Поскольку они столь точно совпадают друг с другом, то одну цепочку можно считать матрицей другой. Основной механизм репликации очень просто понять. Обе цепочки разделяются. Затем каждая цепочка действует как шаблон для сборки новой парной цепочки, используя в качестве сырья запас из четырех стандартных элементов. Когда эта операция завершится, мы будем иметь две пары цепочек вместо одной, и поскольку для того, чтобы выполнить работу аккуратно, сборка должна подчиняться правилам спаривания оснований (А с Т, Г с Ц), то последовательности оснований обязательно будут точно скопированы. В итоге мы получим две двойные спирали, где раньше имели лишь одну. Каждая дочерняя двойная спираль будет состоять из одной старой цепочки и одной вновь синтезированной цепочки, точно совпадающих друг с другом, и что более важно, последовательности оснований этих двух дочерних цепочек окажутся идентичными последовательности первоначальной родительской ДНК.
Основная идея вряд ли может быть проще. Единственная довольно неожиданная особенность заключается в том, что обе цепочки не идентичны, а комплементарны. Можно представить даже еще более простой механизм, в котором одинаковое спаривается с одинаковым с тем, чтобы обе парные цепочки оказались идентичными, но характер химических взаимодействий, скорее, несколько облегчает точное соответствие друг другу комплементарным молекулам, нежели абсолютно идентичным.
Как подобный процесс выдерживает сравнение с более крупными механизмами копирования, распространенными сегодня? Строка набора, подготовленная для печати, состоит (или обычно состояла) из определенного числа стандартных символов, организованных в строку или ряд строк. У каждой буквы в этом шрифте есть одинаковый для всех букв стандартный элемент, который вставляется в бороздки, удерживающие эту литеру на месте, и элемент, который характерен для каждой буквы. На этом сходство кончается. В репликации ДНК нет ничего, что соответствовало бы полиграфической краске. Буквы, напечатанные на листе, являются зеркальными изображениями очка литеры, но не комплементом (который остаётся, когда очко литеры вошло), и, что самое важное, получившуюся на печати строчку нельзя потом вернуть на место в ту же машину, чтобы воспроизвести очко литеры. Печатные прессы выпускают многие тысячи экземпляров газет, но газеты не копируются обратно в набор.
Репликация ДНК совсем не такая. Для того чтобы заработал естественный отбор, важно, чтобы саму эту копию можно было скопировать. Репликация ДНК больше похожа на отливку фрагмента скульптуры из литейной формы, так как если она достаточно простая, то саму скульптуру можно использовать для создания дополнительной формы. Основная разница заключается в том, что нить ДНК строится лишь из четырех стандартных отрезков. Очевидно, что это не относится к большинству фрагментов скульптуры.
Если мы исследуем процесс репликации ДНК, то увидим, что здесь есть ряд основных требований. Если мы начнем с двойной спирали, то обе цепочки должны каким-то образом разделяться. В наличии должен иметься запас из четырех элементов, каждый из которых состоит из характерного участка остова, — одна молекула сахара объединяется с одной молекулой фосфата, — и включает одно из четырех оснований, присоединенное к сахару. Такая состоящая из трех частей молекула называется нуклеотид. На практике эти первичные элементы имеют не просто один фосфат, а три, расположенные в ряд, причем два других отделяются в процессе полимеризации, предоставляя таким образом энергию для проведения синтеза в желаемом направлении. Хотя можно представить процесс, проходящий без дополнительных элементов, в развитой системе мы непременно рассчитываем обнаружить, по крайней мере, один фермент (то есть белок с каталитической активностью), который ускорит синтез и сделает его более точным.
Таковы в общих чертах требования. Когда исследуешь реальную систему репликации, то обнаруживаешь, что она значительно сложнее. Прежде всего, когда начинается синтез, обе цепочки еще полностью не разделились. Синтез новых цепочек происходит в процессе разделения, поэтому некоторые части двойной спирали копируются еще до того, как разделились другие более удаленные участки. Есть особые белки, функция которых состоит в том, чтобы раскрутить двойную спираль, и вместе с другими, которые могут создать ники[4] в остове, дать возможность одной цепочке вращаться вокруг другой, и затем вновь объединить разорванную цепь. Так как обе цепочки двойной спирали быстро двигаются в противоположных направлениях, и так как, говоря химическим языком, синтез проходит только в одном направлении, то мы обнаружим, что синтез происходит в прямом направлении на одну из цепочек и в обратном направлении на другую, поэтому механизм должен учитывать эту сложность. Более того, новый фрагмент цепочки ДНК обычно начинается как небольшой отрезок РНК, с которым затем объединяется более длинный фрагмент ДНК. Существуют добавочные белки, которые затем вырезают этот праймер РНК и заменяют его эквивалентным отрезком цепочки ДНК, и затем объединяют все воедино без разрыва. Мы знаем, что для синтеза одного вида небольшого вируса, созданного из ДНК, требуется почти двадцать различных белков; какие-то из них выполняют одну функцию, какие-то — другую. Это очень характерно для биологических процессов. Лежащий в их основе механизм должен быть простым, но если процесс биологически важен, тогда в длительном ходе эволюции естественный отбор усовершенствует и приукрасит его, с тем чтобы он мог функционировать как быстрее, так и точнее. Именно вследствие этой причудливой усложненности биологические механизмы часто так трудно разгадать.