Семилетняя работа Менделя отличалась прежде всего строгой организованностью. Им с самого начала были сформулированы научные принципы описания и исследования гибридов и их потомства (какие формы брать в скрещивание, как вести анализ в первом и втором поколении). Он впервые разработал и применил алгебраическую систему символов и обозначений признаков, что существенно облегчило осмысление результатов. В итоге Мендель сформулировал два основных закона наследования признаков, что дало возможность делать определенные предсказания. Кроме того, в неявной форме им была высказана идея дискретности и бинарности наследственных задатков: каждый признак контролируется материнской и отцовской парой задатков (или генов, как их потом стали называть), которые через родительские половые клетки передаются гибридам и никуда не исчезают. Задатки признаков не влияют друг на друга, но расходятся при образовании половых клеток и затем свободно комбинируются у потомков.
Правда, тогда его открытия остались непризнанными широкой научной общественностью, что впрочем, не означает, ее незамеченности. На самом деле статью Менделя ботаники того времени знали, на нее неоднократно ссылались, более того, как выяснилось впоследствии при анализе рабочих тетрадей К.Э. Корренса, тот еще в 1896 читал и даже сделал ее реферат, но не понял в то время ее глубинного смысла и просто забыл. Но как бы то ни было после практически одновременного повторного выявления законов наследственности независимо друг от друга разными исследователями в разных странах в 1900 году (Х. Де Фриз, К.Э. Корренс и Э. Чермак-Зейзенегг), справедливость была восстановлена. Приоритет Менделя был признан, созданная же им новая наука генетика получила мощный импульс к развитию.
Так получилось, что практически одновременно с выявлением основных законов генетики в 1868 году молодым швейцарским биохимиком и физиологом Иоганном Ф.Мишером (1844 – 1895) были открыты нуклеиновые кислоты. С отнесением новых веществ к кислотам все было просто: они легко вступали в соединение с «основными» красителями, то есть обнаруживали выраженные кислотные свойства. Нуклеиновыми же они были названы только потому, что присутствовали, как правило, в клеточном ядре (от nucleos – ядро).
Этапным в развитии новой науки оказался 1912 год, когда американский биолог Томас Г. Морган (1866 – 1945) предложил теорию локализации генов в хромосомах. Он ставил свои эксперименты на мухах дрозофилах, вскоре ставших едва ли не самым популярным объектом генетических исследований. Развитая им и его школой (Г. Дж. Меллер, А. Г. Стертевант и др.) генная теория включала в себя ряд законов, дополняющих законы Менделя (гены в хромосомах сцеплены друг с другом; число возможных комбинаций между генами внутри хромосом зависит от их удаленности друг от друга; гены одной и той же хромосомы образуют связанную группу, а число этих групп не превышает число хромосомных пар). В 1933 году за разработку хромосомной теории наследственности ему была присуждена Нобелевская премия.
(Два эти имени станут у нас нарицательными, и в СССР долгое время «менделизм-морганизм» будет синонимом генетики, и ругательное отношение к ней прочно соединится с негативной оценкой этих фигур.)
В 1944 году основываясь на результатах исследований Френсиса Гриффита, проводившихся тем еще в 1928 году, американскими биохимиками Освальдом Т. Эвери, Колином М. Маклеодом, Маклином Маккарти из Рокфеллеровского института из вирулентных пневмококков была выделена дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Так было открыто и идентифицировано вещество, определяющее наследственные свойства организма.
Через 18 лет английскому биофизику Морису Х.Ф.Уилкинсу (уроженцу Новой Зеландии) на основе рентгеноструктурного анализа удалось объяснить структуру ДНК. В следующем, 1953, году американским биохимиком Джеймсом Д. Уотсоном и английским физиком Френсисом Х.К.Криком была открыта структура молекулы ДНК. Используя данные рентгеноструктурного анализа кристаллов ДНК, проведенного Уилкинсом, они предположили, что эта спираль состоит из двух полинуклеатидных цепей, и исходя из этого представления создали модель несущей наследственную информацию молекулы в виде двойной спирали. На основе модели Уотсона-Крика было разработано современное представление о принципе работы гена и заложены основы учения о передаче биологической информации.
Нуклеиновые кислоты представляют собой простую последовательность связанных между собой нуклеотидов. Каждый из них включает в себя по одной молекуле фосфорной кислоты, сахара и органического основания.
Фосфорная кислота во всех случаях одинакова, то есть каждый нуклеотид включает в себя одну и ту же молекулу.
В отличие от фосфорной кислоты, сахара представлены в двух вариантах: рибозы и дезоксирибозы. Эти два сахара никогда не встречаются одновременно в одном и том же полинуклеатиде, то есть в одной и той же цепочке нуклеотидов. И если мы обозначим эти сахара их начальными буквами Р (рибоза) и Д (дезоксирибоза), то получим известные сегодня, наверное, каждому аббревиатуры нуклеиновых кислот (НК): РНК и ДНК.
Основания так же отличаются друг от друга. Но здесь отличий больше. В состав ДНК входит четыре их разновидности: аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) и тимин (Т); в состав РНК входят три из них: аденин, гуанин, цитозин, но вместо тимина появляется урацил (У).
Таким образом, с позиций структурной химии ДНК представляет собой последовательность связанных между собой дезоксирибонуклеатидов, РКН – последовательность рибонуклеатидов. Словом, не очень сложное образование, но при этом общая длина нуклеатидных цепей может достигать нескольких миллионов звеньев.
В этих молекулярных цепочках каждые три следующие друг за другом основания составляют собой так называемый триплет. Триплетная компоновка одним из первых в 1954 году была предложена Джорджем (Георгием Антоновичем) Гамовым, американским физиком, выходцем из России. Число различных сочетаний из 4 нуклеотидов по два составило бы 42 = 16, что недостаточно для кодирования 20 аминокислот, в то время как число сочетаний по три – 64 (43 = 64)[25].
Каждый триплет имеет своим назначением кодировать какую-то определенную аминокислоту. Другими словами, каждый триплет служит сигналом к включению в состав синтезируемой белковой молекулы строго определенной аминокислоты. Так, например, триплет ГАУ кодирует собой аспарагиновую кислоту, ГЦУ – аланин, ЦЦУ – пролин, УУУ – фенилаланин. Поэтому последовательность ГАУ – ГЦУ – ЦЦУ – УУУ означает собой род жесткой инструкции, согласно которой нужно сначала взять аспарагиновую кислоту, затем подключить к ней аланин, далее – пролин и, наконец, фенилаланин.
Приведем так называемый генетический «словарь»:
Примечание: «Нет» означает, что кодон не кодирует никаких аминокислот; такие кодоны называются бессмысленными.
Собственно, именно в жестком соответствии между триплетами и аминокислотами, которые они кодируют, и состоит связь между нуклеиновыми кислотами и белковым синтезом. Это соответствие было установлено опытным путем: к разрушенным клеткам добавляли синтетические полинуклеотиды известного состава и смотрели, какие аминокислоты включаются в белки. Позднее появилась возможность прямо сравнить последовательности аминокислот в вирусных белках и оснований в вирусных нуклеиновых кислотах. При этом чрезвычайно интересно отметить, что генетический код, за редкими исключениями, одинаков для всех организмов – от вирусов до человека.[26]
Таким образом, можно заключить, что триплет предстает как дискретный сигнал, как некоторая информационная единица, кодовое слово. Иначе – кодон. Всего лишь посредством четырех различных знаков, которые представляют собой молекулы четырех весьма схожих органических соединений, «записана» вся информация о строении биологического организма любого уровня сложности. Все что требуется, – это выстроить их в нужной последовательности.
Казалось бы, всего четыре знака для кодирования того бесконечного многообразия, из которого складывается живая природа, – это очень мало. Но вспомним, еще меньшим числом – всего тремя знаками (точка, тире, пробел) можно кодировать все буквы русского (впрочем, не только русского, но и любого вообще) алфавита, а уже с их помощью – полное содержание всех библиотек и музеев мира.
Однако мы уже могли видеть, что там, где начинается жизнь, вступают в действие более чем астрономические величины: так, например, цепочка, состоящая всего из 50 триплетов дает 2*1090 вариантов. Поэтому ясно, что даже такая коротенькая последовательность сама по себе, случайно, сформироваться не может. Тем более нечего думать о последовательностях, которые включают в себя миллионы самостоятельных звеньев.
Но если невозможна чисто случайная полимеризация, то, может быть, существуют механизмы, позволяющие автоматически отсекать какие-то заведомо неприемлемые варианты. Нельзя ли предположить, что при соблюдении некоторых условий упорядоченные последовательности нуклеотидов начинают формироваться совсем не случайно, что определенным вариантам начинает отдаваться предпочтение?
Эта проблема была сформулирована практически сразу же после расшифровки генетического кода и механизма матричного синтеза белка. Поэтому уже в шестидесятых годах нашего столетия были предложены математические модели (разумеется, очень упрощенные) таких механизмов.
Вот один из них[27].
Материалом, моделирующим синтезируемую молекулу ДНК являются шарики разного веса. Центральным звеном модели выступают обыкновенные рычажные весы, на одну из чаш которых последовательно скатываются шарики из специального накопителя. Накопитель разделен на 2 отсека; в одном из них собраны тяжелые шарики (О), в другом – легкие (о). На коромысле весов установлена специальная заслонка, которая в зависимости от обстоятельств может открывать один сектор накопителя и одновременно закрывать другой. Так, например, если чаши весов находятся в равновесии, или одна из них поднимается вверх, – открывается та часть накопителя, в которой помещены тяжелые шарики, если, напротив, эта же чаша опускается вниз, открывается другой сектор и оттуда поступает легкий шарик.
При каждом падении на чашу весов нового шарика тот, который находился на ней до того, скатывается на переходный мостик, где расположены в каком-то порядке 5 других шариков. При этом первый из них под влиянием толчка скатывается на вторую чашу весов, откуда, в свою очередь, выталкивает шарик, находившийся на ней. И вот этот последний присоединяется к уже начавшей формироваться последовательности.
Будет ли случайна последовательность шариков, которая формируется подобным механизмом? Нет, она обнаружит все признаки некоторой упорядоченности. Рассмотрим процесс поэтапно.
ООоО о оОоОО о(1)
Позиция 1 (слева расположены последние звенья формирующейся последовательности шариков; справа – весы, где крайние шарики расположены на чашах, пять средних – на переходном мостике) иллюстрирует равновесие: на обеих чашах расположены легкие шарики, а значит, по условию следующим должен выпадать тяжелый шарик. Поэтому следующий шаг (позиция 2) будет выглядеть так:
ООоОо о ОоООо О(2)
Теперь правая чаша идет вниз, и, значит, открывается заслонка, выпускающая легкий шар:
ООоОоо О оООоО о(3).
И так далее…
При непрерывной работе (и при достаточных запасах шариков в обоих отсеках) получается длинный ряд чередующихся по сложному закону шариков О и о. На первый взгляд последовательность кажется беспорядочной, однако это совсем не так. Математика говорит, что через каждые 127 шагов она должна в точности повторяться. Если в описанной модели на весах все время находится 7 шариков (два на чашах и 5 на переходном мостике), то максимальный период составляет 2^7 – 1 = 127.
Таким образом, описанный процесс совсем не беспорядочен. Модель работает как некоторая вычислительная машина.
Мы вправе утверждать, что формируемая этим механизмом упорядоченная последовательность обладает существенно пониженной энтропией по сравнению с той, которая может формироваться чисто случайно. Но пониженная энтропия существует везде, где есть разность энергетических потенциалов, однако далеко не всегда эта разность способна породить что-то высокоорганизованное. Так, разрывающаяся граната даже разрушает многое вокруг себя, хотя ее энергетический потенциал намного превосходит потенциал всего того, что непосредственно ее окружает. Поэтому одной только упорядоченности еще совершенно недостаточно; необходимо, чтобы эта последовательность обладала хотя бы каким-нибудь смыслом, иначе говоря, обладала всей полнотой информации, которая необходима для «сборки» живого тела.
Но можем ли мы сказать, что формируемая с помощью подобного (только, разумеется, несопоставимо более сложного) механизма цепочка нуклеотидов сама по себе несет полную инструкцию о том, каким образом, скажем, из клетки мака должно сформироваться целое растение с двумя зелеными чашелистиками, четырьмя красными лепестками, многочисленными черными тычинками и плодом-коробочкой, заполненной множеством голубоватых семян? Ни в коем случае. Положительный ответ на этот вопрос означает, что простое сочетание органохимических свойств отдельных звеньев этой цепочки само по себе порождает, во-первых, какую-то концепцию жизни вообще и концепцию будущей организации какого-то конкретного живого существа в частности, во-вторых, механизм обратного перевода этих концепций на язык органохимических реакций, в результате которых должны синтезироваться все необходимые для организма белки.
Но такое предположение совершенно равнозначно тому, что с помощью какого-то сложного устройства можно было бы последовательно заполнять чистую гладь бумажного листа какими-то типографскими символами, а уже последовательность этих символов сама по себе, без всякого нашего вмешательства, создавала бы, во-первых, какую-то новую, еще неизвестную нам научную дисциплину, во-вторых, так же сама по себе доказывала бы в ее рамках какие-то теоремы. Словом, равнозначно предположению о том, что сочетание физико-химических свойств сложных конфигураций пятен типографской краски способно заменить сложный научный поиск.
Эти аналогии совсем не случайны. Полное отождествление строгой последовательности триплетов с кодом – а значит, и с языком – давно уже прочно вошло в научный оборот. Но если верно сравнение последовательности триплетов с каким-то кодом, то здесь должны действовать те же законы, которым подчиняется функционирование любых языков. Поэтому если мы обнаружим, что в языке и в самом деле возможно формирование какого-то смысла путем простого выстраивания букв или звуков, то можно будет согласиться и с самопроизвольным формированием механизма биологического синтеза.
Но можно ли в языке породить что-то осмысленное простым сочетанием звуков?
Отчасти да. Вот пример:
Этот эффект вызывается именно специфическим специально подобранным сочетанием звуков; подобное фонетическое акцентирование смысла – большая редкость, и не случайно эти стихи в переводе М.Зинкевича, сумевшие с такой силой передать всю мистику «Ворона» Эдгара По, навсегда вошли в сокровищницу русской поэзии.
Знатоки российской словесности могут привести множество примеров из поздней Цветаевой, Хлебникова и других, которые любили и умели привносить в стих что-то идущее от самого звука. Но мы преследуем здесь другие цели, поэтому ограничимся одним – уже приведенным примером.
Итак, тонкие оттенки смысла, могут быть привнесены специально подобранным сочетанием звуков. Но любой оттенок – это всегда дополнительный смысл, который выходит за пределы обиходного значения употребляемых нами слов. Ведь каждый знает, что одна и та же фраза, произносимая в разной тональности, сопровождаемая разной знакообразующей аурой (жестикуляция, мимика и т п.) может означать собой даже противоположные вещи. Поэтому можно утверждать по меньшей мере следующее: какой-то дополнительный смысл может быть образован сочетанием знаков. Но здесь требуется уточнить: все это справедливо только и только там, где какой-то смысл уже есть. Вернее сказать, исключительно там, где уже существует развитая языковая среда, законы которой известны всем и законам которой подчиняется каждый, кто говорит на этом языке. Но это вовсе не означает собой того, что сочетания звуков способны породить что-то осмысленное там, где эта среда начисто отсутствует. Больше того, предположить такую возможность, значит, предположить заведомую глупость.
Словом, понять логику формирования любой информации можно лишь обратившись к той языковой среде, в которой она только и может существовать. Вот и обратимся к языку, к знаковым системам.
Начнем с самого простого.
Представим себе обыкновенное зеркало. Каждый раз, глядя в него, мы обнаруживаем на его поверхности некоторое изображение. Можем ли мы сказать, что это отображение и в самом деле формируется на поверхности стекла? Ни в коем случае; в действительности его гладь абсолютно пуста, зрительный же образ, который встает перед нами всякий раз, когда мы бросаем взгляд на зеркало, на самом деле, рождается где-то в потаенных глубинах нашего собственного сознания. Правда, внятного ответа на вопрос о механизмах рождения зрительного образа сегодня пока еще не существует, но не будем вдаваться здесь в тонкости философии, психологии, физиологии, наконец, анатомии органов чувств и нервной системы человека, удовлетворимся приведенной – пусть и несколько туманной – формулировкой.
Для того, чтобы убедиться в том, что зеркало само по себе не содержит абсолютно ничего, достаточно просто сместиться на некоторое расстояние; тогда отражение на его поверхности пусть незначительно, но изменится. Это и понятно, ибо теперь мы смотрим уже под другим углом, поэтому что-то уходит из поля нашего зрения, что-то, напротив, добавляется. Можно без конца повторять процедуру перемещения – отражение каждый раз будет пусть и немного, но другим. Это является доказательством. Действительно, если бы сама поверхность зеркала обладала бы способностью формировать изображение окружающей ее действительности, то она вынуждена была бы одновременно содержать в себе бесчисленное множество самых разнообразных картинок окружающей его действительности. Но это, разумеется, полностью исключено.
Казалось бы, истина, которая утверждается здесь, настолько элементарна и общеизвестна, что вообще не требует никакой аргументации. Однако не будем категоричными: на самом деле она не так уж и проста, ибо, несмотря ни на что, и сегодня очень многие верят в то, что изображение на зеркале остается даже тогда, когда мы закрываем глаза или выходим из комнаты. Поэтому понять ее можно только проделав довольно сложную и трудную умственную работу. Но мы обращаемся по преимуществу к тем, у кого абстрактное мышление не вызывает решительно никакой аллергии.
Заметим одно существенное для дальнейших рассуждений обстоятельство. Для того, чтобы на поверхности зеркала могло сформироваться отражение какой-то реальности, необходимо сочетание, как минимум двух обстоятельств:
– существования той самой реальности, которой надлежит отразиться на его плоскости,
– существования механизма распознавания и дешифрации сигналов, подаваемых нам реальной действительностью и отражаемых поверхностью нашего зеркала.
Если нет самой реальности, никакое отражение невозможно, помещенное в пустоту зеркало может отразить только пустоту; в свою очередь, если наличествуют какие-то дефекты механизма зрительного восприятия, – образ так же не возникает.
Понятно, что отражаемая реальность существует вне и независимо от зеркала. Точно так же вне и независимо от него существует и тот механизм зрительного восприятия, благодаря которому происходит дешифрация воспринимаемых нами сигналов, то есть наши органы зрения, нервные связи, кора головного мозга и так далее (мы не будем здесь заниматься выяснением того, из чего «складывается» наше сознание и «складывается» ли оно вообще из чего-нибудь материального, между тем зрительный образ является результатом именно его деятельности). Словом, отражение на любой полированной поверхности возникает только в том случае, если само зеркало существует «внутри» какой-то сложной системы взаимодействий высоко развитых и сложно организованных начал.
Казалось бы, и это настолько просто, что не требует никаких обоснований. Но мы уже приближаемся к нашей цели.
Дело в том, что описываемая здесь ситуация является точной моделью знаковых систем, наиболее известными разновидностями которых является наша речь, наша письменность. А вот там, где мы сталкиваемся со знаками, у нас зачастую существуют весьма превратные представления о действительности.
Возьмем любую книгу; на белой глади бумажных листов выстроены в определенной последовательности разнообразные типографские знаки. Все это мы привычно называем информацией, и говорим, что книга содержит в себе какую-то информацию. Причем тут зеркало? А притом, что книга со всеми ее листами, типографскими знаками и даже какими-то картинками на них – это точный аналог именно того самого зеркала, которое в действительности не содержит в себе абсолютно ничего.
Точно так же, как и в ситуации с зеркалом, вся информация на деле существует только в нашем сознании, и для того, чтобы она могла возникнуть в каких-то потаенных его глубинах, необходимо существование более широкой и развитой системы явлений, которая обязана включать в себя:
– язык со всей его фонетикой, грамматикой, лексикой, семантикой (специалисты в области информационных систем называют это языковыми конвенциями);
– совокупность общепринятых соглашений обо всех окружающих нас вещах, сложившихся понятий, если угодно, предрассудков, и так далее, словом все то, что определяется собирательным понятием культуры;
– систему письма;
– механизм распознавания и дешифрации письменных знаков, проще говоря, умение читать и писать;
– наконец, реальную действительность (как материальную, так и духовную), которая и отображается в языке, культуре.
Согласимся, что если нет письменности, нет и не может быть никаких книг. Гомер был записан только в VI веке до н э., во время правления афинского тирана Писистрата, когда их исполнение было включено в празднества Великих Панафиней (то есть празднеств, посвященных божественной покровительнице Афине). До этого, его поэмы, созданные, как полагают, в 8 в. до н э., могли передаваться лишь изустно и восприниматься только на слух.
Правда, тогда его открытия остались непризнанными широкой научной общественностью, что впрочем, не означает, ее незамеченности. На самом деле статью Менделя ботаники того времени знали, на нее неоднократно ссылались, более того, как выяснилось впоследствии при анализе рабочих тетрадей К.Э. Корренса, тот еще в 1896 читал и даже сделал ее реферат, но не понял в то время ее глубинного смысла и просто забыл. Но как бы то ни было после практически одновременного повторного выявления законов наследственности независимо друг от друга разными исследователями в разных странах в 1900 году (Х. Де Фриз, К.Э. Корренс и Э. Чермак-Зейзенегг), справедливость была восстановлена. Приоритет Менделя был признан, созданная же им новая наука генетика получила мощный импульс к развитию.
Так получилось, что практически одновременно с выявлением основных законов генетики в 1868 году молодым швейцарским биохимиком и физиологом Иоганном Ф.Мишером (1844 – 1895) были открыты нуклеиновые кислоты. С отнесением новых веществ к кислотам все было просто: они легко вступали в соединение с «основными» красителями, то есть обнаруживали выраженные кислотные свойства. Нуклеиновыми же они были названы только потому, что присутствовали, как правило, в клеточном ядре (от nucleos – ядро).
Этапным в развитии новой науки оказался 1912 год, когда американский биолог Томас Г. Морган (1866 – 1945) предложил теорию локализации генов в хромосомах. Он ставил свои эксперименты на мухах дрозофилах, вскоре ставших едва ли не самым популярным объектом генетических исследований. Развитая им и его школой (Г. Дж. Меллер, А. Г. Стертевант и др.) генная теория включала в себя ряд законов, дополняющих законы Менделя (гены в хромосомах сцеплены друг с другом; число возможных комбинаций между генами внутри хромосом зависит от их удаленности друг от друга; гены одной и той же хромосомы образуют связанную группу, а число этих групп не превышает число хромосомных пар). В 1933 году за разработку хромосомной теории наследственности ему была присуждена Нобелевская премия.
(Два эти имени станут у нас нарицательными, и в СССР долгое время «менделизм-морганизм» будет синонимом генетики, и ругательное отношение к ней прочно соединится с негативной оценкой этих фигур.)
В 1944 году основываясь на результатах исследований Френсиса Гриффита, проводившихся тем еще в 1928 году, американскими биохимиками Освальдом Т. Эвери, Колином М. Маклеодом, Маклином Маккарти из Рокфеллеровского института из вирулентных пневмококков была выделена дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Так было открыто и идентифицировано вещество, определяющее наследственные свойства организма.
Через 18 лет английскому биофизику Морису Х.Ф.Уилкинсу (уроженцу Новой Зеландии) на основе рентгеноструктурного анализа удалось объяснить структуру ДНК. В следующем, 1953, году американским биохимиком Джеймсом Д. Уотсоном и английским физиком Френсисом Х.К.Криком была открыта структура молекулы ДНК. Используя данные рентгеноструктурного анализа кристаллов ДНК, проведенного Уилкинсом, они предположили, что эта спираль состоит из двух полинуклеатидных цепей, и исходя из этого представления создали модель несущей наследственную информацию молекулы в виде двойной спирали. На основе модели Уотсона-Крика было разработано современное представление о принципе работы гена и заложены основы учения о передаче биологической информации.
Нуклеиновые кислоты представляют собой простую последовательность связанных между собой нуклеотидов. Каждый из них включает в себя по одной молекуле фосфорной кислоты, сахара и органического основания.
Фосфорная кислота во всех случаях одинакова, то есть каждый нуклеотид включает в себя одну и ту же молекулу.
В отличие от фосфорной кислоты, сахара представлены в двух вариантах: рибозы и дезоксирибозы. Эти два сахара никогда не встречаются одновременно в одном и том же полинуклеатиде, то есть в одной и той же цепочке нуклеотидов. И если мы обозначим эти сахара их начальными буквами Р (рибоза) и Д (дезоксирибоза), то получим известные сегодня, наверное, каждому аббревиатуры нуклеиновых кислот (НК): РНК и ДНК.
Основания так же отличаются друг от друга. Но здесь отличий больше. В состав ДНК входит четыре их разновидности: аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) и тимин (Т); в состав РНК входят три из них: аденин, гуанин, цитозин, но вместо тимина появляется урацил (У).
Таким образом, с позиций структурной химии ДНК представляет собой последовательность связанных между собой дезоксирибонуклеатидов, РКН – последовательность рибонуклеатидов. Словом, не очень сложное образование, но при этом общая длина нуклеатидных цепей может достигать нескольких миллионов звеньев.
В этих молекулярных цепочках каждые три следующие друг за другом основания составляют собой так называемый триплет. Триплетная компоновка одним из первых в 1954 году была предложена Джорджем (Георгием Антоновичем) Гамовым, американским физиком, выходцем из России. Число различных сочетаний из 4 нуклеотидов по два составило бы 42 = 16, что недостаточно для кодирования 20 аминокислот, в то время как число сочетаний по три – 64 (43 = 64)[25].
Каждый триплет имеет своим назначением кодировать какую-то определенную аминокислоту. Другими словами, каждый триплет служит сигналом к включению в состав синтезируемой белковой молекулы строго определенной аминокислоты. Так, например, триплет ГАУ кодирует собой аспарагиновую кислоту, ГЦУ – аланин, ЦЦУ – пролин, УУУ – фенилаланин. Поэтому последовательность ГАУ – ГЦУ – ЦЦУ – УУУ означает собой род жесткой инструкции, согласно которой нужно сначала взять аспарагиновую кислоту, затем подключить к ней аланин, далее – пролин и, наконец, фенилаланин.
Приведем так называемый генетический «словарь»:
Примечание: «Нет» означает, что кодон не кодирует никаких аминокислот; такие кодоны называются бессмысленными.
Собственно, именно в жестком соответствии между триплетами и аминокислотами, которые они кодируют, и состоит связь между нуклеиновыми кислотами и белковым синтезом. Это соответствие было установлено опытным путем: к разрушенным клеткам добавляли синтетические полинуклеотиды известного состава и смотрели, какие аминокислоты включаются в белки. Позднее появилась возможность прямо сравнить последовательности аминокислот в вирусных белках и оснований в вирусных нуклеиновых кислотах. При этом чрезвычайно интересно отметить, что генетический код, за редкими исключениями, одинаков для всех организмов – от вирусов до человека.[26]
Таким образом, можно заключить, что триплет предстает как дискретный сигнал, как некоторая информационная единица, кодовое слово. Иначе – кодон. Всего лишь посредством четырех различных знаков, которые представляют собой молекулы четырех весьма схожих органических соединений, «записана» вся информация о строении биологического организма любого уровня сложности. Все что требуется, – это выстроить их в нужной последовательности.
Казалось бы, всего четыре знака для кодирования того бесконечного многообразия, из которого складывается живая природа, – это очень мало. Но вспомним, еще меньшим числом – всего тремя знаками (точка, тире, пробел) можно кодировать все буквы русского (впрочем, не только русского, но и любого вообще) алфавита, а уже с их помощью – полное содержание всех библиотек и музеев мира.
Однако мы уже могли видеть, что там, где начинается жизнь, вступают в действие более чем астрономические величины: так, например, цепочка, состоящая всего из 50 триплетов дает 2*1090 вариантов. Поэтому ясно, что даже такая коротенькая последовательность сама по себе, случайно, сформироваться не может. Тем более нечего думать о последовательностях, которые включают в себя миллионы самостоятельных звеньев.
Но если невозможна чисто случайная полимеризация, то, может быть, существуют механизмы, позволяющие автоматически отсекать какие-то заведомо неприемлемые варианты. Нельзя ли предположить, что при соблюдении некоторых условий упорядоченные последовательности нуклеотидов начинают формироваться совсем не случайно, что определенным вариантам начинает отдаваться предпочтение?
Эта проблема была сформулирована практически сразу же после расшифровки генетического кода и механизма матричного синтеза белка. Поэтому уже в шестидесятых годах нашего столетия были предложены математические модели (разумеется, очень упрощенные) таких механизмов.
Вот один из них[27].
Материалом, моделирующим синтезируемую молекулу ДНК являются шарики разного веса. Центральным звеном модели выступают обыкновенные рычажные весы, на одну из чаш которых последовательно скатываются шарики из специального накопителя. Накопитель разделен на 2 отсека; в одном из них собраны тяжелые шарики (О), в другом – легкие (о). На коромысле весов установлена специальная заслонка, которая в зависимости от обстоятельств может открывать один сектор накопителя и одновременно закрывать другой. Так, например, если чаши весов находятся в равновесии, или одна из них поднимается вверх, – открывается та часть накопителя, в которой помещены тяжелые шарики, если, напротив, эта же чаша опускается вниз, открывается другой сектор и оттуда поступает легкий шарик.
При каждом падении на чашу весов нового шарика тот, который находился на ней до того, скатывается на переходный мостик, где расположены в каком-то порядке 5 других шариков. При этом первый из них под влиянием толчка скатывается на вторую чашу весов, откуда, в свою очередь, выталкивает шарик, находившийся на ней. И вот этот последний присоединяется к уже начавшей формироваться последовательности.
Будет ли случайна последовательность шариков, которая формируется подобным механизмом? Нет, она обнаружит все признаки некоторой упорядоченности. Рассмотрим процесс поэтапно.
ООоО о оОоОО о(1)
Позиция 1 (слева расположены последние звенья формирующейся последовательности шариков; справа – весы, где крайние шарики расположены на чашах, пять средних – на переходном мостике) иллюстрирует равновесие: на обеих чашах расположены легкие шарики, а значит, по условию следующим должен выпадать тяжелый шарик. Поэтому следующий шаг (позиция 2) будет выглядеть так:
ООоОо о ОоООо О(2)
Теперь правая чаша идет вниз, и, значит, открывается заслонка, выпускающая легкий шар:
ООоОоо О оООоО о(3).
И так далее…
При непрерывной работе (и при достаточных запасах шариков в обоих отсеках) получается длинный ряд чередующихся по сложному закону шариков О и о. На первый взгляд последовательность кажется беспорядочной, однако это совсем не так. Математика говорит, что через каждые 127 шагов она должна в точности повторяться. Если в описанной модели на весах все время находится 7 шариков (два на чашах и 5 на переходном мостике), то максимальный период составляет 2^7 – 1 = 127.
Таким образом, описанный процесс совсем не беспорядочен. Модель работает как некоторая вычислительная машина.
Мы вправе утверждать, что формируемая этим механизмом упорядоченная последовательность обладает существенно пониженной энтропией по сравнению с той, которая может формироваться чисто случайно. Но пониженная энтропия существует везде, где есть разность энергетических потенциалов, однако далеко не всегда эта разность способна породить что-то высокоорганизованное. Так, разрывающаяся граната даже разрушает многое вокруг себя, хотя ее энергетический потенциал намного превосходит потенциал всего того, что непосредственно ее окружает. Поэтому одной только упорядоченности еще совершенно недостаточно; необходимо, чтобы эта последовательность обладала хотя бы каким-нибудь смыслом, иначе говоря, обладала всей полнотой информации, которая необходима для «сборки» живого тела.
Но можем ли мы сказать, что формируемая с помощью подобного (только, разумеется, несопоставимо более сложного) механизма цепочка нуклеотидов сама по себе несет полную инструкцию о том, каким образом, скажем, из клетки мака должно сформироваться целое растение с двумя зелеными чашелистиками, четырьмя красными лепестками, многочисленными черными тычинками и плодом-коробочкой, заполненной множеством голубоватых семян? Ни в коем случае. Положительный ответ на этот вопрос означает, что простое сочетание органохимических свойств отдельных звеньев этой цепочки само по себе порождает, во-первых, какую-то концепцию жизни вообще и концепцию будущей организации какого-то конкретного живого существа в частности, во-вторых, механизм обратного перевода этих концепций на язык органохимических реакций, в результате которых должны синтезироваться все необходимые для организма белки.
Но такое предположение совершенно равнозначно тому, что с помощью какого-то сложного устройства можно было бы последовательно заполнять чистую гладь бумажного листа какими-то типографскими символами, а уже последовательность этих символов сама по себе, без всякого нашего вмешательства, создавала бы, во-первых, какую-то новую, еще неизвестную нам научную дисциплину, во-вторых, так же сама по себе доказывала бы в ее рамках какие-то теоремы. Словом, равнозначно предположению о том, что сочетание физико-химических свойств сложных конфигураций пятен типографской краски способно заменить сложный научный поиск.
Эти аналогии совсем не случайны. Полное отождествление строгой последовательности триплетов с кодом – а значит, и с языком – давно уже прочно вошло в научный оборот. Но если верно сравнение последовательности триплетов с каким-то кодом, то здесь должны действовать те же законы, которым подчиняется функционирование любых языков. Поэтому если мы обнаружим, что в языке и в самом деле возможно формирование какого-то смысла путем простого выстраивания букв или звуков, то можно будет согласиться и с самопроизвольным формированием механизма биологического синтеза.
Но можно ли в языке породить что-то осмысленное простым сочетанием звуков?
Отчасти да. Вот пример:
Заметим: вся строфа этого блистательного перевода одной из жемчужин мировой поэзии произносится в заднеязычной позиции. Сама по себе «заднеязычность» тяготеет к нижнему регистру, который, в свою очередь, обладает какими-то специфическими обертонами, существенно отличными от обертонов переднеязычных звукосочетаний. Частью эти обертона лежат в инфразвуковой области; они не различимы для нашего слуха, но это совсем не значит, что они никак не воздействуют на человека. Нагнетаемое же здесь чередование рокочущего «р», гудящего «ж» и шипящего «ш» усиливает именно этот спектр частот. Между тем известно, что определенные частоты инфразвука способны вызывать у человека чувство скрытой угрозы, подсознательной тревоги, словом, наполнить нас именно тем, что сам поэт назвал смутным ужасом. (Кстати, обращаясь к ребенку или к близким нам людям, мы никогда не переходим на нижний регистр; басы мы приберегаем для обозначения своей готовности к атаке или, напротив, для предупреждения чьей-то агрессии. Это настолько прочно сидит в нас, что регулируется практически без участия нашего сознания, что говорится, рефлекторно, автоматически.) Поэтому обертональная «оболочка» приведенных здесь стихов резко усиливает тот эмоциональный эффект, который создается самим их содержанием.
«Шелковый тревожный шорох в пурпурных портьерах, шторах
Полонил, наполнил смутным ужасом меня всего…»
Этот эффект вызывается именно специфическим специально подобранным сочетанием звуков; подобное фонетическое акцентирование смысла – большая редкость, и не случайно эти стихи в переводе М.Зинкевича, сумевшие с такой силой передать всю мистику «Ворона» Эдгара По, навсегда вошли в сокровищницу русской поэзии.
Знатоки российской словесности могут привести множество примеров из поздней Цветаевой, Хлебникова и других, которые любили и умели привносить в стих что-то идущее от самого звука. Но мы преследуем здесь другие цели, поэтому ограничимся одним – уже приведенным примером.
Итак, тонкие оттенки смысла, могут быть привнесены специально подобранным сочетанием звуков. Но любой оттенок – это всегда дополнительный смысл, который выходит за пределы обиходного значения употребляемых нами слов. Ведь каждый знает, что одна и та же фраза, произносимая в разной тональности, сопровождаемая разной знакообразующей аурой (жестикуляция, мимика и т п.) может означать собой даже противоположные вещи. Поэтому можно утверждать по меньшей мере следующее: какой-то дополнительный смысл может быть образован сочетанием знаков. Но здесь требуется уточнить: все это справедливо только и только там, где какой-то смысл уже есть. Вернее сказать, исключительно там, где уже существует развитая языковая среда, законы которой известны всем и законам которой подчиняется каждый, кто говорит на этом языке. Но это вовсе не означает собой того, что сочетания звуков способны породить что-то осмысленное там, где эта среда начисто отсутствует. Больше того, предположить такую возможность, значит, предположить заведомую глупость.
Словом, понять логику формирования любой информации можно лишь обратившись к той языковой среде, в которой она только и может существовать. Вот и обратимся к языку, к знаковым системам.
Начнем с самого простого.
Представим себе обыкновенное зеркало. Каждый раз, глядя в него, мы обнаруживаем на его поверхности некоторое изображение. Можем ли мы сказать, что это отображение и в самом деле формируется на поверхности стекла? Ни в коем случае; в действительности его гладь абсолютно пуста, зрительный же образ, который встает перед нами всякий раз, когда мы бросаем взгляд на зеркало, на самом деле, рождается где-то в потаенных глубинах нашего собственного сознания. Правда, внятного ответа на вопрос о механизмах рождения зрительного образа сегодня пока еще не существует, но не будем вдаваться здесь в тонкости философии, психологии, физиологии, наконец, анатомии органов чувств и нервной системы человека, удовлетворимся приведенной – пусть и несколько туманной – формулировкой.
Для того, чтобы убедиться в том, что зеркало само по себе не содержит абсолютно ничего, достаточно просто сместиться на некоторое расстояние; тогда отражение на его поверхности пусть незначительно, но изменится. Это и понятно, ибо теперь мы смотрим уже под другим углом, поэтому что-то уходит из поля нашего зрения, что-то, напротив, добавляется. Можно без конца повторять процедуру перемещения – отражение каждый раз будет пусть и немного, но другим. Это является доказательством. Действительно, если бы сама поверхность зеркала обладала бы способностью формировать изображение окружающей ее действительности, то она вынуждена была бы одновременно содержать в себе бесчисленное множество самых разнообразных картинок окружающей его действительности. Но это, разумеется, полностью исключено.
Казалось бы, истина, которая утверждается здесь, настолько элементарна и общеизвестна, что вообще не требует никакой аргументации. Однако не будем категоричными: на самом деле она не так уж и проста, ибо, несмотря ни на что, и сегодня очень многие верят в то, что изображение на зеркале остается даже тогда, когда мы закрываем глаза или выходим из комнаты. Поэтому понять ее можно только проделав довольно сложную и трудную умственную работу. Но мы обращаемся по преимуществу к тем, у кого абстрактное мышление не вызывает решительно никакой аллергии.
Заметим одно существенное для дальнейших рассуждений обстоятельство. Для того, чтобы на поверхности зеркала могло сформироваться отражение какой-то реальности, необходимо сочетание, как минимум двух обстоятельств:
– существования той самой реальности, которой надлежит отразиться на его плоскости,
– существования механизма распознавания и дешифрации сигналов, подаваемых нам реальной действительностью и отражаемых поверхностью нашего зеркала.
Если нет самой реальности, никакое отражение невозможно, помещенное в пустоту зеркало может отразить только пустоту; в свою очередь, если наличествуют какие-то дефекты механизма зрительного восприятия, – образ так же не возникает.
Понятно, что отражаемая реальность существует вне и независимо от зеркала. Точно так же вне и независимо от него существует и тот механизм зрительного восприятия, благодаря которому происходит дешифрация воспринимаемых нами сигналов, то есть наши органы зрения, нервные связи, кора головного мозга и так далее (мы не будем здесь заниматься выяснением того, из чего «складывается» наше сознание и «складывается» ли оно вообще из чего-нибудь материального, между тем зрительный образ является результатом именно его деятельности). Словом, отражение на любой полированной поверхности возникает только в том случае, если само зеркало существует «внутри» какой-то сложной системы взаимодействий высоко развитых и сложно организованных начал.
Казалось бы, и это настолько просто, что не требует никаких обоснований. Но мы уже приближаемся к нашей цели.
Дело в том, что описываемая здесь ситуация является точной моделью знаковых систем, наиболее известными разновидностями которых является наша речь, наша письменность. А вот там, где мы сталкиваемся со знаками, у нас зачастую существуют весьма превратные представления о действительности.
Возьмем любую книгу; на белой глади бумажных листов выстроены в определенной последовательности разнообразные типографские знаки. Все это мы привычно называем информацией, и говорим, что книга содержит в себе какую-то информацию. Причем тут зеркало? А притом, что книга со всеми ее листами, типографскими знаками и даже какими-то картинками на них – это точный аналог именно того самого зеркала, которое в действительности не содержит в себе абсолютно ничего.
Точно так же, как и в ситуации с зеркалом, вся информация на деле существует только в нашем сознании, и для того, чтобы она могла возникнуть в каких-то потаенных его глубинах, необходимо существование более широкой и развитой системы явлений, которая обязана включать в себя:
– язык со всей его фонетикой, грамматикой, лексикой, семантикой (специалисты в области информационных систем называют это языковыми конвенциями);
– совокупность общепринятых соглашений обо всех окружающих нас вещах, сложившихся понятий, если угодно, предрассудков, и так далее, словом все то, что определяется собирательным понятием культуры;
– систему письма;
– механизм распознавания и дешифрации письменных знаков, проще говоря, умение читать и писать;
– наконец, реальную действительность (как материальную, так и духовную), которая и отображается в языке, культуре.
Согласимся, что если нет письменности, нет и не может быть никаких книг. Гомер был записан только в VI веке до н э., во время правления афинского тирана Писистрата, когда их исполнение было включено в празднества Великих Панафиней (то есть празднеств, посвященных божественной покровительнице Афине). До этого, его поэмы, созданные, как полагают, в 8 в. до н э., могли передаваться лишь изустно и восприниматься только на слух.