В 40-е и еще более в 50—60-е годы ответ на вопрос, что такое жизнь, приобрел весьма конкретный вид в том смысле, что указываются пе только функции, но и те структуры, для которых они характерны. О таких структурах уже шла речь. Теперь мы остановимся на них несколько систематичнее, если это слово сколько-нибудь подходит для весьма беглых и отрывочных справок.
Живое вещество состоит из клеток — комочков протоплазмы, окруженных мембранной оболочкой, с ядром и некоторыми другими вкраплениями. Это довольно сложная структура, которая обменивается энергией и веществом с окружающей средой, делится на части — дочерние клетки такой же структуры, дифференцируется (из зародышевой клетки образуются разнообразные клетки многоклеточного организма), перемещается, меняет свою структуру и поведение при изменении внешней среды. В ней синтезируются молекулы белка. Состоит клетка главным образом из макромолекул белка и нуклеиновых кислот. Таких молекул в ней несколько десятков миллионов. Электронный микроскоп позволил довольно детально изучить структуру клеток и даже увидеть некоторые наиболее крупные молекулы.
Как уже было сказано, генетическая загадка — повторение структуры и поведения организма — может быть разрешена и уже отчасти разрешена при изучении клеточных ядер. Их структура — существование в ядре надмолекулярных образований, структура этих образований и структура самих молекул, входящих в эти образования, — исходный пункт современной теории наследственности. Ядро содержит постоянное для каждого вида число уже упоминавшихся хромосом, состоящих главным образом из нуклеиновой кислоты, которая называется дезоксирибонуклеиновой. Ее сокращенное название — ДНК — стало сейчас не менее известно широким кругам, чем названия и символы наиболее часто упоминаемых элементов периодической системы или элементарных частиц, что соответствует фундаментальному значению ДНК и состоящих из нее хромосом для управления работой клетки и для передачи наследственных признаков организмов.
В хромосомах и содержится генетическая информация, которая передается другим элементам клетки, где происходит синтез белка.
Он происходит во внеядерных образованиях, находящихся в окружающей ядро протоплазме и содержащих наряду с другими элементами рибосомы — частицы молекулярных размеров, состоящие из молекул другой нуклеиновой кислоты, рибонуклеиновой (сокращенное название, также широко известно, — РНК). Рибосомы можно увидеть в электронный микроскоп.
Таинственные процессы передачи закодированной в ДНК генетической информации приводят к тому, что при делении клетки образуются дочерние клетки той же структуры и, что особенно важно, с такими же хромосомами. Перед делением клетки каждая хромосома удваивается. Такое удвоение изучено довольно детально с помощью электронного микроскопа и еще детальнее с помощью меченых атомов. Хромосома состоит в основном из молекул ДНК, и удвоение хромосомы определяется удвоением этих молекул. Образование новых молекул ДНК (иначе говоря, синтез ДНК) носит матричный характер. Под этим термином подразумевается следующее. Для биологического синтеза характерны процессы, когда состав синтезируемого вещества определяется некоторой посторонней внесенной извне системой. Эта система аналогична готовой форме, в которую укладывается или в которой застывает исходный материал. В случае синтеза ДНК такой матрицей служит сама молекула ДНК, которая как бы отбирает из окружающей среды необходимые атомы и укладывает их так, чтобы получить другую молекулу.
Удвоение молекул ДНК объясняет сохранение генетического кода, той информации о структуре и поведении организмов, с теми или иными вариациями, повторяющимися от поколения к поколению. Но как действует эта информация, как она заставляет укладываться в определенные сочетания белок, являющийся наряду с нуклеиновыми кислотами основной частью живого вещества? Белок состоит из аминокислот. Их молекулы, распределенные в пространстве, создают всю самосогласованную систему клеток, тканей и органов.
Далее размножение и дифференциация клеток, рост и развитие тканей и органов определяются компоновкой во времени процессов синтеза и распада аминокислот, их взаимодействием с окружающей средой, поведением молекул белка.
Структура клеток, тканей, органов и самих организмов, как и их поведение, определяется наследственной, генетической информацией. Как же эта информация, закодированная в ДНК, определяет структуру и поведение белков?
Здесь мы переходим к проблеме, которую называют проблемой транскрипции. Этот термин, который обычно обозначает изображение некоторого слова буквами другого языка, вполне уместен, поскольку в генетике широко пользуются понятиями кода и другими понятиями теории информации. Специфически биохимический смысл транскрипции состоит в синтезе уже известных нам РНК, т. е. рибонуклеиновых кислот. Дело в том, что ДНК непосредственно не могут служить матрицами для синтеза аминокислот, из которых состоят белки. Здесь имеют место промежуточные процессы. Молекула ДНК служит матрицей для образования молекулы РНК. Это и есть транскрипция, перевод генетического кода на другой язык. Структуре молекулы ДНК, в которой закодированы структура и поведение организмов, соответствует образовавшаяся на этой молекуле, как на матрице, молекула РНК. Такая РНК называется матричной. Ее синтез происходит в хромосомах.
Матричная РНК еще не может передать генетическую информацию белку. Она передает ее другой РНК, которая называется транспортной, и эта последняя уже определяет синтез аминокислот — процессы, происходящие в клетке за пределами ее ядра.
Теперь мы можем вернуться к вопросу о макромолекуле как единственной структуре, способной хранить генетический код, гарантирующий с теми или иными отклонениями самовоспроизведение организмов. Сейчас можно многое прибавить к аргументам Шредингера. Приведем высказанные М. В. Волькенштейном соображения об организме, состоящем из небольших молекул, содержащих малое число атомов[58]. Это не может быть жидкое или газообразное тело. Неупорядоченные движения молекул жидкости или тем более газа не могут гарантировать хранение генетической информации. Другое дело — кристаллическое тело с упорядоченным поведением молекул. Изменения кристаллических решеток под влиянием внешней среды могут быть достаточно однозначными. Вполне представимы быстрые реакции кристаллического «организма» на внешние воздействия, которые меняли бы, например, проводниковые и полупроводниковые свойства проводимости кристаллов. Эти реакции могли бы стать условными рефлексами. Далее, упорядоченная низкомолекулярная система из многих кристаллических решеток могла бы изменять свою структуру так, чтобы в ней запечатлялся генетический код, чтобы она могла воспроизводить себя и, более того, эволюционировать, создавать более совершенные кристаллические организмы. Речь идет, очевидно, о металлическом или состоящем из Других низкомолекулярных материалов кибернетическом роботе. Но, как замечает М. В. Волькенштейн, кристаллический организм не мог бы возникнуть самопроизвольно. Так возникают макромолекулы. В процессах полимеризации малые молекулы превращаются в большие, и только эти последние могут образовывать живые надмолекулярные системы. Теперь их эволюция подошла к тому критическому моменту, когда уже не стихийные силы, а сознательная компоновка самых различных, в том числе кристаллических, немакромолекулярных объектов может создавать самовоспроизводящиеся и самосовершенствующиеся кибернетические системы.
В изложенном беглом очерке клетки, ядра, а также аминокислот, нуклеиновых кислот и их синтеза допущено немало упрощений и неточностей. Существуют вирусы, претендующие на титул живого вещества, но не сформированные в клетки. Существуют бактериальные клетки, они не имеют ядер. Таких оговорок можно было сделать очень много. Но они не изменят тех выводов, к которым мы сейчас подойдем.
Эти выводы относятся к соотношению между современной молекулярной биологией, нашедшей в макромолекулах основные жизненные функции самовоспроизводимости и саморегулирования, и неклассической физикой. Но существуют ли непосредственные логические связи между картиной взаимодействий макромолекул, их синтеза и перекодирования генетической информации, с одной стороны, и принципами квантовой механики — с другой?
