Дать определение жизни нелегко, особенно когда приходится работать всего лишь с одним примером. Попытки сделать это обычно сводились к фразе «Узнаю это, когда увижу; а теперь давайте попробуем выяснить, что общего у всех вариантов, которые я узнаю». Вероятно, мы можем согласиться с тем, что живые существа, вне зависимости от их конкретного облика,

1) представляют собой высокоупорядоченные структуры;

2) черпают энергию из своего окружения и используют её для поддержания своей структуры и организованности;

3) обладают способностью к самовоспроизведению, т.е. к созданию более или менее точных рабочих копий самих себя.

К каждому из этих утверждений необходимо сделать некоторые оговорки и разъяснения (например, на самом деле не каждая особь пользуется способностью к размножению, а потомство видов, размножающихся половым путём, редко бывает идентичным своим родителям), но, принимая их во внимание, всё перечисленное — это те особенности, проявления которых мы ожидаем от любой формы жизни на Земле (и вероятно, вне её). Другие особенности, вроде способности передвигаться или учиться на собственном опыте, носят менее общий характер. От некоторых организмов мы их ожидаем (например, от потенциального партнёра по теннису), а от других — нет (например, от стебля брокколи для подачи под голландским соусом).

Земные организмы получают энергию, необходимую им для поддержания своего существования, самыми различными способами. До недавнего времени предполагалось, что все они получают свою энергию от Солнца — прямо или косвенно. Зелёные растения используют солнечный свет напрямую, а вода, минералы и углекислый газ служат им сырьём; они производят углеводы, выделяя кислород и накапливая энергию в собственных тканях. Грибы или животные получают свою энергию, поедая эти ткани и усваивая углеводы, а также выделяя углекислый газ, который может повторно использоваться растениями. Однако другие животные (плотоядные) могут питаться животными, которые поедали растения; в конечном счёте более мелкие организмы перерабатывают их тела, возвращая их обратно в почву в качестве питательных веществ для растений. В этом кратком изложении вы видите начало экологии: ни один организм не существует изолированно, но все они взаимодействуют ради поддержания циклов химических реакций, протекающих вновь и вновь; при этом химические вещества многократно используются повторно, а извне поступает лишь энергия.

Ключевым моментом здесь является «энергия», но не «солнечная» энергия. Даже в случае Земли мы больше не можем утверждать, что основу всех энергетических циклов составляет Солнце. Недавние исследования глубоководных зон океана обнаружили целые экосистемы, основанные на химическом синтезе и находящиеся на дне океана, вне досягаемости Солнца. Здесь пищевая цепочка начинается с микроорганизмов, которые напрямую усваивают сероводород и минералы из тёплой воды, просачивающейся через горячие источники из недр Земли. (См. статью Балларда и Грассла в разделе «Источники».)

Химические подробности вы можете найти в стандартных справочниках, но основные факты, о которых вам следует помнить, таковы: в биохимических реакциях участвуют сложные соединения углерода, водорода, азота, кислорода, фосфора и серы, в основном благодаря уникальной способности углерода образовывать крупные и сложные молекулы (такие, как сахара, нуклеиновые кислоты и белки). В случае земной жизни эти реакции обычно протекают в водном растворе — это жидкая среда, где химические «строительные блоки» могут свободно перемещаться и сталкиваться с другими «блоками», с которыми могут вступать в химическую реакцию.

Важность ДНК

Один из видов молекул обладает уникальной и исключительной важностью благодаря своей роли в размножении: это ДНК. К настоящему времени практически всем, как минимум, знакома «двойная спираль», состоящая из двух очень длинных молекулярных нитей, закрученных друг вокруг друга по спирали (см. рис. 4-1) таким образом, что она удивительно похожа на кадуцей, издавна используемый как символ медицины. Каждая из нитей представляет собой цепочку из строительных блоков под названием нуклеозидфосфаты. Каждый нуклеозидфосфат, в свою очередь, состоит из ещё более мелких составных частей, называемых сахарами, основаниями и фосфатами.

РИСУНОК 4-1 Структура ДНК (сильно упрощённая схема).

Ключевое значение ДНК объединяет три момента. Во-первых, она несёт полный набор инструкций по построению целого организма. Во-вторых, она может создавать точные копии самой себя. В-третьих, если по какой-то причине копия не будет точной (если в процессе репликации ДНК будет допущена «ошибка»), новая ДНК несёт изменённый набор инструкций и на её основе вырастет изменившийся организм. Первые две из этих особенностей являются молекулярной основой воспроизводства. Третья — это основа эволюции.

Я не планирую вдаваться в подробности того, как выполняются инструкции, закодированные в ДНК. Подробности размножения клеток земных организмов сложны и подробно рассматриваются в других источниках. Если они вам нужны для конкретного сюжета, вы можете найти их в разделе «Источники». Но вы должны чётко представлять себе в общих чертах картину того, как ДНК может нести информацию, как она создаёт копии и как копии могут изменяться.

В целом ключом ко всему этому является своеобразный механизм типа «замок-и-ключ». Изображение на рисунке 4-1 может показаться вам похожим на скрученную в спираль лестницу с перекладинами, состоящими из пар оснований, торчащих по одному из нуклеозидфосфата на каждой из двух нитей. Существуют четыре основания, которые могут использоваться для этого: аденин (A), цитозин (C), гуанин (G) и тимин (T). Из них могут складываться, образуя ступени лестницы ДНК, лишь строго определённые пары: аденин будет соединяться только с тимином, а цитозин — только с гуанином. Нуклеозидфосфаты, содержащие четыре основания, могут быть расположены вдоль одной нити молекулы ДНК в любом порядке, но как только вы задаёте последовательность оснований вдоль одной из нитей, их последовательность вдоль другой нити определяется автоматически. Например, если одна нить содержит последовательность A T T G C A, соответствующий участок другой нити должен быть T A A C G T. Таким образом, инструкция по выращиванию морского ежа или сенатора написана четырёхбуквенным кодом, который состоит просто из порядка расположения оснований вдоль одной нити ДНК.

Клетки размножаются путем деления, и в ходе этого процесса две нити ДНК разделяются, каждая перекладина разрывается там, где соединяются два её основания, несколько напоминая расстёгивающуюся молнию. У каждой нити есть ряд торчащих оснований, каждому из которых хотелось бы объединиться с другим основанием такого вида, какой ему подходит. Важной функцией упомянутых ранее «поддерживающих реакций» является создание нуклеозидфосфатов из более простого сырья, поступающего в виде пищи, так что каждая отдельная нить ДНК далее окажется в среде, в изобилии снабжённой строительными блоками для замены «недостающей» нити. Когда нуклеозидфосфат, содержащий аденин, натыкается на тимин, торчащий из одиночной нити, он может прицепиться к нему. В итоге к каждому из оснований вдоль каждой