Мы публикуем стенограмму и видеозапись лекции доктора физико-математических наук,  руководителя лаборатории Теории сложных систем Института химической физики им. Н.Н. Семенова Владика Аветисова, прочитанной в рамках цикла "Публичные лекции "Полит.ру"" 14 ноября 2013 г.

http://polit.ru/article/2014/02/17/avetisov/

Текст лекции

Добрый вечер, приятно всех вас видеть.

Лекция публичная, насколько я понимаю, а тема, в действительности, насыщена деталями, в которых часто и кроется смысл. Но говорить о них тут нет никакой возможности, поэтому я всю, так сказать, "строгую науку" уберу, и буду говорить только на смысловом языке.

О чем я буду говорить?

О том, что живая природа - это мир молекулярных машин. Это первое, о чем бы я хотел вам рассказать. Второе - о том, почему это так. Третье - о том, как можно делать искусственные молекулярные машины. Честно говоря, про то, как делать – это только чтобы показать, что любая теория, так или иначе, выходит на какое-то практическое приложение. Сами практические приложения меня сейчас заботят меньше всего, а вот почему то, что назвали  молекулярными машинами,  увидели именно в живой природе,  и что это вообще такое - молекулярная машина, - вот об этом мне и хотелось бы, главным образом,  поговорить.  

Речь, как вы заметили,  уже зашла о живой природе, живых системах, и мне нужен какой-то общий взгляд на эти системы,  который позволил бы увидеть, где там то, что называют молекулярными машинами, и почему они там.

Давайте посмотрим на биологию как бы по вертикали, не останавливаясь на деталях. Но одну мысль все-таки высветим: что живая природа – это мир молекулярных машин. Это первый сюжет моей лекции (у меня их четыре).

Грегор Мендель, австрийский монах и по совместительству  биолог, открыл законы наследственности, о которых знают все, как мне представляется, и которые говорили о том, что у наследственных признаков есть материальный носитель. Это самое важное, что нам сейчас нужно. Август Вейсман, немецкий биолог, немногим позже определил, что этот материальный носитель находится в ядре клетки. Томас Морган, американский биолог,  уточнил, что этот носитель находится в хромосоме, в особой органической субстанции, которая расположена в ядре клетки. Нобелевская премия. Наконец, Джеймс Уотсон, американский биолог, и Фрэнсис Крик, английский биохимик, открыли тот самый носитель, который в хромосоме, которая в ядре клетки, и этим носителем оказалась гигантская молекула - ДНК. Тоже Нобелевская премия.

Что такое ДНК? Это две сложенные вместе полимерные нити с очень хорошо состыкованными звеньями, их называют «основания». И оказалось, что вся наследственная, генетическая информация заключена в том, как вот эти основания распределены по цепи ДНК.  

Последовательность оснований вдоль цепи ДНК - это и есть то, что называется геномом, индивидуальной генетической программой организма. Выяснилось, помимо всего этого, что клетка - это очень сложная функциональная система. Здесь показаны не очень понятные картинки про клетку, которые призваны изобразить только одно – что это очень сложная система.

Тысячи взаимосвязанных превращений, которые определяют метаболизм клетки, ее жизнедеятельность, в том числе – и передачу наследственных признаков. И все это делается по генетической программе в ДНК.

Еще оказалось, что все процессы в клетке контролируются специальными макромолекулами, специальными структурами, которые исторически были названы ферментами или белками.

Это Джон Кендрю, английский биохимик, первым расшифровал пространственную структуру белка миоглобина. Тоже Нобелевская премия.

Вот так выглядит пространственная структура миоглобина, полимер, который уложен в спиральки. Миоглобин построен только из спиралек, но сама структура сложная. Вот это тот же миоглобин, но только в атомном представлении - видите, какая компактная структура! А вот это  - сложная архитектура химических связей в структуре миоглобина.

Помимо миоглобина есть, конечно, и другие белки-ферменты, их много, тысячи, и, естественно, у них разные структуры.

Итак, у нас есть ДНК, у нас есть очень сложная структура взаимоотношений и взаимосвязей между различными превращениями в клетке, и все эти процессы и взаимоотношения контролируются очень специальными структурами, которые называют ферментами или белками.

Помимо всего этого, есть еще центральная догма биологии. Это тоже очень важно, сейчас мы это увидим. Центральная догма утверждает, что генотип определяет фенотип, то есть последовательность оснований в ДНК, генетическая программа, определяет весь организм.

Это тоже очень сложная схема – как все это происходит. И тут тоже много Нобелевских премий. Сначала делается, так сказать, рабочая копия нужного участка ДНК – она называется информационной  РНК. Про РНК я ничего не сказал, но сейчас это и не так важно, считайте, что это копия фрагмента цепочки ДНК. Но то, что происходит потом – очень важно. Этот фрагмент ДНК отображается в совершенно другую макромолекулу – цепочку, собранную из аминокислотных остатков. Эта цепочка, в свою очередь, чудесным образом превращается в фермент, белок, который выполняет строго определенное действие в клетке. Вот так генетическая программа, записанная в ДНК, становится биологической функцией.  Это отображение построено на своде специальных правил -  генетическом коде, и центральная догма биологии утверждает, что передача информации всегда идет от ДНК к белку, и никогда наоборот. Но при этом, копии ДНК делают белки. Иначе говоря, в живой клетке нет информационного замыкания, но есть функциональное замыкание.

Откуда взялась первая ДНК вместе с копирующими ее белками не знает никто, но это очень важная вещь, функциональное замыкание - для всего того, как все устроено и работает в клетке. ДНК содержит те инструкции, по которым строятся белки, а  белки строят саму ДНК. И многие структурные особенности ДНК, РНК и белков, помимо всего прочего, еще обусловлены и тем, что должно быть функциональное замыкание, то есть  эти макромолекулы выбраны такими, чтобы обеспечить функциональное замыкание. Если кто-нибудь из вас встречал такое слово как "хиральность" - это право-левая асимметрия молекул, и слышал про биологическую  гомохиральность – это тот факт, что молекула ДНК построена только из правых сахаров, а белковые молекулы - только из левых аминокислот, то вот эта самая гомохиральность нужна, главным образом, для функционального замыкания.

Ну, вот. Что же в этой картине называют молекулярными машинами? Молекулярными машинами тут называют ферменты, белки, потому что, контролируя любой процесс и любое превращение в клетке, они все делают так точно, что это напоминает нам, образно говоря, то, как работают роботы, машины.

Пока нам достаточно такой картины, очень размашистой, конечно, но более детальной пока не нужно. Вот в этом смысле, в смысле сложной функциональной организации клетки, и в смысле того, что там, в ней, в клетке, все процессы ведутся очень точно, и это делают белки, - вот в этом смысле клетку можно называть операциональной системой, построенной из молекулярных машин и производящей молекулярные машины.

Кстати, почему язык кибернетики так хорошо ложится на генетику? Программа, считывание информации - почему? Именно потому, что процессы, которые протекают в клетке, очень похожи на вычисления.

И вообще, чем отличается биохимия от химии? Говорят, что живое - это химия. В каком-то смысле - да, но это не совсем химия. Кто главное действующее лицо в химии? Число Авогадро (порядка 1024). Оно показывает, сколько попыток мы можем использовать, т. е. столько раз мы можем  пробовать что-то сделать с атомами, если делаем это вполне случайно. Химия так и работает - вполне случайно. Если из миллиарда попыток одна удачная, считайте, что все хорошо, у вас пойдет реакция и выпадет нужный осадок.

А как работает биология? Она работает прямо наоборот. Там не больше одной ошибки на миллиард актов. Вот как работает биология! Она имеет дело с отдельным событием, а не с большим числом попыток, и она обязана использовать эту одну попытку, и сделать все точно. Вот в этом огромная разница между химией и биологией. Химия работает быстро, но неточно (быстро - потому что там все элементарные события происходят на временах порядка 10-13 секунды), а биология - медленно, но очень точно. Почему медленно? потому что один акт, элементарный, тот который, например, совершает белок, занимает время порядка секунды. Сравните: 10-13 секунды и 1 секунда, разница в 13 порядков, но и в точности примерно такое же отличие. Химия у нас существенно стохастическая, а биология - существенно алгоритмическая, все выглядит как вычисления.

Итак, что есть живая природа? В точки зрения классической  биологии - это мир организмов, разнообразие которых определяется наследственностью, изменчивостью и естественным отбором.

А с точки зрения молекулярной биологии? Это мир операциональных систем химической природы, построенных на основе молекулярных машин и производящих молекулярные машины.

Как и всякое определение, оно не претендует на полноту. Это даже не определение, это в каком-то смысле точка зрения. Насколько хороша эта точка зрения или плоха, в действительности определяется только теми выводами, которые мы можем сделать, опираясь на эту точку зрения. Если они будут интересны, она хороша, если не будут интересы, она никому не нужна.

Почему в живой природе все построено на молекулярных машинах? Это тоже важно, и это мой следующий сюжет - "чтобы строить что-то сложное, нужно работать аккуратно". Вообще-то, все знают: чтобы сложить сложную конструкцию, нужно все делать очень аккуратно, но мы попробуем показать, что это прямо следует из одной фундаментальной физической модели, которая скажет нам, что значит "работать аккуратно".  

Тут показана некоторая математика, но, давайте так - тот, кто умеет читать такие тексты, тот быстро их прочитает, и ему все станет ясно и без слов. А я буду рассказывать на пальцах.

Если живое - это множество последовательностей, а биологи, открыв ДНК, сказали, что живое - это последовательности, то давайте попробуем построить пространство последовательностей, пространство для живого, и сначала посмотрим, что это за пространство, какое оно - большое, маленькое, и как там можно жить, в этом пространстве.

Как его построить? На самом деле, не так сложно. Пусть у нас есть некоторая последовательность, собранная из двух букв, вот она. Пространство таких последовательностей я могу построить следующим образом. Я его представлю в виде многомерного куба, вершины которого – это конкретные последовательности, расположенные так, что каждая последовательность отличается от своего соседа только одним символом.  

Например, вот это четырехмерный куб, в вершинах которого я расположил последовательности длиной 4, набранные из двух символов, цифр - 0 и 1. Каждая последовательность отличается от своего соседа только одним элементом, это видно: здесь 4 нуля, здесь три нуля и одна единица, и так далее. Такой многомерный куб называется пространством последовательностей. Давайте теперь посмотрим на размер этого куба для ДНК-последовательностей, сколько там вершин у куба. Алфавит - 4 буквы, А, Т, Г, Ц. Текст одной ДНК - миллиард букв, это примерно тысяча 400-страничных томов. Но вариантов таких текстов – а это и есть число вершин, т.е. размер всего пространства последовательностей, 4 в миллионной степени. Для того, чтобы вы ориентировались в таких гигантских числах, скажу, что число электронов во всей Вселенной - 10 в степени 130, а число молекул ДНК на Земле не больше, чем 10 в 40-й степени.

О чем это говорит? О том, что все живое во Вселенной, если, конечно, оно похоже на ту форму жизни, которую мы знаем, занимает исчезающе малую часть пространства ДНК- последовательностей. То есть, есть гигантское пространство ДНК-последовательностей, и в этом гигантском пространстве есть исчезающе маленькая область, в которой только и существует не только наша земная жизнь, но и вся жизнь, похожая на нашу, которая вообще может существовать в нашей Вселенной, - разумеется, если наша Вселенная действительно конечна.

Что делать с параллельными мирами, я пока не очень знаю, потому что - сколько их, бесконечное множество? Но если взять только нашу Вселенную, то какая бы жизнь, подобная земной,  ни существовала в нашей Вселенной, она будет занимать только исчезающе малую часть пространства ДНК-последовательностей.

Но ДНК - гигантская молекула, миллиарды звеньев, а мы знаем, что в клетке есть РНК, они существенно меньше, а есть еще белки, они еще меньше, и может быть для них мы найдем что-то физически более разумное.

РНК – алфавит те же 4 буквы, но длина уже тысяча знаков, а не миллиард. Одна РНК - это всего полстраницы текста, правда, всевозможных текстов 10 в 600-й степени. Для сравнения у нас есть  те же два масштаба -  число РНК на Земле – это 10 в 40-й , и число электронов во Вселенной – это 10 в 130=й. И величина 10 в 600-й  опять несопоставимо больше этих двух масштабов. Опять же, все живое заполняет исчезающе малую часть пространства РНК-последовательностей.

Остались белки, как раз, молекулярные машины. Тут  20 разных букв, но последовательности всего в пару сотен знаков. 200 знаков -  это предложение, и не очень длинное. Но, увы, всевозможных текстов 10 в 230-й степени, и это опять слишком много.

Получается, что все главные игроки в биологии - ДНК, РНК и белки - живут в исчезающе малых областях пространств тех структур, которые, вообще говоря, химия может построить. В этом смысле любая из существующих молекул ДНК, РНК или белка является уникальной. Они, конечно, уникальны и в том смысле, что их тексты "осмысленные". Но это другой вопрос, является ли текст, записанный в ДНК,  а значит и в РНК и в белках, случайной последовательностью букв? Нет, не является, это мы знаем, но дело не только в этом. Любой фиксированный ДНК-текст – это уникальный текст. Сборка ДНК, РНК или белка - это выбор одной определенной последовательности из огромного числа потенциально возможных альтернатив. Живое все время чувствует дыхание этого всепожирающего гигантского пространства последовательностей, в котором очень легко безвозвратно исчезнуть. Вот в этом смысле ДНК, РНК, и белки - это сложные молекулярные конструкции.

Если интересно ,продолжение по ссылке http://polit.ru/article/2014/02/17/avetisov/