосому, либо одну Y - хромосому.

Если женская яйцеклетка оплодотворяется сперматозоидом, несущим Х - хромосому, то суждено родиться девочке (Х - хромосома + Х - хромосома). Если оплодотворение производится сперматозоидом, несущим Y - хромосому, то родится мальчик (Х - хромосома + Y - xpoмосома).

Отсюда следует, что частые обиды мужа на жену, родившую дочь, незаслуженны. Пол ребенка полностью определяется отцом.

Так как число Х - хромосом и Y - хромосом у мужчин одинаково, то вероятность рождения мальчиков (Р_м) и вероятность рождения девочек (Р_д) должны быть, по-видимому, равны. Но мировая статистика дает иную величину: Р_м/Р_д = 1.07. (В среднем на 100 девочек приходится 107 мальчиков.)

В чем же дело?

Тонкие исследования, которые увели бы нас в непроходимые для автора и читателя джунгли биологии, показывают следующее.

В самой начальной стадии по не ясным пока причинам соотношение между зародышами такое: на 114 мальчиков приходится 100 девочек (Р_м/Р_д = Ы4).

Но в период внутриутробного развития гибнет больше мальчиков, и при рождении отношение вероятностей. становится равным 1,07.

Далее мальчикам опять не везет: их смертность больше, и к 10 годам число мальчиков и девочек становится одинаковым. Впоследствии по той же причине число, девочек становится несколько большим.

Но мы отклонились от цели. Вернемся к наследственной информации.

Было установлено, что ее носителем являются участки хромосом - гены, которые контролируют развитие отдельных признаков и особенностей в живых организмах. Каждый ген всегда находится на своем участке хромосомы - локусе.

В хромосому входят молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (для краткости ее называют ДНК). Именно этой кислоте эволюция доверила высокую миссию хранителя и переносчика генетической информации. Почему именно ДНК?

Секрет заключен в поразительной способности ДНК к удвоению. При наличии специфических белков - ферментов - происходит снятие копий с клетки, то есть ее размножение.

ДНК построена из отдельных элементов, называемых нуклеотидами. Каждый из них состоит из молекулы сахара дезоксирибозы (Д), фосфатной группы (Ф) и одного из четырех азотистых оснований: аденина (А), тимина (Т), цитозина (Ц) или гуанина (Г). Две цепи ДНК (это очень важно!) объединяются в двойную спираль, как бы навиваясь друг на друга. При этом азотистые основания находятся внутри пространства между витками и соединены между собой водородными связями. При этом аденин всегда находится в паре с тимином, а гуанин - с цитозином. Число нуклеотидов в молекуле ДНК измеряется многими тысячами. Механизм удвоения ДНК по одной из гипотез упрощенно выглядит так.

При делении клеток водородные связи, объединяющие две спирали ДНК между собой, разрываются, двойная спираль раскручивается, и на каждой одиночной спирали тут же строится новая - дополнительная. Совершается чудо: вместо одной образуются две новые двойные спирали молекул ДНК, абсолютно идентичные исходной. Эти, в свою очередь, разрываясь, образуют четыре новые идентичные спирали и т. д. Так наследственная информация шагает от одной исходной к триллионам других клеток.

Можно представить себе две свернутые спирали ДНК в виде закрытой застежки - "молния". Двигая замок, мы раскрываем ее, что аналогично делению ДНК на две равные половины. Затем к каждой половине "молнии" добавим по недостающей и получаем две новые "молнии" - копии исходной и т. д.

Несмотря на то что спираль смотана очень плотно в микроскопический клубок, она раскручивается с бешеной скоростью. Но до сих пор остается тайной источник, который дает сигнал к разрыву спирали и снятию очередной точной ее копии.

Но вернемся к информации. Каждые три следующих друг за другом нуклеотида образуют так называемый триплет. Число различных триплетов легко подсчитать:

это число возможных комбинаций по три из четырех различных оснований (А, Т, Ц и Г), то есть 43 = 64.

Оказалось, что именно эти триплеты управляют включением в белок определенной аминокислоты. Но всего этих кислот, используемых при формировании организма, насчитывается только 20. Зачем же предусмотрены 64 триплета, то есть 64 различных команды для их подключения? Возможно, для большей надежности управления есть дублирующие триплеты, есть служебные триплеты, отмечающие начало и конец определенного участка наследственной информации.

Последовательность триплетов и есть письменный приказ клетке, в которой идет синтез белков. Суть приказа в том, что в строящемся белке на первом месте должна стоять аминокислота, соответствующая первому триплету, на втором - второму и т. д. Это, по существу, и определяет передачу наследственных признаков от поколения к поколению. Но нужен еще "механизм" считывания информации с триплетов. И не только считывания. Надо доставить информацию в места синтеза белка и обеспечить выполнение наследственного приказа. (Как мы знаем по опыту, само издание приказа отнюдь не гарантирует его исполнения.) Эти функции выполняет другая кислота - РНК.

Теперь несколько чисел. Самых простых и необходимых.

Общее число аминокислот, из которых синтезируются все виды белков, равно 20. Много это или мало? Предположим, что одна наследственная единица - ген - содержит цепочку нуклеотидов длиной всего в 100 остатков каждая. Тогда возможное число различных вариантов таких цепей составит 20100 или приблизительно 10130. Это число - сверхгигант среди сверхвеликанов. Число белковых вариантов в триллион раз превышает число атомов (это не опечатка, именно атомов!) во вселенной! Это значит, что для живых существ, по-видимому, существует колоссальное число возможных вариантов.

И второе: дальнейшая эволюция живых существ на нашей планете может привести к самым неожиданным ее формам, и самые неожиданные формы жизни могут существовать на других небесных телах в условиях, отличных от земных (если они базируются на сходных принципах).

Hо продолжим наш пример. Предположим, что число генов у человека составляет величину порядка 100 тысяч (эта цифра выглядит разумной). Тогда общее число триплетов, определяющих последовательность аминокислот, составит у человека

Если мы захотим кодировать наследственную информацию в привычной для каналов связи двоичной системе, то есть набором единиц. (1) и нулей (0), то для получения 64 комбинаций нам надо взять группу из шести посылок, так как 64 = 2⁶.

Следовательно, наша наследственная информация будет содержать двоичных единиц 6 · 3 · 10⁶ = 2 · 10⁷.

Запишем ее на магнитную ленту. Плотность записи двоичных единиц на один миллиметр составляет приблизительно 100. Тогда потребная длина пленки составит 2 километра!

Вместе с тем если размотать всю наследственную спираль ДНК человека и вытянуть, то она будет иметь длину всего лишь около двух метров.

Следовательно, природная упаковка информации в тысячу раз более компактна! Это число, по-видимому, сильно занижено, так как мы приняли, что ген состоит из 100 нуклеотидов. Если число нуклеотидов в гене увеличить до 1000, то магнитная лента удлинится до 20 километров.

Иногда жаждущие писать диссертации спрашивают у меня: "Как найти диссертабельную тему? Ведь В. Котельников, К. Шеннон уже все сделали в теории передачи сигналов". Ответ следует из нашего подсчета. Он показывает, насколько наши системы связи примитивны по сравнению с передачей наследственной информации в живой материи.

Таким образом, вся живая материя от примитивного вируса до вершины творения природы - человека - это конвейеры передачи наследственной информации, это исключительно рационально построенные системы связи, обладающие невероятной точностью передачи информации, невероятной защищенностью от действия всяческих помех, осуществленные в невероятно малых габаритах.

Более того, язык этих систем связи универсален. У всех обследованных живых организмов он оказался один и тот же. По-видимому, все живое говорит со своими детьми одним и тем же кодом! С одной стороны, такая универсальность для миллионов видов потрясает. С другой - блестяще подтверждает идею эволюционного происхождения всего живого от одного простейшего вида.

Для успешной эволюции любого вида необходима приспособляемость, или адаптация, его к меняющимся условиям окружающей среды. Без этого вид погибает.

Природа нашла простой, но довольно жестокий способ осуществления этой адаптации. Некие случайные импульсы, природа которых еще не раскрыта, возникающие в нарождающемся организме, искажают наследственную информацию.

Если наследственную информацию представить в виде двоичных чисел 1001110100011001.., как мы это делали выше, то искажения проявляются в том, что некоторые единицы превращаются в нули, и наоборот. Такой процесс, приводящий к нарушению точного сходства родителей и детей, назвали мутацией. Эти помехи в системе наследственной связи могут с равной вероятностью улучшать вид и ухудшать. Остальное делает закон естественного отбора, открытый Ч. Дарвиным: в длительной борьбе за существование выживают сильные, более приспособленные, а слабые погибают.