Несколько слов о генетическом коде (Часть Ι)
или, техническое предисловие к «Сообщению Творца в стандартном генетическом коде»,
- о котором можно почитать здесь: https://uri-ben-cephas.livejournal.com/24431.html
- или посмотреть здесь: https://www.youtube.com/watch?v=YFJTthoeXs8 (здесь отображена более давняя «версия» моего понимания, но как можно (потенциально) заметить, понимание не изменилось существенным образом, но к сожалению, в отношении, я тогда или не вс вполне понял, или ещё сомневался в некоторых важных элементах интерпретации, поэтому я не воздал тогда достойную честь Автору «Сообщения» (да, «Сообщение» можно интерпретировать); там есть немного и про то, что такое «генетический код»)
- о котором сам я впервые узнал из статьи Владимира Щербака и Максима Макукова «The "Wow! signal" of the terrestrial genetic code», опубликованной в планетологическом журнале Icarus, препринт которой можно найти по ссылке: https://arxiv.org/abs/1303.6739 (в которой найденный в «стандартном генетическом коде» порядок трактуется как след направленной панспермии, т.е. намеренного распространения жизни на других планетах высокоразвитой внеземной цивилизацией).
- и о котором, я определённо сказал меньше необходимого, да и то, что сказал, сказал недостаточно хорошо.
Для тех, кто ничего не слышал раньше о том, о чём тут идёт речь, мне хочется сказать пару слов. Как Вы, наверное, понимаете (а я полагаю, что Вы понимаете, но также полагаю, что, что Вы, быть может, не уверены, понимаю ли это я), фраза «Сообщение Творца в стандартном генетическом коде» звучит несколько вызывающе (а я ведь ещё заявил про интерпретацию!), даже если Вы плохо представляете себе, что такое «стандартный генетический код». А если Вы представляете себе это хорошо, то, вероятно, эта фраза, может звучать для Вас даже более чем скандально. Тем не менее, речь идёт именно о том, что написано, в самом буквальном смысле. Кто же захочет слушать о таких вещах? С одной стороны, есть немало любителей послушать сказки, а с другой стороны, мне хотелось бы добиться предельно серьёзного отношения. Я даже думаю, что «Сообщение» адресовано как раз таки людям, которые думают о себе, что они «рациональны» или «скептичны» или что-то ещё в этом роде. Конечно, я не хочу сказать, что вот тем-то и тем-то это «Сообщение» адресовано, а остальным - нет. Главное, по всему видно, что адресат должен быть как-то особенно любопытен. Ещё, конечно, адресат должен всё же иметь некоторое образование и некоторые способности к рассуждению, но ничего экстраординарного от него не требуется. И, ещё, рискну сказать, хоть немного, хотя бы в глубине души, адресат должен хотеть верить (и, притом, не в будду, не кришну, и не в направленную панспермию).
Далее, я изложу то, что, на мой взгляд нужно знать о «генетическом коде», чтобы понять рассказ о «Сообщении». Но перед тем, как приступить к чтению, Вам также стоит прочитать следующую запись « О порядке, который в генетическом коде». Это, как бы «идейное» введение, показывающее то, о порядке какого рода идёт речь, и почему такой порядок надо воспринимать как порядок, созданный намеренно, с некоторой уверенностью. Это «введение» представляет собой небольшую задачку - мысленный эксперимент - виртуальный квест, который Вы должны пройти, чтобы понять (или не понять), что существуют довольно простые способы организовать вещи, которые предъявляют довольно непростые требования к организатору (конкретно, умение считать, и не как вороны, или что-то в этом роде, если Вы понимаете, о чем речь). Мне кажется, после прохождения квеста, Вам станет внутренне понятно, будет ли убедителен для Вас рассказ о «Сообщении».
Предисловие-к-предисловию №2
Честно говоря, мне хотелось избежать того, чтобы писать про то, что такое генетический код, потому что, если предполагать полное незнание читателя, то заменить соответствующие школьные или более продвинутые лекции по химии и биологии мне вряд ли удастся, даже если захочется. С другой стороны, полупонятные или неправильно понятые слова никак не помогут разобраться в теме, а только отнимут у читателя время. А если предполагать некое предварительное знание, то какое? «Для кого писать?» - важный вопрос. Проще, конечно, было бы ограничиться теми, кто знает, что такое генетический код. С другой стороны, те кто знает, что такое генетический код, скорее всего без энтузиазма отнесутся к заявлению, что в нём есть «Сообщение Творца», так что хоть немного увеличить аудиторию, быть может, действительно, имеет смысл написать это введение. Как бы то ни было, я бы и дальше уклонялся от попыток написать что-то в этом роде, если бы не написал Евгению Рудному ( evgeniirudnyi ), что «попробую».
Можно воспринимать эту попытку как черновик, который, если будет обратная связь, можно будет дополнить или исправить.
Поехали.
Атомы и молекулы
Определённо, нужно иметь общее представление об атомно-молекулярном строении вещества, о том, что существуют химические элементы, о том что ядра атомов состоят из нейтронов и протонов, о том, что существуют изотопы, о том, что некоторые вещества имеют молекулярную структуру (а некоторые не имеют, например - металлы, но знание об этом не пригодится). Описание «Сообщения» включает в себя структурные формулы некоторых веществ и их частей, так что структурные формулы не должны вызывать удивления.
Для «проверки связи», скажу, что химический элемент «углерод» обозначается символом C, имеет атомную массу примерно 12.011 дальтон, его атомный номер равен 6и, а его основной изотоп 12С имеет массовое число 12 (это основная характеристика, с которой мы как раз таки и будем постоянно иметь дело, аналог которой для молекул и их частей (т.е. сумма массовых чисел основных изотопов атомов, составляющих молекулярную структуру) называется в работе Щербакова и Макукова нуклонным числом, а сумма нуклонных чисел для набора молекулярных структур, называется, соответственно нуклонной суммой) и его массовая доля в природном углероде приблизительно равна 99%. Это высказывание должно быть понятно.
Рис. 1 Нуклонные суммы этих структур для наиболее вероятных изотопных состояний равны 75 и 89 (O=16, C=12, H=1).
Ещё, для «проверки связи» посмотрите на структурные формулы на рисунке выше и прочитайте подпись. Написанное в подписи должно быть понятно. Также должна быть понятна фраза: «ту часть структуры, которая различается у обеих молекул, будем называть боковой цепью».
Итак, если всё сказанное выше понятно, попробую сказать, что нужно знать, о, собственно, «генетическом коде», чтобы понять рассказ о «Сообщении», в предположении, что Вы о нём ничего не знаете.
Кстати, если кто-то готов проверить для себя объективность существования «Сообщения» радикальным способом, и если этот кто-то настроен решительно, любит головоломки, знает, что такое стандартный генетический код, и готов потратить неопределённо большое количество времени непонятно на что, то... такой человек может прочитать и понять идею темы « О порядке, который в генетическом коде», и ... начать искать. Подсказка: «Сообщение» построено на распределении аминокислот, а, в особенности, на распределении их нуклонных сумм, по кодонам. У пытливого исследователя есть неплохой шанс найти если и не всё «Сообщение», то немалую его часть, и притом найти именно его. Но сколько времени это займёт, неизвестно.
Известно, что Владимир Щербак публиковал отдельные элементы порядка, о котором идёт речь, с паузами в несколько лет. Но он далеко не сразу осознал, что он нашёл, и что надо искать, и, как приходится полагать, относился к идее о «намеренно оставленном сообщении» неприязненно.
Общие слова о генетическом коде.
Слово «код» употребляется в разных смыслах. К тому смыслу, который имеется в виду в словосочетании «стандартный генетический код», в обыденной жизни мы ближе всего, говоря о «коде Морзе» или, вообще, о кодировках, о наборах символов, т.е., говоря о ситуации, когда «текст», составленный из одного набора символов передаётся с помощью «текста» из другого набора символов. Например, если кто-то получит сообщение из точек и тире (и пауз) «−·−· −−− −·· ·», то зная азбуку Морзе, он сможет прочитать сообщение из английских букв: «CODE».
Следует заметить, что в отличие от шифров, в коде Морзе (и подобных) нет намерения кого-то запутать, т.е. заменить кодируемое сообщение на нечто похожее на случайную последовательность символов. Напротив, каждый кодируемый символ всегда кодируется одной и той же узнаваемой кодирующей последовательностью точек и тире. Т.е., код Морзе (и подобные) - это просто способ записать сообщение другим набором символов, который по какой-то причине, оказался удобнее.
Слово «генетический» несколько понятнее. Это что-то, имеющее отношение к наследованию, - к преемственности между потомками и предками.
Итак, всё просто, в живых организмах что-то кодируется и что-то наследуется. Сразу скажу, что наследуются кодирующие объекты, а кодируются, соответственно кодируемые :) Кодируемые объекты - белки́.
И, что интересно, - хотя кодирующие и кодируемые объекты, а точнее сказать, молекулы, у разных живых существ весьма разнообразны, их молекулярные структуры подобны, они различаются так же, как различаются последовательности букв, а сами «алфавиты» одинаковые - свой «алфавит» у кодирующих молекул, и свой «алфавит» - у кодируемых, и, что существенно, «кодировка», т.е. система соответствий между кодирующими и кодируемыми молекулами - одинакова, у таких разных живых существ, как человек и кишечная палочка. Эта система соответствий, т.е. что-то вроде молекулярной «азбуки Морзе», и называется «генетическим кодом». Однако, не у всех организмов «кодировка» одна, есть и альтернативные, выглядящие, как небольшие отклонения от наиболее распространённой, но самая распространённая «кодировка», тем не менее, почти универсальна. Она называется «стандартным генетическим кодом», и в ней-то и обнаруживается порядок такого типа, который заставил убеждённого сторонника материалистических объяснений Владимира Щербака говорить о направленной панспермии, т.е., о намеренном засеивании Земли некоей развитой цивилизацией, которая оставила в генетическом коде свидетельство о себе.
Но меня, христианина, этот порядок понуждает говорить о Сообщении Творца всем, кому это интересно. Несмотря на то, что говорить о такой вещи, скандальной вещи, непросто. И говорить-то надо именно тем, для кого эта вещь скандальна. Впрочем, она не скандальнее вести о Создателе, распятом на кресте...
Белки́
Итак. Как уже было сказано, белки - это кодируемые молекулы, и два разных белка отличаются друг от друга так же, как отличаются друг от друга две разные последовательности букв одного алфавита. Конечно, кто-то из читателей может знать такие слова как «посттрансляционная модификация» или «пептидогликан», но это знание для понимания рассказа о «Сообщении» совершенно излишне.
Иными словами, для нас сейчас существенно только то, что структура молекулы конкретного белка представляет собой линейную цепочку из некоторых стандартных блоков, которые могут быть состыкованы друг с другом в произвольном порядке. Стандартные блоки, будучи в свободном виде, вне белковой цепочки, называются аминокислотами, а в составе белковой цепочки - аминокислотными остатками. При соединении блоков, часть атомов (а именно 2 водорода и один кислород) пропадает - уходит в раствор (в виде молекулы воды), поэтому, то что остаётся как часть белковой цепочки и называется «остатком».
На рисунке ниже показано объединение двух аминокислот в небольшой белок, с выделением молекулы воды (соединения небольшого числа аминокислот принято называть пептидами: дипептидами, олигопептидами, полипептидами и т.д., но для нас это несущественно). Связь, которая образуется между ними называется пептидной.
Рис.2 Соединение двух аминокислот с образованием между ними "пептидной связи" и выделением молекулы воды.
Символами R1 и R2 в квадратах условно обозначены части структуры, которыми могут отличатся аминокислоты (если они разного типа). Остальная часть структуры у обеих аминокислот на рисунке идентична. Итак, как видите, у стандартных блоков из которых составлены белки, есть часть «константная», т.е. для всех аминокислот - одинаковая, а есть - «вариабельная», которая и определяет, так сказать, индивидуальность аминокислоты. Всего существует 20 разных типов стандартных аминокислот (есть и кое-какие добавочные, которые могут включаться в белки при некоторых условиях, но для нас это не имеет значения). Для примера, ниже дана структурная формула пептида, состоящего из 8и аминокислотных остатков.
Рис. 3 C-terminal telopeptide
Поскольку в белке «константные» части аминокислотных остатков, собственно, и образуют цепочку, а «вариабельные» части «торчат» вбок (см. рисунок выше), мы будем условно называть «константные» части «остовом», даже если речь идёт об одной аминокислоте вне белковой цепочки. «Вариабельные» части мы будем называть «боковыми цепями».
Ещё необходимо отметить, хотя это в данный момент и не важно, а в рассказе о «Сообщении» об этом будет сказано по ходу действия, что одна из 20и стандартных аминокислот - «пролин» имеет особенность структуры - в ней боковая цепь присоединяется к остову в двух местах, из-за чего её остов имеет отличающуюся структуру, с одним недостающим атомом водорода. Это показано на рисунке ниже (две из трёх аминокислот на этом рисунке, Вы уже видели на Рис.1). Сверху от каждой структуры даны её стандартные, трёхбуквенное и однобуквенное, обозначения.
Рис. 4 Структуры 3х аминокислот - серина (Ser, S), аланина (Ala, A) и пролина (Pro, P).
Это практически всё, что надо знать о белках, чтобы понять рассказ о «Сообщении». Но есть ещё два момента, на которые следует указать.
Один - технический. Он состоит в том, что указанные на рисунках структуры аминокислот и пептидов даны для условий «в вакууме». В растворе некоторые водороды (ионы водорода - протоны) могут покинуть структуру, а некоторые, наоборот, присоединиться к ней, из-за чего некоторые функциональные группы будут выглядеть иначе, и кроме того, приобретут электрический заряд. При этом, «присоединение» и «отсоединение» водородов будет происходить постоянно, а вероятность того или иного конкретного состояния молекулярной структуры будет зависеть от pH. Но в рассказе о «Сообщении» структуры аминокислот всегда рассматриваются «в вакууме», и лишь в одном небольшом сюжете, имеющем вспомогательное значение, рассматриваются структуры в растворе (при нейтральном pH, т.е. как бы в «реальных условиях», хотя эти условия могут быть весьма различными в реальных организмах). Если для Вас понимание этого абзаца вызывает трудности, это не так страшно. Главное понять, что аминокислоты имеют различную структуру в воде и в изолированном виде, т.е. без взаимодействия с водной средой.
Второй момент - скорее «философский». Как я написал выше, для понимания «технической» стороны «Сообщения» можно оставить за скобками всё остальное знание о белках (как и о кодирующих их молекулах, о которых пока ещё ничего не было сказано), т.е., в том числе и знание о собственно биологической роли конкретных видов белков. Это существенно. Этот факт отражает характер «Сообщения», неожиданный и трудно представимый даже для тех, кто твердо убеждён, что жизнь сотворил Бог, не говоря уже о людях, убеждённых в её естественном происхождении.
И, тем не менее, поскольку «Сообщение» записано в генетическом коде, т.е. в системе соответствий между некими кодирующими и некими кодируемыми молекулами, - в объекте, как можно понять, умозрительном, хочется, так сказать, несколько укоренить его в реальности читателя, и заодно показать, что генетический код лежит в основании организации живых существ и является достойным местом для «Сообщения» такого рода. Для этого, перед тем как перейти к кодирующим молекулам, я кратко опишу значение белков для живых существ.
Итак, значение белков таково, что можно даже выразиться так: жизнь построена на белках, как электроника построена на полупроводниках. По крайней мере, «в первом приближении». Конечно, кроме белков есть много других веществ, которые выполняют важные функции или необходимы для того, чтобы некоторые белки выполняли свою функцию (как, например гем необходим для гемоглобина). Но, в целом, бо́льшую часть функций в живых организмах выполняют белки. Если надо что-то сделать с каким-то веществом, то катализатор реакции - белок. Если вещество надо хранить в контейнере, то контейнер - белок. Если вещество надо доставить внутрь клетки или секретировать наружу, то и тут «пропускной пункт» - белок. Чтобы набрать этот текст на компьютере надо было (в том числе, кроме всего прочего) совершить немало движений - сокращение мышц производят белки. И так далее.
Ниже на картинке показан бактериальный жгутик и его «мотор» - эта молекулярная машина тоже сделана из белков.
Рис. 5 Бактериальный жгутик
Кстати, Вы, возможно, обратили внимание на то, что хотя с точки зрения химической структуры, белки, как я написал - длинные линейные цепочки, «детальки» жгутика на рисунке выше имеют весьма разнообразную форму (на рисунке, форма, конечно, идеализирована). Действительно, линейная цепочка из звеньев - аминокислотных остатков, при определённом подборе звеньев, в растворе, может сложится в фигуру чуть ли не произвольной формы (и при этом, детерминированной, зависящей от последовательности звеньев белковой цепочки - аминокислотных остатков). Приобретение линейной цепочкой белка своей уникальной (обычно) пространственной формы называют «фолдингом». Эта форма существенно важна для их функционирования. На рисунке ниже приведено несколько примеров таких пространственных структур.
Рис. 6 Последовательность аминокислотных остатков конкретного белка определяет его пространственную структуру, нужную для его функционирования.
Значение белков для «механики» жизни трудно переоценить. Белки нужны для всего, и разных видов белков нужны тысячи или десятки тысяч, для разных организмов (определить точное число не так-то просто). Тут уместно вспомнить ещё одну функцию белков. Поскольку не все белки нужны всё время, синтез конкретных белков может «включаться» и «выключаться» при выполнении определённых условий (и эта логика тоже реализуется с применением определённых белков-«переключателей»).
Итак, белки, как класс веществ можно назвать функционально универсальным. Несмотря на то, что молекулы белков составлены из «деталей» всего лишь 20и сортов (с некоторыми поправками, которые для нас не важны), и отличаются только тем, какие «детали» - аминокислотные остатки - и в каком порядке их составляют, спектр доступных для них функциональных «возможностей» может показаться чуть ли не безграничным. Можно сказать, что белки - это что-то вроде конструктора - универсального биохимического и молекулярно-механического конструктора. Кстати, пользуясь случаем, хочу ещё раз сказать, что вопросы функциональности, целесообразности и видимой разумности устройства живых организмов, часто встающие в спорах о разумном замысле и эволюционных учениях, не важны для понимания рассказа о «Сообщении» и оценки его «убедительности». Этот момент, как показывает практика, нелегко понять и принять, вне зависимости от отношения к т.н. «эволюции».
Думаю, из всего сказанного можно даже из одного «здравого смысла» уловить биологический смысл генетического кодирования. Конечно, ни у кого из нас нет опыта создания жизни, и далеко не все имеют хоть какой-то инженерный опыт, и «здравый смысл» вещь не абсолютно надёжная :) но ... представьте, что Вы хотите сделать автономную, саморазмножающуюся бактерию, и Вам требуется, чтобы в небольшом объёме бактерии «работало» несколько тысяч разных типов веществ, с нетривиальными молекулярно-механическими и химическими свойствами, и, представьте, что все вещества разные, и каждое должно синтезироваться как-то по-своему, а система синтеза вряд ли может быть проще самого вещества и тоже требует разных веществ, которые тоже надо как-то синтезировать. Получается абсурд.
Может быть, если делать каждую бактерию на заводе, собирая её из атомов, не будет проблемы в том, что завод намного больше и сложнее бактерии, но если бактерия должна быть автономным саморазмножающимся объектом, внутри которого из простых веществ синтезируется всё необходимое, возникает проблема. Генетическое кодирование эту проблему решает. Для всех белков используется одна и та же система синтеза, которая собирает их из аминокислот. Но откуда же эта система получает информацию о том, какие аминокислоты и в каком порядке надо соединить, чтобы получился нужный белок? Как раз таки из кодирующих молекул - нуклеиновых кислот, свойства которых, в отличие от крайне разнообразных свойств белков, довольно просты и предсказуемы, но зато (и даже поэтому) позволяют им быть хорошим носителем информации.
Нуклеиновые кислоты бывают двух типов: дезоксирибонуклеиновая кислота или ДНК и рибонуклеиновая кислота или РНК. Из всего сказано ранее, думаю, понятно, что молекулы нуклеиновых кислот так же представляют собой цепочки из определённого набора стандартных блоков. ДНК обычно представляет собой длинные цепочки, несущие информацию о многих белках, и используется как долговременный хранитель информации. РНК (в контексте кодирования - у РНК есть и другие функции), обычно, - относительно короткие цепочки, несущие информацию об одном или иногда о нескольких (у бактерий) белках. РНК используется непосредственно в «машине», синтезирующей белки. Чтобы не усложнять рассказ ненужными деталями, о ней можно думать, как о временной (возможно, «отредактированной» тем или иным образом) копии участка ДНК, нужного для синтеза белка. Таким образом, синтез белка - опосредованный. Сначала по цепочке ДНК синтезируется цепочка РНК, при этом ДНК и РНК подобны по химической структуре, так что этот процесс напоминает копирование. Этот процесс называется транскрипцией - «переписыванием». Затем по цепочке РНК синтезируется белок. Структуры РНК и белка ничем не напоминают друг друга, синтез белка в соответствии с последовательностью РНК, поэтому, не может быть прямолинейным, и он-то как раз, и напоминает кодирование. Этот процесс называется трансляцией - «переводом».
Для того чтобы понять рассказ о «Сообщении» нужно знать немного о «стандартных блоках», из которых состоят нуклеиновые кислоты, о том как соотносятся ДНК и РНК, и о том, как соотносятся кодируемые последовательности «стандартных блоков» белков и кодирующие последовательности «стандартных блоков» нуклеиновых кислот, т.е., то, что фактически и называется «генетическим кодом». Начнём по порядку.
(продолжение)