Будь мы хуже осведомлены, мы могли бы подумать: «Смотри-ка, снежинки так прекрасны, и каждая — неповторима. Они должны были быть созданы гениальным творцом с неиссякаемой фантазией, способным выдумать все это множество миллионов различных моделей». Однако, как мы только что выяснили, если проводить аналогию с рассуждениями Пейли, снежинки и прочие красивые кристаллы похожи не на часы, а на камень. Наука дает нам полное и исчерпывающее объяснение красивой и сложной симметрии снежинок, отвечая в том числе и на вопрос, почему все они уникальны. Подобно камню у Пейли, они «просто появились». Процесс, когда молекулы — или вообще какие бы то ни было объекты — спонтанно складываются в столь специфические структуры, «возникающие просто так», называется самосборкой. Думаю, вы можете догадаться почему. Как мы вскоре увидим, самосборка играет важную роль в живых организмах. Настоящая глава посвящена самосборке в биологии.
Мой любимый пример живых самособирающихся объектов — это вирус, бактериофаг лямбда. Полюбуйтесь в интернете его строением. Все вирусы паразиты, а бактериофаги, как можно понять из их названия, паразитируют на бактериях. Вы, вероятно, согласитесь, что внешне он напоминает лунный модуль. Да и ведет себя похоже: приземляется на поверхность бактерии, твердо вставая на свои «ножки». Затем пробивает отверстие в клеточной стенке жертвы и впрыскивает ей свой генетический материал — свою ДНК — при помощи «хвоста» (который скорее следовало бы назвать шприцем), расположенного у него по центру. Имеющееся внутри бактерии машинное оборудование не способно отличить вирусную ДНК от своей собственной и вынуждено повиноваться содержащимся в ней инструкциям. А те велят производить множество новых вирусов, впоследствии вырывающихся наружу, чтобы приземлиться на поверхность других бактерий и тоже заразить их. Но нам с вами в данном случае интересно то, что «тело» вируса образуется путем самосборки, как кристалл. Или как некая совокупность кристаллов. Его головка действительно выглядит таким кристаллом, какой можно было бы повесить на шею (не будь он столь неимоверно мал). И она, и все прочие части вируса формируются точно тем же способом — самостоятельно, из молекул, дрейфующих внутри бактерии и занимающих свободные места на уже существующем растущем кристалле.
Заведя разговор о кристаллах, я использовал такие образы, как «солдаты на параде» и «сцепление рук». Теперь же нам понадобится несколько иная метафора — а именно пазл. Растущий кристалл можно уподобить недоделанному пазлу, который тоже иногда растет из середины, по мере того как недостающие кусочки добавляются по краям. Но в отличие от обычного плоского пазла, лежащего на столе, кристалл — пазл трехмерный.
В жидкости, окружающей этот неоконченный пазл, плавают тысячи его деталей — скажем, ионы натрия и хлора в водном растворе. Всякий раз, когда какая-нибудь деталь натыкается на кристалл, она отыскивает «отверстие» нужной формы и встраивается туда. Итак, вот еще один способ описать наращивание кристаллов снаружи. А сейчас мы воспользуемся сравнением с пазлами, чтобы поговорить о процессах, идущих в живых организмах. В частности, посмотрим, как работают ферменты. Чуть позже я расскажу вам, что это такое.
Помните приведенную в главе 7 схему химических реакций в клетке: чудовищно запутанный «транспортный узел» из стрелок и кружков? Вам, возможно, любопытно, каким образом все эти разнообразные реакции могут протекать в одном и том же крошечном объеме — внутри одной и той же клетки, — не мешая друг другу и не перепутываясь. Представьте себе, что вы пришли в химическую лабораторию, похватали все пузырьки с полок и разом опрокинули их содержимое в здоровенный бак. Вы получили бы отвратительное месиво и, вероятно, запустили бы множество жутких реакций, даже взрывов. Однако в клетках живых существ многочисленные химические реагенты каким-то образом хранятся по отдельности, не мешая друг другу. Почему они не взаимодействуют все без разбора? Можно подумать, каждый из них находится в своей особой бутылке. Но это не так. В чем же дело?
Отчасти в том, что внутреннее содержимое клетки — отнюдь не простой бак. Оно заполнено сложной системой мембран, выполняющих во многом ту же функцию, что и стеклянные стенки пробирок. Но это еще не весь ответ, и другая его часть куда интереснее. Вот тут-то и настало время вспомнить о ферментах. Ферменты — катализаторы. Катализатором называют вещество, которое ускоряет некую химическую реакцию, само при этом не меняясь. Что-то вроде проворного миниатюрного лаборанта. Иногда катализаторы увеличивают скорость реакции в миллионы раз, и особенно хорошо это умеют делать ферменты. Все перемешанные в клетке химикаты реагируют друг с другом только в присутствии катализатора — для каждой реакции своего. Та или иная реакция запускается именно тогда, когда она нужна, путем добавления соответствующего фермента. Можно представить фермент как своеобразный тумблер, у которого есть положения «вкл» и «выкл», — практически как электрический выключатель. Наличие в клетке строго определенного фермента запускает только одну, строго определенную реакцию, этим ферментом контролируемую. Более того, бывают ферменты, служащие «выключателями» (или «включателями») для других ферментов. Только представьте себе, какие изящные системы регулирования можно выстроить с такими переключателями переключателей.
Механизм работы ферментов нам известен — по крайней мере, в общих чертах. Именно здесь будет уместно сравнение с пазлами. Вообразите, будто все молекулы, сотнями бултыхающиеся внутри клетки, — это кусочки пазла. Молекуле X необходимо найти молекулу Y, чтобы соединиться с ней и получить вещество XY. Сочетание X с Y — только одна из сотен жизненно важных химических реакций, представленных на диаграмме, напоминающей клубок спагетти, которую мы видели в главе 7. Существует некая вероятность, что X случайно столкнется с Y. Существует для них и другая, меньшая, вероятность — столкнуться строго под нужным углом, дабы попасть в соответствующие пазы и объединиться. Происходит это настолько редко, что скорость образования XY крайне низка — до такой степени, что, если предоставить дело только случаю, искомого вещества нам не получить никогда. (Тут мне вспоминается самый первый отчет о моем пребывании в школе, когда мне было семь лет: «У Докинза есть только три скорости: „медленно“, „очень медленно“ и „стоп“».) Но существует специальный фермент, чья работа заключается в том, чтобы процесс объединения X с Y шел быстрее. И в случае многих ферментов «быстрее» — это еще слабо сказано. Причем здесь тоже используется принцип пазла.
Молекула фермента представляет собой громадный ком, вся поверхность которого покрыта выступами и впадинами. «Громадный» он, ясное дело, лишь по молекулярным стандартам. По тем меркам, что мы привыкли использовать в повседневной жизни, он крохотный — слишком мелкий, чтобы его можно было увидеть в световой микроскоп. Возьмем в качестве конкретного примера фермент, ускоряющий уже знакомую нам «реакцию XY». Среди имеющихся на его поверхности углублений есть ямка в форме молекулы X, расположенная как раз возле ямки в форме молекулы Y. Вот почему этот фермент — такой хороший «лаборант», обладающий специфическим умением ускорять объединение X с Y. Молекула X попадает, как кусочек пазла, во впадину формы X. А молекула Y — тоже как кусочек пазла — занимает соответствующую ей впадину. И поскольку две эти впадины располагаются по соседству и именно в нужной позиции, молекулы X и Y оказываются прижатыми друг к другу под удобным для взаимодействия углом. Получившееся соединение XY затем высвобождается и уплывает вглубь клетки, давая двум ямкам, имеющим столь точную форму, возможность проделать то же самое с другими молекулами X и Y. Таким образом, молекулу данного фермента можно представить себе не только как лаборанта, но и как своеобразный станок, который штампует молекулы XY, используя бесперебойную поставку сырья — веществ X и Y. В той же самой клетке, как и во всех прочих клетках организма, есть молекулы других ферментов, и форма каждой из них идеальна — то есть обладает всеми необходимыми «ямками» и «вмятинами», — для того чтобы ускорять другие химические реакции. Должен подчеркнуть, что, употребляя такие слова, как «форма» или «углубление», я все чрезмерно упрощаю. Но буду продолжать пользоваться этим языком и дальше, поскольку для целей настоящей главы он уместен. Тем не менее под «формой» могут подразумеваться не только физические очертания, но и химическое сродство.
