II. ГЕНЫ И МОЗГ
Где был твой откован мозг?..
У. Блейк. Тигр
Из всех животных у человека самый большой мозг по отношению к размерам его тела.
Аристотель. Части животных
Биологическая эволюция сопровождалась все нарастающей сложностью. Сегодня самые сложные организмы на Земле содержат значительно больше информации — как генетической, так и внегенетической, чем самые сложные организмы, скажем, 200 миллионов лет назад (что составляет только 5 процентов истории жизни на планете, пять дней по нашему космическому календарю). Самые простые из организмов Земли сегодня имеют у себя за плечами ровно столько же эволюционного развития, сколько и самые сложные, и вполне может оказаться, что внутренняя биохимия современных бактерий более эффективна, нежели внутренняя биохимия бактерий три миллиарда лет назад. Но количество генетической информации сегодняшней бактерии, возможно, не слишком превышает то, что содержалось в ее древнем предке. Тут важно различие между количеством информации и ее качеством.
Различные биологические формы называются таксонами. Граница, проходящая между крупнейшими таксонами, отделяет растения от животных или организмы со слабо развитым ядром (бактерии, синезеленые водоросли) от организмов с четко выраженным и сложно устроенным ядром (например, простейшие, люди). Однако все организмы на планете Земля, обладают ли они хорошо выраженным ядром или нет, имеют хромосомы, которые заключают в себе генетический материал, передаваемый из поколения в поколение. Во всех организмах молекулы наследственности — это нуклеиновые кислоты. С некоторыми несущественными исключениями, молекулы нуклеиновых кислот, передающие наследственность, — это молекулы, называемые ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота). Более мелкие подразделения различных растений и животных, вплоть до видов и подвидов, тоже можно назвать разными таксонами.
Вид — это группа особей, могущих давать способное к самовоспроизведению потомство путем скрещивания только с особями своей группы, но не вне ее. В результате спаривания собак различных пород рождаются щенки, которые, достигнув взрослого состояния, способны к размножению. Но скрещивание между различными видами, даже видами столь близкими, как ослы и лошади, дает бесплодное потомство (в данном случае мулов). Поэтому ослы и лошади считаются различными видами. Между более отдаленными видами, например между львами и тиграми, иногда происходит скрещивание, дающее жизнеспособное, но бесплодное потомство, а крайне редко случается, что оно даже способно к размножению. Это свидетельствует о том, что определение вида несколько расплывчато. Все люди принадлежат к одному и тому же виду Homo sapiens, что в переводе с латинского звучит оптимистически: Человек разумный. Наши возможные предки Homo erectus (Человек прямоходящий) и Homo habilis (Человек умелый), ныне вымершие, относятся к одному роду (Homo), но к разным его видам, хотя никто, во всяком случае в недавнее время, не пытался экспериментальным путем выяснить, даст ли скрещивание между ними потомство, способное к размножению. В прежние времена было широко распространено мнение, что потомство может быть получено от совершенно различных организмов. Минотавр, которого убил Тезей, был рожден в браке между быком и женщиной. А римский историк Плиний утверждал, что страус, тогда только что открытый в природе, появился в результате скрещивания между жирафой и комаром. (Я полагаю, что комар в этой ситуации должен был быть самцом, а жирафа — самкой.) В действительности же, однако, подобного рода скрещивания не происходили по вполне понятной причине — из-за отсутствия какой-либо мотивации к ним.
На протяжении этой главы мы неоднократно будем возвращаться к графику, изображенному на рис. 1. Сплошная линия на нем указывает время самого первого появления на Земле различных главных таксономических групп. Конечно, в природе существует значительно большее число таких групп, чем указано точками на этом графике. Изображенной на нем кривой соответствует огромное количество точек, которыми следовало бы обозначить десятки миллионов различных таксономических групп, появившихся на нашей планете с того времени, когда на ней возникла жизнь. Главные из них, которые возникли в самое последнее время, как правило, наиболее сложны.
Рис. 1. Эволюция объема информации в генах и в мозге за всю историю жизни на Земле. Сплошная кривая, проходящая через темные точки, показывает количество битов информации, за ключенной в генах у различных организмов, чье приблизительное время появления, согласно имеющимся геологическим данным, также указано на диаграмме. Поскольку количество ДНК, приходящейся на одну клетку, неодинаково в пределах таксона, указано лишь минимальное для данной группы значение. Данные взяты из работы Бриттена и Давидсона (1969). Пунктирная кривая, проходящая через светлые точки, дает приблизительную оценку информации, заключенной в мозге и нервной системе тех же самых организмов. Точки, соответствующие информации, содержащейся в мозге амфибий и еще более простых животных, должны были бы находиться левее диаграммы. Хотя на диаграмме и указано количество битов информации в генетическом материале вирусов, но нет уверенности, что вирусы действительно появились несколько миллиардов лет назад. Возможно, что они появились намного позже и развились из бактерий и других более сложных организмов путем потери ими своих функций. [ 4 ]Если бы надо было отразить внесоматическую информацию, накопленную людьми (библиотеки и т. д.), то соответствующая точка оказалась бы далеко справа за границей диаграммы.
Некоторое представление о сложности организма может быть получено, если просто изучать его поведение, то есть число различных функций, которые он призван выполнять в своей жизнедеятельности. Но о сложности можно судить также по минимуму информации, заключенному в генетическом материале организма. Типичная человеческая хромосома имеет одну очень длинную молекулу ДНК, завитую в спираль, так что место, которое она занимает в пространстве, значительно меньше, чем если бы она была распрямлена. Эта молекула ДНК построена из более мелких строительных блоков, несколько напоминающих ступеньки и боковинки веревочной лестницы. Блоки называются нуклеотидами и существуют в четырех различных вариантах. Язык жизни, наша наследственная информация, определяется последовательностью четырех различных типов нуклеотидов. Можно сказать, что алфавит языка наследственности состоит всего из четырех букв.
Но книга жизни очень богата, типичная молекула ДНК хромосомы человека состоит примерно из пяти миллиардов частей или нуклеотидов. Наследственные программы всех других таксонов на Земле записаны тем же языком, тем же кодом. И этот единый для всех язык наследственности является одним из свидетельств происхождения всех организмов на Земле от единого предка, от общего для всех начала жизни, которое отделено от нас примерно четырьмя миллиардами лет.
Информация, содержавшаяся в любом послании, обычно измеряется в единицах, называемых битами - сокращение от binary digit, что значит «двоичный знак». Простейшие арифметические вычисления используют не десять разрядов (как делаем мы вследствие того, что по случайности эволюции обладаем десятью пальцами), а только два — 0 и 1. Так что на любой достаточно четкий вопрос может быть дан ответ в виде 0 или 1, «да» или «нет». Если бы наследственный код был описан на языке, имеющем не четыре, а две буквы, то число битов в молекуле ДНК равнялось бы удвоенному числу пар нуклеотидов. Но так как существует четыре типа нуклеотидов, число битов информации в ДНК в четыре раза больше числа пар нуклеотидов. Таким образом, если одна хромосома имеет пять миллиардов (5 • 109)) нуклеотидов, она содержит двадцать миллиардов (2 • 1010) битов информации. (Символ 109 указывает, что за единицей следует определенное число нулей — в данном случае девять.)
4