К сожалению или к счастью, жизнь устроена намного сложнее простых схем. И это проявляется не только в клетке, но и в экономических системах.

Клетка представляет собой водный раствор белков и других органических веществ, ограниченный гибкой оболочкой и разграниченный внутри еще великим множеством оболочек-мембран на разнообразные камеры, цистерны, пузырьки и т. д. Как и в любом химическом растворе, белки и другие молекулы находятся в постоянном движении. Они со скоростью самолета пролетают микроскопические расстояния и сталкиваются друг с другом, молекулами воды, оболочек и органелл. Трубочки и нити, по которым транспортируются белки, постоянно разбираются и вновь строятся, уже в других направлениях. Камеры, цистерны и пузырьки то сливаются друг с другом, то вновь образуются. Всё в клетке движется и изменяется.

Если рассматривать клетку в соответствующем движению молекул масштабе времени (микросекунды), мы увидим только бурлящий раствор хаотически двигающихся и постоянно сталкивающихся объектов. Вспомните известное всем хаотичное броуновское движение. Точно так же в газе молекулы беспорядочно сталкиваются друг с другом и за этими столкновениями не угадывается никакой закономерности. Но стоит подняться на уровень выше, рассмотреть статистику, посмотреть на изменения статистических параметров, и выявятся простые и всем с детства знакомые газовые законы Гей-Люссака, Бойля-Мариотта и др.

Аналогично обстоят дела в экономических системах. При производстве любого сложного изделия, например автомобиля, детали и материалы приходят на завод со всего света. Если проследить за движением отдельных деталей, оно может показаться хаотическим. Поставщики могут довольно быстро меняться, и на карте поставок будут возникать и исчезать различные маршруты. На всё это накладываются кризисы, забастовки, отзывы бракованной продукции – в общем, беспорядок. Участвующие в экономической деятельности люди действуют в соответствии с собственными интересами и вроде бы совершенно свободны в своих действиях. Однако каждое утро большинство из них идет на довольно скучную работу, потом покупает еду, другие товары, и так изо дня в день. При этом, как это ни удивительно, почти всем людям (хотя бы в развитых странах) находится работа, кто-то производит для них нужные товары – и «так весь мир вертится»[41]. Экономисты считают, что порядок на хаотичном рынке наводит некая «невидимая рука»[42].

Физикам при определенных упрощениях удалось построить элегантные математические мостики от хаотичных молекулярных взаимодействий к статистически обоснованным газовым законам. В экономике также изрядно потрудились математики, и уже имеется набор математических моделей, объясняющих, хотя и при целом ряде допущений, действие «невидимой руки рынка». В молекулярной биологии клетки до этого еще очень далеко. Пока нет не только законченных математических моделей, но и ясного понимания молекулярных клеточных процессов. Что ж, и объект исследований у них намного сложнее.

В следующих разделах этой главы мы подробно остановимся на важнейших частях клетки и решающих моментах ее жизни. Мы будем главным образом оставаться в рамках простых и понятных макросхем, но также описывать нижний молекулярный уровень жизни клетки. Это необходимо для понимания процессов клеточного старения.

Каждое живое существо стремится к двум целям: сохранить и продлить свое существование и распространить свою персональную, исходящую от него информацию. При этом первая цель, кажущаяся важнейшей, часто уступает главенство второй.

Миллиарды лет основным способом распространения персональной информации была передача своего генетического кода потомкам. Поэтому всё живое стремится произвести максимальное количество потомков и по возможности обеспечить им максимально большой и комфортный ареал распространения.

Люди научились распространять информацию о себе другими способами и очень этим увлеклись. Цари и вожди повсеместно ставили свои статуи, открывали в свою честь памятники и храмы. Последователи Герострата сжигали храмы и пытались убить вождей и президентов. Художники, актеры и писатели мечтали прославиться своими действительными и мнимыми талантами. В XXI веке возможностей распространять информацию о себе стало многократно больше. Каждый теперь может стать писателем-блоггером, запечатлеть себя в различном окружении и выложить фото в социальных сетях и т. д. Эти новые колоссальные возможности составили конкуренцию традиционному генетическому способу распространения индивидуальной информации, что не замедлило сказаться на демографии, особенно в развитых странах и крупных городах.

Таким образом, распространение информации – важнейший процесс как эволюции живых организмов, так и человеческой цивилизации. Признавая невероятно быстрые успехи человечества в этом вопросе, мы всё же должны почтительно склонить голову перед достижениями эволюции.

Природа или Бог, как кому нравится, организовали этот процесс с невероятной красотой и изяществом. Главной находкой эволюции стала молекула ДНК (рис. 2.4), которая обладает целым рядом необходимых для распространения информации свойств:

• во-первых, ДНК может легко и почти безошибочно создавать свою копию (репликация);

• во-вторых, ДНК гораздо более устойчива к повреждениям, чем РНК; при повреждении водородная связь между тимином и аденином не разрывается, а переходит в другую конфигурацию (одни атомы в связи заменяются на другие), при этом цепь ДНК сохраняется и может восстановиться в прежнем виде;

• в-третьих, ДНК может быть чрезвычайно плотно упакована и относительно легко распаковывается при необходимости.

Молекула ДНК человека разделена в ядре на 46 частей, названных хромосомами. Напомним, что в молекуле ДНК около 3 млрд пар нуклеотидов. Они делятся на 46 хромосом так, что в каждой хромосоме насчитывается от 50 до 245 миллионов пар нуклеотидов. В ДНК около 20 тысяч генов, которые делятся по хромосомам – примерно от 400 до 3500 генов в хромосоме.

Хромосомы образуют 23 пары. В каждой паре одна хромосома – от матери, одна – от отца. 22 пары хромосом имеют одинаковые наборы генов, а 23-я пара, половая, содержит у женщин – одинаковые хромосомы, а у мужчин – разные. В ней у мужчины имеются длинная женская X-хромосома от матери и короткая Y от отца. Парные (гомологичные) хромосомы имеют одинаковые наборы генов. Это создает дополнительную устойчивость: при дефекте гена на одной хромосоме (например, отцовской) будет работать ген, расположенный в другой (в нашем примере – материнской) хромосоме.

Хромосома состоит из участка ДНК с набором генов и белковых структур, на которые наматывается молекула ДНК. Именно эта чудесная упаковка, или, как ее принято называть, конденсация ДНК, позволяет хранить двухметровую спираль в мизерном объеме ядра, диаметр которого, как мы уже говорили, примерно в 60 тысяч раз меньше длины этой спирали.

В упаковке (конденсации) ДНК можно выделить несколько уровней. Сначала молекула ДНК обматывается вокруг белков – гистонов[43], образуя структуру, похожую на бусы. Ее называют хроматином[44]. Далее эти бусы наматываются на белковую основу наподобие катушки, образуя тонкую нить, многократно сворачивающуюся в петли. До конца процесс упаковки ДНК науке пока не известен, и вам нужно запомнить только тот факт, что ДНК в ядре чрезвычайно плотно и замысловато упакована.

В тех местах, где упаковка ДНК плотная, работа генов невозможна. Ведь работа (активность, экспрессия генов) обеспечивается специальными ферментами (РНК-полимеразой), которые должны подойти вплотную к уже неупакованной и расплетенной молекуле ДНК. Эти ферменты присоединяются к определенному участку гена – промотору, с которого начинается транскрипция участка ДНК в матричную РНК. Промотор и, следовательно, весь ген могут быть заблокированы (деактивированы), если к нему, естественно под действием фермента, присоединилась метильная группа (CH₃). Этот важнейший эпигенетический механизм блокирования генов именуется метилированием. Обратный процесс, происходящий под действием другого фермента (деметилирование), приводит к экспрессии (активации) гена.