4. Теперь вы видите три незаштрихованных треугольника внутри исходного. Проделайте с каждым из них те же операции, что и с исходным треугольников, начиная с пункта 2.

5. (Продолжайте, пока вам не надоест: если вы вооружены хорошим карандашом, это занятие может длиться вечно.)

«Салфетка Серпинского» (благодаря заштрихованным областям чертеж напоминает ажурное вязание) – пример фрактальной структуры. При любом увеличении мы получим одно и то же изображение. Еще один пример фрактала – «множество Кантора». Его удобнее всего рисовать на поверхности, с которой легко стирать. Подойдет школьная доска. Нарисуйте линию, затем сотрите ее среднюю треть, после этого сотрите средние трети двух полученных линий, и так далее. Через некоторое время вы получите множество точек, расположенных через определенные интервалы. Статистические свойства этих интервалов идентичны свойствам многих природных явлений, будь то осыпание песка с бархана или промежутки между каплями воды из подтекающего крана, землетрясениями, эпидемиями и случаями массового вымирания животных.

Пошаговые инструкции, а не эскизы используются для создания объектов не только в математике, но и в повседневной жизни; простейший пример – кулинарный рецепт. По такому же принципу работает и текстильное производство, от ручного вязания («одну петлю провязываем, одну накидываем») до «жаккардовой машины» (1801 г.), первого в мире промышленного робота, на котором можно было, меняя перфокарты, переключать уровни сложности от простейшего до самого сложного узора. Музыка также воспроизводится благодаря инструкциям, роль которых выполняют нотные знаки на нотном стане, по которым музыкант может воспроизводить звуки необходимой высоты и продолжительности в нужный момент времени.

Многовековой опыт использования инструкций для получения задуманного результата с минимальными затратами времени и усилий приводит к тому, что мы склонны считать, что биологическая информация определяет наш внешний вид каким-то похожим образом. Это опасное заблуждение. Между живыми организмами и рукотворными объектами есть существенное отличие: в последнем случае инструкциям следует внешний сознательный агент действия. Даже такие, казалось бы, явные исключения, как автоматическая вязальная машина или механическое пианино, созданы по инструкциям и планам теми же внешними агентами, а значит, исключениями не являются. Проще говоря, кардиганы, симфонии, автомобили и соборы сами себя не создавали. Следование инструкциям, привнесение необходимой информации о процессе (умение вязать, готовить или класть кирпич) и собственно работа с материалами осуществляются не самой растущей структурой, а извне. Напротив, содержащаяся в эмбрионе информация считывается и обрабатывается самим эмбрионом; ему не на кого переложить ни тяжелую физическую работу, ни раздумья об оптимизации процесса. Как мы скоро увидим, это означает, что ответственность за биологическое конструирование лежит на всех его участниках, а не на руководителе, как в случае реализации инженерных проектов. Процесс создания тела человека контролируется не какими-то отдельно взятыми частями эмбриона, а системой в целом.

Чтобы понять особенности процесса построения, необходимо также иметь некоторое представление о природе используемых материалов. Рядом с моей лабораторией в Эдинбургском университете находятся три знаменитых моста: элегантный мост Дин, построенный Томасом Телфордом, легендарный железнодорожный мост через залив, построенный Бенджамином Бейкером, и, неподалеку от него, автодорожный мост Форд-Роуд. Телфорд построил мост из каменных блоков – тяжелых, громоздких, надежных только за счет сжимающего напряжения. Поэтому он использовал традиционный метод: сначала строились опоры, затем сооружался деревянный каркас для арочного пролета, затем на него выкладывались обтесанные в форме арки камни. После того как вес камня стабилизирует пролет, каркас можно удалить.

Бейкер использовал для строительства железнодорожного моста радикально новый по тем временам материал – сталь. Этот материал может держаться как за счет растяжения, так и за счет сжимающего напряжения, поэтому строительство можно было начинать с любой опоры, прикрепляя к ней секции одним концом. Чтобы поместить длинные и относительно легкие стальные секции на нужное место, использовались подъемные краны. Между собой эти секции соединялись с помощью заклепок.

Вантовый мост, самый новый из трех, держится за счет стальных тросов, вант, которые закреплены на пилонах на разных берегах. В данном случае сначала были установлены пилоны, затем намечены опорные точки для крепления тросов, а затем постепенно натягивались держащие мост ванты.

В каждом из этих случаев стратегия строительства моста определялась характером материалов. Ни один из них нельзя было бы построить, используя стратегию, предназначенную для моста другого типа. Так же и в биологии: стратегия конструирования зависит от природы участвующих в нем компонентов. Таким образом, настало время представить вам три ключевых биологических компонента, которые будут много раз упомянуты в этой книге, – это белки, матричная РНК (мРНК) и ДНК.

Белки – основные строительные материалы в биологии. Из них создана большая часть физических структур, которые придают форму клеткам, они образуют каналы и насосы, регулирующие циркуляцию веществ в клетках. Кроме того, белки – катализаторы. Они запускают и контролируют биохимические реакции и метаболические пути, продуктами которых являются другие составляющие организма, например ДНК, жиры и углеводы. Относительную важность белков можно проиллюстрировать, например, таким фактом: эритроциты (красные кровяные тельца) в процессе созревания теряют ядра, в которых содержатся все их гены, но после этого живут еще около ста двадцати дней. Клетка, в которой сохранились гены, но нарушилась функция белков, погибнет в течение нескольких секунд.

Белок состоит из длинной цепи отдельных блоков – аминокислот. Известно около двадцати типов аминокислот, отличающихся по строению и химическим свойствам. Они взаимодействуют друг с другом, и это означает, что цепочки аминокислот могут закручиваться в замысловатые формы – самопроизвольно или под действием других белков. Этот процесс закручивания настолько сложен, что невозможно, зная одну лишь последовательность аминокислот, предсказать, какой именно белок получится в результате. (Компьютерные программы для прогнозирования формы белка существуют, но в них используется сочетание расчетов и вероятностных рассуждений, основанных на уже известной структуре белков и аминокислотных последовательностей, выявленных экспериментально с помощью рентгеновской кристаллографии. Таким образом, эти программы похожи на компьютерные программы, которые используют синоптики; впрочем, надо отметить, что предсказание структуры белков все же точнее прогноза погоды.)

Разные белки состоят из разных последовательностей аминокислот. Они одна за другой присоединяются к растущей цепи белка в порядке, который устанавливается молекулой, называемой матричной РНК (сокращенно мРНК) (рис. 1). Молекула мРНК тоже представляет собой одинарную цепочку отдельных блоков – азотистых оснований: аденина (A), цитозина (C), гуанина (G) и урацила (U). По своей структуре они сходны и по сравнению с аминокислотами не так интересны в плане химических свойств: молекулы мРНК не играют большой роли в клетке помимо регуляции последовательности аминокислот в формирующемся белке. Эта последовательность определяется последовательностью оснований в мРНК. Каждой аминокислоте соответствует свой код из трех азотистых оснований.

Рис. 1. Трансляция белка на рибосоме. Аминокислоты связываются в растущую белковую цепь согласно последовательности оснований мРНК

Последовательность оснований в молекулах мРНК определяется последовательностью оснований в ДНК. ДНК – очень длинная молекула, состоящая из комбинаций четырех азотистых оснований: аденина, цитозина, гуанина и тимина (T), которые могут располагаться в разной последовательности. Отдельные молекулы ДНК, образующие большую часть сорока шести хромосом в каждой клетке нашего тела, содержат миллионы азотистых оснований. Отдельные участки этой цепи представляют собой гены. Когда считывается генетическая информация, молекула РНК кодирует последовательность оснований ДНК (A, C, G, T) на языке своих оснований (A, C, G, U). Таким образом, РНК по сути дела является копией (транскриптом) гена в другой среде. Фактическое считывание генов производится целыми комплексами белков. Сначала они связываются с различными короткими последовательностями оснований в начале гена, АТААТ или TCACGCTGA. Разные гены имеют разные комбинации таких коротких последовательностей, маркирующих их начало, а каждая последовательность связывается с конкретным белком. Таким образом, разные сочетания белков участвуют в активации процесса считывания различных генов.

То, что разные гены активируются разными ДНК-связывающими белками, очень важно, потому что разные клетки организма должны синтезировать разные типы белков. Например, клетки кишечника производят белки, которые позволяют переваривать пищу, клетки яичников синтезируют белки для половых гормонов, а лейкоциты вырабатывают белки для борьбы с микробами. Все эти клетки содержат все гены генома, даже те, которые им никогда не понадобятся. Однако считываются только гены, необходимые конкретным клеткам, и происходит это за счет присутствия «эксклюзивных» ДНК-связывающих белков.

Теперь нам волей-неволей придется отказаться от мысли, что какой бы то ни было из этих компонентов может отвечать за развитие клетки – или эмбриона – в целом. Повторю: белки образуются только потому, что их образование диктуют (посредством мРНК) активные гены. В свою очередь, эти гены активны только потому, что их активировали уже существующие белки. Таким образом, получается замкнутый круг: контроль не сосредоточен ни в одной конкретной точке, потому что он осуществляется повсюду (рис. 2).

Рис. 2. Циклическая природа биологической логики. Белки определяют гены, которые нужно считывать, а эти гены управляют образованием новых белков. Некоторые из новых белков определяют гены, которые нужно считывать… И так далее

Цикл, схема которого изображена на рис. 2, наводит на одну интересную мысль. Для того чтобы клетка сохраняла стабильность, среди активных генов должны быть такие гены, которые определяли бы, какие белки будут связываться с последовательностями, маркирующими эти самые гены. При этом, однако, набор активных генов не должен включать какие бы то ни было белки, активирующие неактивные в настоящий момент гены. Если не будут выполнены эти условия, белки, созданные набором активных генов, не смогут поддерживать активность того же самого набора генов – некоторые из них «выключатся», другие «включатся», а в результате будет сделан совсем другой набор белков, и так далее. Эти изменения продолжатся до тех пор, пока не будет достигнуто стабильное состояние. Именно эта закономерность лежит в основе того, как клетки нашего организма преобразуются в процессе развития в клетки новых типов. Такое изменение, как правило, происходит под воздействием внешних сигналов, которые меняют способность конкретных белков активировать гены: они нарушают стабильность и вызывают переход к новому состоянию. Мы будет постоянно сталкиваться с примерами таких сигналов в последующих главах книги.

«Циклический» контроль, распределенный по всей системе, отнюдь не единственная странная особенность биологического конструирования. Есть и другая особенность, которая кажется просто фантастической, если рассматривать ее с позиции традиционной инженерии. Ее суть в том, что биологические молекулы могут самопроизвольно объединяться в структуры большего пространственного масштаба. Кирпичи и болты на это точно не способны! Этот процесс, который имеет принципиальное значение для жизни, немного напоминает рост кристаллов. Обычные кристаллы, как в наборах юного химика, образуются, потому что составляющие их молекулы могут связываться друг с другом, как правило, благодаря локальным электрическим зарядам. В белках тоже есть локальные электрические заряды, часто расположенные в труднодоступных участках внутри белка или на его выпуклых частях. Распределение зарядов и форма белка продиктованы последовательностью аминокислот. Иногда молекула белка вогнутая спереди и выпуклая сзади, так что выпуклость одного белка совпадает с вогнутой частью другого, как детали конструктора Lego. В этом случае молекулы белка могут выстроиться «голова к хвосту» в тонкую структуру сколь угодно большой длины (рис. 3). Чаще, однако, белок может распознавать участки связывания не только в других белках или каких-либо других молекулах, но и в собственной структуре. Это означает, что он не может создавать бесконечные нити с идентичными молекулами, как это происходит в кристаллах, а связывается только с определенным количеством белков, образуя многокомпонентные комплексы особой структуры. Эти комплексы играют важную роль в клетках, потому что действуют подобно крошечным машинам, которые могут осуществлять сложные химические реакции или даже организовывать сборку структур, которые слишком крупны и сложны для самопроизвольной организации. Примером могут служить упоминавшиеся выше белковые комплексы для считывания генов.

Рис. 3. Определенные участки белков (например, выпуклости, вогнутости и участки, несущие электрический заряд) часто могут прочно связываться с комплементарными участками собственной цепи или с другими белками. Когда «голова» одного белка присоединяется к «хвосту» другого, образуется длинная нить, в которой каждая молекула будет выступать в качестве звена. Когда определенный белок может связываться только с другими белками, образуются мультибелковые комплексы определенного размера и формы. К этому типу относятся белковые комплексы, транскрибирующие гены