Top.Mail.Ru

GettyImages-128016221.jpg

Алексей Алексенко

Откуда берутся случайности

Редакционный материал

Ученые нашли способ увидеть своими глазами, как из физики возникает химия, а из химии — эволюция

16 Март 2018 15:44

Забрать себе

Если к любому слову добавить эпитет «квантовый», у вас непременно получится что-то завораживающе-непонятное, по всей видимости высокотехнологичное, открывающее волнующие перспективы. Дадим читателю пару минут, чтобы он самостоятельно поставил несколько таких лингвистических опытов. Получилось? Фокус этот не новый, им широко пользуются шарлатаны и лжеученые. Мы уже однажды писали об этом в нашей заметке о генераторе околесицы.

Один из примеров — «квантовая генетика». Гугл-поиск по этим ключевым словам принесет вам удручающие свидетельства человеческого невежества и легковерия, но абсолютно никакой полезной информации. Отсюда можно было бы сделать вывод, что на самом деле квантовой генетики не бывает. А между тем недавнюю научную работу Хашима Аль-Хашими из Северной Каролины и его коллег следовало бы отнести именно к этой области человеческого знания — если бы, конечно, название уже не было настолько скомпрометировано всевозможным жульем. Речь, собственно, идет о том, чтобы описывать биологические феномены (то есть жизнь, то есть разнообразие всяких былинок и козявок) на языке физических процессов (то есть в конечном счете квантовой механики). До сих пор не перевелись философы, утверждающие, что ничего из этого не может получиться, кроме чепухи. Оказывается, может.

Дай нам волю, мы бы все наши истории начинали как минимум с Дарвина, если не с Аристотеля, но в этот раз, так и быть, обойдемся Уотсоном и Криком. Открыв двойную спираль ДНК, эти джентльмены решили, что взяли бога за бороду и разгадали тайну жизни. И у них были к тому некоторые основания. Предложенная ими молекулярная структура обладала главным свойством, которым должна так или иначе обладать жизнь: она могла воспроизводиться. Поняв это, ученые зафиксировали свое понимание в следующей исторической фразе: «От нашего внимания не ускользнул тот факт, что специфическое спаривание, которое мы постулировали, естественно предполагает и возможный механизм копирования генетического материала».

Они имели в виду вот что: если в основе наследственности лежит двойная цепочка ДНК, где напротив буквы А всегда стоит Т, а напротив Г — Ц, то можно разделить эти цепочки и достроить возле каждой недостающую половинку. Из одной молекулы получится две, вот вам и тайна жизни.

Ну то есть не совсем. Чтобы из бессмысленного экспоненциального размножения выжать хоть какую-то эволюцию, надо, чтобы при таком копировании происходили ошибки. Эти ошибки называются мутациями, и все генетики как-то очень быстро договорились, что они непременно должны происходить. Ползет себе по ДНК машинка для копирования, называемая ДНК-полимеразой, строит вторую цепь и иногда ставит в нее не те буквы, которые полагается по правилам. Вот вам и редкие опечатки — залог появления на земле слонов, секвой и подберезовиков.

Но если вдуматься в эту идею, она кажется все более и более странной. Ошибаться могут люди, щенки и котята. А ДНК-полимераза — это просто молекула, хоть и очень большая, и как всякая молекула подчиняется неумолимым законам химии. Когда натрий объединяется с хлором, получается поваренная соль, никакая ошибка невозможна. Почему же в самой важной для нас химической реакции откуда-то берется свобода иногда сделать так, а иногда — этак?

На то, почему это может происходить, Уотсон и Крик намекнули в той самой первой статье 1953 года, хоть и в неявном виде. Там сказано вот что: «Если предположить, что основания встречаются только в виде наиболее вероятных таутомерных форм (в кетонной, а не енольной конфигурации), оказывается, что только специфические пары оснований могут связываться друг с другом». Давайте переведем это на человеческий язык. Дело в том, что в буквах из алфавита ДНК есть некоторая неопределенность. Есть там один атом водорода, который может быть подвешен так, а может этак. То есть чаще всего он находится в одном месте, но есть некая вероятность обнаружить его в другом. Такая разболтанность проникает в современную науку только через одну лазейку — квантовую механику. Именно эта мутная дисциплина позволяет водороду выбирать себе местечко в молекуле по собственному усмотрению. И если он выберет его неправильно — займет енольную, а не кетонную конфигурацию — тут-то и должен произойти сбой в работе молекулярной машинки.

А значит, физика позволяет предсказать, как часто будут происходить такие сбои. А уж от этого зависит множество разных явлений, в том числе скорость эволюции от эдиакарского червяка до автора этих строк. Этим и занялись Аль-Хашими и его коллеги.

Сперва надо было попытаться разглядеть, как буквы ДНК перескакивают из нормальной конфигурации в ненормальную и обратно. Для этого ученые применили метод ЯМР-релаксации, то есть наблюдали, как ядра атомов возвращаются к нормальной жизни после удара сильным магнитным полем. Перескоки водородов с места на место стали видны как на ладони. Статья об этом была ими написана — и опубликована в Nature — еще в 2015 году. А в этот раз они пошли дальше: сравнили частоту этого квантового пульса со скоростью накопления мутаций в ДНК. И получили полное соответствие.

Данные измерений загрузили в «кинетическую модель», с помощью которой компьютер предсказывал, как будет ошибаться ДНК-полимераза, встречаясь с такими двуликими и непостоянными буквами (в данном случае Г и Т). Оказалось, что в разных условиях основную роль играют два разных процесса. В обычной жизни это то самое перескакивание с места на место атома водорода, о котором говорили Уотсон и Крик. В особых случаях — например, в присутствии мутагена или в щелочной среде — важнее становится ионизация, о которой мы тут не упоминали, чтобы вконец не заморочить всем голову. И в обоих случаях ДНК-полимераза не подвела: ошибалась ровно с той скоростью, какой требовала от нее квантовая молекулярная дрожь, и нисколечко не чаще.

Скорость квантового подмигивания зависит и от того, в каком генетическом контексте встречается наша буква. Оказывается, если ей посчастливилось оказаться в части генома, богатой буквами Г и Ц, буква будет вести себя беспокойно и менять конформацию чаще, чем в мирном окружении А и Т. Чтобы больше не утомлять читателя головоломной химией, скажем только, что эти результаты в принципе позволяют точно предсказать, сколько ошибок произойдет при репликации ДНК. А значит, у исследователей появляется формула, связывающая скорость эволюции и фундаментальные физические законы.

Ну или вывод попроще: теперь в принципе возможно теоретически предсказать, как те или иные факторы среды будут влиять на скорость мутаций. А от мутаций, напомним, зависит очень многое в нашей жизни, начиная от эпидемий гриппа и кончая раковыми опухолями. Пока генетики находятся в самом начале этого пути, но десять лет назад и о таком никто не мечтал.

Представьте: вы копаете тоннель с двух сторон, со стороны биологии и со стороны физики. Если два тоннеля встретились, это значит, обе команды землекопов нигде не облажались. То есть физика в общем была правильной, и биология тоже правильной. И вы можете наконец уже отмахнуться от невежественных болтунов, твердящих о том, что вот, мол, есть «разные уровни познания», и «сложное не сводится к простому», и «наука ничего не знает наверняка», и «всегда есть место для новой парадигмы». Нет для ваших парадигм никакого места, все наука нормально знает — по крайней мере, из того, о чем вы можете судить. Идите читать учебники, там все есть.

Главный вывод из представленной сегодня научной работы таков: невежество отступает. Если оно и дальше будет отступать такими темпами, возможно, скоро выражение «квантовая генетика» будет означать то, что оно должно означать на самом деле, потому что для лженауки и шарлатанства просто не останется места в мире. Хоть бы уж поскорее.

Адаптированная версия этой статьи была опубликована в еженедельнике «Окна», литературном приложении к израильской русскоязычной газете «Вести» www.vesti.co.il

Лого Телеграма Читайте лучшие тексты проекта «Сноб» в Телеграме Мы отобрали для вас самое интересное. Присоединяйтесь!
2 комментария
Борис  Цейтлин

Борис Цейтлин

Сложное к простому таки не сводится. Открытие сделано все-таки "на фоне" биологического понятия наследственности. Не будь его, и открытия бы никакого не было: ну, перескакивает водород - и чо?

Алексей Алексенко

Алексей Алексенко

Борис Цейтлиноно не в том смысле сводится, чтобы теперь всегда копать тоннель только с одной стороны. Оно сводится в смысле понимания, что техника прокладки тоннелей гарантирует их сходимость, откуда ни копай. После того, как это установлено, уже неважно, откуда рыть, и можно начинать с той стороны, где удобнее. Другими словами, якобы фундаментальный эпистемологический барьер сведен к вопросам практического удобства.

Хотите это обсудить?

Войти Зарегистрироваться

Читайте также

Палеонтологи разгадали детективную загадку, мучившую их с мезозоя
Ученые сконструировали алгоритм, формулирующий глубокие истины о мироздании, и протестировали его на американском электорате

Новости партнеров

Ровно 64 года назад Джеймс Уотсон вдруг сообразил, как элегантно и просто могла бы быть устроена жизнь