Синдром Паганини и другие правдивые истории о гениальности, записанные в нашем генетическом коде
Шрифт:
А возможно – и это в равной степени правдоподобно, он и не был особенным человеком с точки зрения биологии. Может быть, многие другие смогли бы выжить, подобно ему. И, осмелюсь сказать, некоторая надежда на это существует. Даже самые смертоносные виды оружия, когда-либо изобретенные, которые способны мгновенно убить десятки тысяч людей, которые атакуют и терзают биологическую сущность людей, их ДНК, не уничтожают народ. И они не способны также отравить следующее поколение: тысячи детей – потомки тех, кто уцелел после атомного взрыва, – живут и здравствуют сегодня. После более чем трех миллиардов лет облучения ДНК космическими лучами и солнечной радиацией, а также повреждений разного характера природа выработала свои защитные методы, которые позволяют восстановить и сохранить целостность ДНК. И не только той «догматической» ДНК, сообщения которой транскрибируются в РНК и транслируются в белки, но и всех видов ДНК, включая те, утонченный язык и математические структуры которых ученые только начинают исследовать [15] .
15
Полностью историю Ямагучи (а также еще восемь захватывающих историй) можно прочитать в книге «Девять человек, которые выжили после Хиросимы и Нагасаки» (Nine Who Survived Hiroshima and Nagasaki), написанной Робертом Трамбуллом. Настоятельно рекомендую.
Дополнительные
Подробное рассмотрение вопроса о том, как радиоактивные частицы искажают ДНК на физическом, химическом и биологическом уровне, можно найти в книге «Радиобиология для радиологов» (Radiobiology for the Radiologist), которую написали Эрик Дж. Холл и Амато Дж. Джиасия. Особое внимание уделено взрывам бомб в Хиросиме и Нагасаки.
И наконец, занимательный рассказ о ранних попытках расшифровки генетического кода можно прочитать в статье Брайана Хейса «Изобретение генетического кода» в выпуске журнала «Американ Сайнтист» за январь-февраль 1998 года.
Глава 4. Саундтрек ДНК
Информация какого рода содержится в ДНК?
Это, конечно, произошло случайно, тем не менее каламбур из «Алисы в Стране чудес» в последнее время вступил в любопытный резонанс с ДНК. В реальной жизни автор «Алисы» Льюис Кэрролл, он же Чарльз Лютвидж Доджсон, преподавал математику в Оксфордском университете. А одним из самых известных (по крайней мере фанатам) эпизодом из «Алисы» являются стенания Черепахи Квази о «четырех действиях арифметики – скольжении, причитании, умилении и изнеможении [16] ». Однако прямо перед этим Черепаха Квази говорит нечто примечательное, утверждая, что в школьные годы не «развивался», а «извивался» [17] . Конечно, это просто очередная шуточка, однако слово «извиваться» пробудило интерес со стороны некоторых математически подкованных исследователей ДНК.
16
Взято из перевода Н. Демуровой, наиболее известного русскоязычному читателю. В оригинале – ambition, distraction, uglif cation, and derision. Примеч. пер.
17
В оригинале – writhing вместо writing. Перевод конструкции – мой, так как ни в одном из существующих подходящей аналогии нет. При меч. пер.
Специалистам давным-давно было известно, что ДНК, длинная и активная молекула, может запутываться в самые невероятные клубки. А вот чего ученые не могли понять, так это того, почему эти клубки не засоряют наши клетки. Современные биологи ищут ответ на этот вопрос не в самой известной области математики – теории узлов. Уже много тысяч лет, как моряки и портные оценили практическую пользу узлов, в религиозных традициях – причем у таких далеких друг от друга людей, как кельты и буддисты, – определенные узлы считались священными, но систематическое изучение узлов началось только в конце XIX века, в викторианской Англии Кэрролла (Доджсона). В то время ученый-универсал Уильям Томсон, лорд Кельвин, предположил, что все элементы периодической системы химических элементов (таблицы Менделеева) на самом деле – микроскопические узлы различной формы. Точнее говоря, Кельвин определял эти атомные узлы как закрытые петли (узлы с распутанными концами, что-то вроде шнурков для ботинок – это «клубки»). Также он определил «уникальный» узел – уникальный образец нитей, пересекающихся над и под друг другом. Таким образом, если стянуть эти петли в один узел и распутать все его пересечения, чтобы сделать их похожими на другой узел, они останутся тем же самым узлом. Кельвин предположил, что уникальная форма каждого узла приводит к возникновению различных свойств у каждого химического элемента. Вскоре физики-ядерщики опровергли эту мудреную теорию, но Кельвин вдохновил шотландского физика П. Г. Тэта начертить диаграмму уникальных узлов, и с тех пор теория узлов продолжала развиваться совершенно обособленно.
Черепаха Квази, персонаж Льюиса Кэрролла, плачет, вспоминая, как «извивался» в школе. Эти его жалобы резонируют с современными исследованиями узлов и переплетений ДНК (Джон Тенниел)
Поначалу теория узлов включала в себя в основном игры с «колыбелью для кошки» и подсчет их итогов. Самый тривиальный узел – О («в миру» – круг) специалисты педантично называли «не-узлом». Прочие уникальные узлы классифицировались по числу пересечений, и в итоге к июлю 2003 года ученые могли идентифицировать 6 217 553 258 отдельных узлов, имеющих до 22 различных причудливых переплетений, то есть примерно по одному узлу на каждого жителя Земли. Между тем другие специалисты по теории узлов не ограничились простым перечислением возможных вариантов и разработали пути трансформации одного узла в другой. Для этого, как правило, вырезается участок нити в месте пересечения, перемещается под верхнюю нить, после чего нити снова соединяются отрезанными концами. Иногда это делает узлы более сложными и запутанными, но часто и наоборот, упрощает их. Теорию узлов изучают авторитетные математики, но, несмотря на это, в ней по-прежнему господствует атмосфера игры. Если не считать претендентов на Кубок Америки по парусному спорту, никому и не снилось применение теории узлов на практике – до тех пор, пока в 1976 году не было обнаружено, что ДНК тоже завязывается узлом.
Цепочка ДНК переплетается и завязывается в узлы по нескольким причинам: это и ее длина, и постоянная активность, и, вместе с тем, изолированность от других цепочек. Ученые успешно проводили симуляции ДНК внутри активного клеточного ядра: помещали в коробку длинную тонкую веревку и затем трясли ящик. Концы веревки причудливейшим образом переплетались, за несколько секунд образуя удивительно сложные узлы, имевшие до 11 пересечений (вы легко сможете это себе представить, если когда-нибудь роняли в сумку наушники и через некоторое время пытались достать их оттуда). Подобные клубки в ДНК могут привести к летальному исходу, так как клеточные механизмы, отвечающие за копирование и транскрибирование ДНК, должны делать это спокойно и постепенно; узлы же этот процесс срывают. К сожалению, смертоносные узлы и переплетения могут создаваться и во время самих процессов копирования и транскрибирования ДНК. Копирование ДНК требует разделения спирали на две нити, но разделить две тесно переплетенные нити такой спирали не проще, чем плотно сплетенный волосяной жгут. Более того, когда клетки начинают копировать ДНК, длинные липкие свободно раскачивающиеся нити могут переплестись между собой. Если не произойдет хорошего рывка и нити не выпутаются, это сплетение окажется губительным – произойдет своеобразное самоубийство
клетки.Кроме собственно узлов, ДНК может оказаться и в других топологических переделках. Линии могут сцепиться друг с другом, как соседние звенья цепи. Они могут очень плотно перепутаться, испытав такое усилие, которое мы прилагаем к тряпке, когда выжимаем ее, или же к клейму, прижимаемому к предплечью. Они могут свернуться кольцами туже, чем гремучие змеи. И вот как раз последняя из конфигураций – кольца – возвращает нас к Льюису Кэрроллу и Черепахе Квази. Специалисты по теории узлов определили некоторые кольца как «корчи», а весь процесс образования колец сравнили с извиванием от боли, как если бы нити ДНК переплетались в агонии. Может, Черепаха Квази, как считают некоторые современные исследователи, хитро ссылается на теорию узлов с ее «извивами»?
С одной стороны, Кэрролл работал в престижном университете как раз в то время, когда Кельвин и Тэт начали изучать теорию узлов.
Теория узлов была не единственной математической проблемой, появлявшейся во время исследований ДНК. Для этого также использовались диаграммы Венна и принцип неопределенности Гейзенберга. Архитектура ДНК обнаруживает следы «золотого сечения» – отношения длины к ширине, которое наблюдается в классических зданиях, таких, как Парфенон. Геометры-энтузиасты скручивали ДНК лентой Мебиуса, конструировали из нее все пять правильных многогранников. Специалистам по клеточной биологии теперь известно, что, даже просто для того, чтобы закрепиться в ядре, длинная волокнистая ДНК должна сложиться и разложиться во фрактальную модель: петли внутри петель внутри петель – при этом практические невозможно определить, какой шкалой – нано-, микро-, миллиметровой – вы сейчас пользуетесь. Наиболее же невероятное достижение покорилось группе японских ученых, которые, присвоив комбинациям А, Ц, Г и Т определенные буквенные и цифровые значения, смогли внедрить закодированную надпись «E = mc2 1905!» в ДНК обычной почвенной бактерии.
ДНК особенно близко связана с весьма оригинальным разделом математики под названием «закон Ципфа», феноменом, который впервые описал не математик, а лингвист. Джордж Кингсли Ципф происходил из солидного немецкого рода (его семья управляла пивоварнями в Германии) и в конце концов добился должности профессора немецкого языка в Гарвардском университете. Несмотря на свою любовь к языку, Ципф не был библиофилом и, в отличие от своих коллег, проживал за Бостоном на семиакровой ферме с виноградником, свинарником и курятником, хотя особо хозяйством и не занимался. В дневное время он в основном отсыпался, так как большинство ночей проводил, штудируя библиотечные книги и изучая статистические закономерности языков.
Один из коллег как-то сказал про Ципфа, что тот «может ощипать прекрасную розу, чтобы сосчитать ее лепестки». С литературой Ципф обходился столь же бесцеремонно. Будучи студентом, он взялся за «Улисса» Джойса, и главное, что он вынес оттуда, – роман состоит из 260 430 слов, 29 899 из которых различны. Так же Ципф препарировал «Беовульфа», Гомера, тексты китайской литературы и творчество римского драматурга Плавта. Подсчитывая слова в каждом из произведений, он открыл закон Ципфа. Он гласит, что наиболее распространенное слово в языке встречается примерно вдвое чаще, чем второе по распространенности, примерно втрое чаще, чем третье, в сто раз чаще, чем сотое по распространенности, и т. д. В английском языке слово «the» составляет примерно 7 % от всех слов, «of» – примерно половину от этого, «a» – треть от этого и т. д., вплоть до экзотических слов типа «бустрофедон». Такое распределение соблюдается во всех языках – от санскрита и этрусского до современных хинди, испанского или русского (эти языки Ципф анализировал по прейскурантам каталогов от компании «Сирс»). Закон Ципфа действует даже по отношению к искусственным языкам.
Уже после смерти Ципфа в 1950 году ученые обнаружили свидетельства того, что его закон соблюдается отнюдь не только в языке. Его также можно проследить: в музыке (подробнее об этом расскажем чуть позже), списках городов по численности населения, распределении доходов, массовом вымирании живых существ, магнитудах землетрясений, соотношении различных цветов в картинах или мультфильмах и т. д. В каждом случае самый большой или самый распространенный из элементов был вдвое больше/распространеннее второго в списке, втрое – третьего и т. п. Внезапная популярность этой теории ожидаемо привела и к обратной реакции, особенно среди лингвистов, которые часто ставят под сомнение само существование этого закона [18] . В то же время многие другие специалисты защищают этот закон, так как он видится корректным – частота слов не кажется случайной – и, опытным путем, описывает языки со сверхъестественной точностью. Даже «язык» ДНК.
18
Сам Ципф считал, что его закон показал нечто универсальное в человеческом разуме, а именно – лень. Он доказывал: при разговоре мы хотим тратить как можно меньше энергии для достижения цели, поэтому используем общеупотребительные слова, например «плохо», потому что они короткие и легко приходят на ум. Что мешает нам употреблять слова «низко», «мерзко», «фальшиво», «неподходяще», «ненавистно», «глупо», «вредно для мозгов» вместо слова «плохо»? Лень наших собеседников, которые не хотят тратить силы на то, чтобы различать все возможные значения слова. Они хотят, чтобы все было точно и как можно быстрее. Подобное «перетягивание каната» с ленью приводит к тому, что общеупотребительные слова делают львиную долю работы в любом языке, но более редкие и более наглядные слова тоже должны появляться здесь и сейчас – чтобы умиротворить занудных книгочеев. Само по себе это звучит толково, но многие исследователи утверждают, что любое «дотошное» объяснение закона Ципфа – это (используем другое общепринятое слово) фигня. Они отмечают, что распределение, подобное ципфианскому, может проявиться в любой хаотической ситуации. Даже компьютерные программы, выдающие случайные наборы букв и пробелов – цифровой вариант обезьян с пишущими машинками, – могут производить слова, частота которых будет соответствовать закону Ципфа.
Конечно, соблюдение закона Ципфа в случае с ДНК на первый взгляд не кажется очевидным, особенно для носителей западноевропейских языков. В отличие от большинства языков ДНК не имеет очевидных пробелов, помогающих отличать каждое слово. Это скорее напоминает тексты древних рукописей, без каких-либо пробелов, пауз и без единого знака препинания, бесконечные строки букв. Можно предположить, что триплеты, состоящие из А, Ц, Г и Т, которые кодируют аминокислоты, могут выступать в качестве «слов», но их соотношение совсем не похоже на ципфианское. Чтобы найти действие закона Ципфа, ученым пришлось обратить внимание на группы триплетов, и в этих поисках некоторые специалисты обратились к необычным помощникам: китайским поисковым системам. Китайский язык создает сложные слова путем связи соседних символов. Так, если в китайском тексте написано АБВГ, поисковые системы могут выступать своеобразным раздвижным окном, в котором помещаются найденные значимые отрывки: сначала АБ, БВ и ВГ, затем АБВ и БВГ. Использование принципа «раздвижного окна» оказалось неплохой стратегией для поиска значимых отрывков ДНК. Оказалось, что, в каком-то смысле, ДНК выглядит даже более ципфианской, чем язык, в группах, каждая из которых насчитывает до двадцати оснований. В общем, возможно, что наиболее значимой единицей для ДНК может быть не триплет, а четыре триплета, работающих сообща, – додекаэдрный мотив.