Яка біомолекула міститься в усіх живих організмах? Якщо ви вважаєте, що ДНК, то ви помиляєтеся.
Утім, ця помилка цілком простима. В англомовній літературі (біологічні науки) ДНК розглядають як головну молекулу життя, яка координує і контролює більшість, якщо не всі, функції живого.
Така концепція головної молекули вельми популярна. Вона правдоподібна. Її викладають у кожному університеті та середній школі. Але вона помилкова. ДНК не є базовим контролером і навіть не перебуває в центрі біологічних процесів.
Навпаки, наука в переважній більшості випадків показує, що життя самоорганізується, а отже, все готово для того, щоб біологія зазнала остаточної зміни парадигми.
Міфологізація ДНК
Вельмишановні вчені роблять дуже сильні заяви про силу ДНК. У своїй автобіографії нобелівський лауреат Кері Малліс назвав її "королевою молекул" і "великою молекулою".
Можливо, він читав книгу "ДНК: Секрет життя", науково-популярну книжку, де ДНК - молекула, яка "зберігає ключ до самої природи живих істот".
Її автор, - лауреат Нобелівської премії Джеймс Вотсон, співвідкривач структури ДНК. Але навіть інститути мають свою думку з приводу ДНК; на сайті Національного інституту охорони здоров'я США стверджується, що "гени знаходяться в центрі всього, що робить нас людьми".
Про книгу "Секрет життя"
Вотсонівський погляд на генетику домінує і в освіті. Стандартний підручник біології для середньої школи вибудовує всю біологію навколо ДНК, тим самим надаючи їй статус біохімічного центру життя.
Тим часом Френсіс Коллінз, багаторічний голова Національного інституту охорони здоров'я, опублікував бестселер із такою назвою, як "Мова життя".
Деякі біологи скажуть, що ці погляди є крайніми та нерепрезентативними. Частково це так, крайні погляди на ДНК домінують у суспільному дискурсі.
Але тут головна мета - протиставити уявлення про ДНК вузьконауковому підходу, який біологи застосовують до інших молекул. Наше існування також залежить від білків, жирів, вуглеводів і РНК. Але ніхто не каже: "Це в моєму білку".
Але ось питання: чи є менш абсурдним з наукового погляду твердження, що щось "знаходиться в моїй ДНК"?
Питання: чи має ДНК право контролювати організм? Чи нуклеїнові кислоти перебувають у центрі біологічної організації?
Відповідь полягає в тому, що ДНК не є нічим із того, що стверджують Вотсон, Ландер і Коллінз, і що навіть стандартний погляд біолога на життя, заснований на нюансах, помилковий.
Це можна довести багатьма способами, але головним чином за допомогою нової науки про життя, яка виходить із майже повної безвісності. Ця нова наука пояснює особливості живих істот новими продуктивними способами, які ДНК-центрична, генетично детермінована біологія не здатна пояснити.
ДНК - це не мова Бога. Це навіть не мова біології.
Організми - це системи
Докази того, що ДНК не є біологічним контролером, починаються з визначення того, що біологічні організми - це складні системи. За межами біології, коли ми розглядаємо будь-яку складну систему, ми зазвичай не запитуємо, чи має один компонент перевагу над усіма іншими.
Ми вважаємо очевидним, що складні системи складаються з підсистем, кожна з яких необхідна для більшого цілого. Така підсистема має свою специфічну нішу, але жодна з них не має привілейованого рівня причинності.
Те саме стосується і живих організмів. На рівні фізіології окремого організму ми не відводимо виняткову або особливу причинну роль серцю, печінці, шкірі або мозку, тому що організм - це система. Усі частини необхідні.
На дрібніших біологічних рівнях різні типи клітин підтримують, функціонують і відновлюють себе та один одного. Аналогічно, на клітинному рівні ніхто не заперечує, що органели та інші молекулярні структури є взаємодіючими, але незалежними частинами цілого.
Однак на рівні макромолекул відбувається цікава річ. Біологи повністю відмовляються від системного мислення. Замість цього ми застосовуємо знамениту центральну догму біології, яка свідчить, що з ДНК виходить РНК, з РНК - білок (Crick, 1970).
Подібне формулювання створює історію походження, яка починається з ДНК.
- Перша помилка, однак, полягає в тому, що цю догму називають "центральною". Якщо організм - це система, то центру не існує.
- Друга помилка полягає в тому, що описаний шлях є фактично невірним. Шлях має бути петльовим, оскільки ДНК не береться з нізвідки: для створення кожної молекули ДНК необхідні білки, РНК і ДНК. У ширшому сенсі, синтез ДНК неможливий без цілої клітини так само, як для створення будь-якої РНК або будь-якого білка потрібна ціла клітина.
- Якби ми хотіли бути точнішими, ми б сказали, що для виробництва кожного із зазначених компонентів потрібен цілий організм. Навіть такий опис був би неповним, оскільки, безсумнівно, для цього потрібна екосистема, включно з, у випадку з людиною, мікробіотою кишківника і запасами їжі.
Тому повне формулювання центральної догми являє собою петлю, вплетену в павутину. Але центральна догма, якої щорічно навчають мільйони студентів, йде зовсім іншим інтелектуальним шляхом. Вона довільно відводить ДНК особливе місце:
по-перше, не замикаючи петлю, а по-друге, поміщаючи ДНК у її початок.
Таким чином, центральна догма - це всього лише уявлення, сформоване з довільно побудованих кордонів. Вона не є біологічною реальністю.
Генетики, а іноді й інші біологи, вибудовують правдоподібну лінійну інтерпретацію не за допомогою експериментів, - оскільки їхні результати суперечать їй, - а за допомогою активних дієслів у своїх посиланнях на ДНК.
За їхніми словами, ДНК "контролює", "управляє" і "регулює" клітинні процеси. Крім того, такі іменники, як "експресія", також часто використовуються для приписування функцій ДНК.
Інакше кажучи, біологи наділяють ДНК активістськими і вольовими (читай - божественними) надздібностями. Зрештою це може призвести до виникнення кругової аргументації. ДНК контролює розвиток ембріона або здоров'я організму, тому що гени виражають себе. Що і потрібно довести.
Однак не існує жодної конкретної науки, яка б продемонструвала, що ДНК відіграє домінуючу роль, яку мають на увазі наукові слова. Зовсім навпаки. Наприклад, у нещодавній публікації в журналі Nature стверджується:
"Виникає консенсус, що більша частина білків, які складають клітину, є буфером проти транскрипційних варіацій", тобто вона ізольована від прямого генетичного кількісного впливу (Chick et al., 2016).
Буферизація добре демонструється багатьма експериментами. Один із них - доказ того, що циркадний ритм бактерії може бути відтворений за відсутності будь-якої ДНК, всього трьома білками, змішаними разом у пробірці. Ритм зберігався протягом трьох днів, навіть при зміні температури (Nakjima et al., 2005).
Будь-яка мова, використовувана для опису ДНК, неминуче метафорична й обмежена в точності, але такі слова, як "керувати" і "контролювати", буквально придумують атрибути для ДНК (Noble, 2003).
Набагато точнішою метафорою було б порівняння її з бібліотекою, оскільки клітини використовують ДНК насамперед як сховище інформації. Подумайте про те, що біологи могли б використовувати більш нейтральні дієслова, такі як "використовувати", наприклад, "клітини використовують ДНК для створення білків". У цьому разі вони надали б для ДНК зовсім інший статус. Тільки бібліотекарі носять футболки з написом "це в моїй ДНК".
Якщо відкинути дикі метафори і центральну догму, з'явиться більш точний спосіб думати біологічно. Якщо кожна молекула і кожна підсистема, незалежно від масштабу, стримує і потенціює інші частини, то немає потреби робити висновок про центрального контролера.
Ми можемо замінити ДНК-центричну модель біології на релятивістську модель складної взаємодії систем зі зворотним зв'язком та емерджентними властивостями, одним із компонентів якої є бібліотека ДНК. У цій моделі РНК - просто один із входів, необхідних для створення білків, а ДНК - інший вхід, необхідний для створення РНК, і так далі.
На відміну від центральної догми, така пропозиція узгоджується з відомими фактами біології.
Тому формулювання, укладене в центральній догмі та в підручниках біології, є ілюзією. Вони являють собою класичний випадок того, що мікробіолог Карл Вуз назвав "редукціоністським фундаменталізмом". Він відрізняється від простого редукціонізму тим, що якщо простий редукціонізм є валідним науковим методом, то ми маємо справу з ідеологічною перевагою спрощеного пояснення, коли більш цілісне пояснення краще підтверджується доказами.
У цьому випадку ДНК приписують надздібності для пояснення спостережуваних біологічних дій, тоді як краще пояснення визнає, що багато біохімічних подій мають безліч причин і чинників.
Фізіолог з Оксфорда Денис Ноубл описує цю оману як наділення ДНК "привілейованим рівнем причинності".
Якщо не ДНК, то чи існує "молекула життя"?
Багато вірусів, що заражають рослини, не мають ДНК. Їхній життєвий цикл заснований на білку, а як спадковий матеріал вони використовують РНК.
Існують також патогени рослин, звані віроїдами, у яких немає ні ДНК, ні білка. Вони складаються виключно з некодуючої РНК.
Форми життя можуть існувати без ДНК і білків, але немає жодної, в якій би була відсутня РНК.
Відповідь на початкове запитання: "якою біомолекулою володіють усі живі організми?" очевидна - РНК.
РНК означає рибонуклеїнова кислота, і з багатьох причин вона є найкращим кандидатом на роль універсальної біомолекули, але аж ніяк не ДНК.
РНК також має чотири основи (A, C, G і U). Клітини вносять у них понад 100 порівнянних хімічних модифікацій. Роль цих модифікацій по суті залишається загадкою, але, ймовірно, вони допомагають нуклеїновій кислоті виконувати численні клітинні завдання.
РНК також неправильно розуміють. У типовій людській клітині менше 1% РНК виробляє білки. Решта 99% виконують величезну різноманітність структурних, регуляторних і ферментативних функцій.
Однак більшість біологів можуть бути рабами центральної догми, вважаючи, що РНК є лише проміжною ланкою між ДНК і білком. Хоча РНК почала виходити з тіні ДНК як набагато цікавіша молекула.
Глибоке пояснення молекулярних відмінностей полягає в тому, що РНК існувала задовго до ДНК. Можливо, РНК виникла до появи клітин. Вона дуже давня. Внаслідок цього вона настільки глибоко і структурно вбудована в живі системи, що її дуже важко вивчати.
Парадоксальна причина того, що ми мало знаємо про РНК, полягає не в тому, що вона не важлива, а в тому, що, на відміну від ДНК, РНК є надто важливою для функціонування клітини, щоб її можна було вибірково видалити на власний розсуд.
Отже, щоб відповідати сучасному еволюційному розумінню, ми повинні перевернути стандартне вчення і наполягати на тому, що правильне уявлення про ДНК полягає в тому, що вона є спеціалізованою формою РНК.
ДНК розвинула структурну жорсткість і хімічну інертність, щоб стати більш спокійним бібліотекарем для безпечного зберігання спадкової інформації.
Під час еволюції ДНК було обрано найкращим бібліотекарем (ця метафора бібліотеки походить від Коліна Таджа та його чудової книжки "Чому ДНК не егоїстична, а люди милі"); білки виявилися кращими каталізаторами хімічних реакцій; але РНК, скоріш за все, була біомолекулою, навколо якої справді будувалося життя.
Проблема в тому, що ДНК також не є центром еволюції.
Поширеним поясненням організації біології навколо ДНК, яке наводять автори підручника "Життя", є передбачувана роль ДНК у теорії еволюції. Однак із двох причин це пояснення є вельми сумнівним.
Обидві причини є прикладом широко поширеного нерозуміння теорії еволюції. Одна з помилок перебільшує значення теорії Дарвіна, а друга, вкотре, приписує ДНК роль, на яку вона не заслуговує.
Перша помилка полягає в припущенні, що еволюційна теорія є поясненням життя. Однак життя зародилося задовго до Дарвіна.
Ця відмінність дуже важлива. У підручниках необхідно відокремити походження життя від його підтримки, щоб не перебільшувати теорію Дарвіна; але, змішуючи ці два поняття, підручники лише відображають нерозуміння більшості біологів.
По-друге, додарвінівське життя клітин і метаболізм виникли завдяки тому, що складні системи володіють емерджентними і самоорганізаційними властивостями (наприклад, Kauffman, 1993; Carter, 2016).
Поява ДНК у цих системах дала змогу прискорити дарвінівську еволюцію, але не викорінила емерджентні властивості та властивості, що самоорганізуються. Швидше, вона допомогла створити нові. Це означає, що такі властивості є найімовірнішим поясненням великих областей біології.
"Самоорганізація пропонує те, чим розпоряджається природний добір" - так химерно резюмують Баттен і його колеги альтернативи стандартній еволюційній теорії, які значною мірою жорстко детерміновані генетикою (Batten et al., 2008).
Класичною емерджентною властивістю є згортання білків. ДНК кодує лінійну послідовність амінокислот, з яких складаються білки, але кожен білок набуває однієї (або зазвичай більше) дуже складної тривимірної форми (Munson et al., 1996). Ці форми, поряд із зарядом і розчинністю, значною мірою визначають властивості білка.
Звично вважається, що ДНК визначає всю інформацію, необхідну для формування білка, але це не так. Усі форми білків залежать також від інтеграції кількох джерел інформації. Вони включають температуру, інші клітинні молекули, такі як вода і мінеральні іони, рН, енергетичні молекули, допоміжні засоби для згортання білка і так далі.
Крім того, багато білків є молекулярними каналами та насосами, які проявляються тільки на більш високих рівнях структури, наприклад, у присутності інших білків.
Таким чином, ДНК визначає білки та їхні функції тільки до дуже обмеженої межі. Можна знехтувати всіма такими негенетичними внесками і приписати ДНК властивості білка або всього організму. Більшість учених так і роблять, але це ультрадетерміністська позиція. Вона повністю виключає емерджентні властивості, такі, як згортання білка, з функціонування життя. Вона знову наділяє ДНК надздібностями, яких у неї немає.
Емерджентні властивості - лише один із прикладів того, чому зв'язок між ДНК та еволюцією набагато більш нетривкий, ніж це зазвичай видається.
Патрік Бейтсон із Кембриджського університету пояснив еволюцію набагато точніше, ніж більшість учених, коли написав:
"Цілі організми виживають і розмножуються по-різному, і переможці тягнуть за собою свої генотипи. Це і є двигун дарвінівської еволюції".
Ми можемо пояснити, чому Чарльз Дарвін винайшов свою теорію еволюції, навіть не знаючи про існування ДНК, але для біологів вона важливіша, ніж будь-який інший компонент живих організмів.
Пояснення геноцентричної біології
Більшість клітинних молекул - це високореактивні і швидкоплинні хімічні речовини; їх важко витягти і вивчити. Така ситуація з РНК і білками.
ДНК, однак, є набагато більш практичною точкою втручання в біологію. Вона стабільна, міцна і досить проста, щоб бути виділеною на відтворюваній основі і точно скопійованою. Ще трохи потренувавшись, через деякий час ДНК можна змінювати і навіть замінювати. Звідси тривога з приводу неконтрольованого злому ДНК.
Ще одна проблема полягає в тому, що наше розуміння регуляторних мереж генів набагато випереджає розуміння інших дисциплін біології. Це відбувається тому, що ДНК - плід біології, що низько висить.
Дійсно, подивіться на будь-який багатоклітинний організм: під його відносно спокійною поверхнею ховаються системи кровообігу, шлунки, що вирують, лімфатичні дренажні системи, електричні імпульси, біомолекулярні машини і так далі.
Ці системи змушують кожну частину організму постійно рухатися, стискатися, скручуватися, вібрувати, напружуватися і рости.
Зрештою, живі організми визначаються їхньою динамічною природою. Ось чому, коли ми хочемо дізнатися, чи своєю смертю помер організм, ми не досліджуємо його ДНК, не вимірюємо серцебиття або роботу мозку.
З цієї причини в біології є незгодні. Деякі з них видатні. Інші - ні. Усі вони задаються питанням, чи не є біологія набагато складнішою і цікавішою, ніж те, що ми зараз уявляємо на основі ДНК (наприклад, Kaufman, 1993; Strohman, 1997; Rose, 1999; Woese 2004; Annila and Baverstock 2014; Friston et al., 2015).
Незгодні люблять відзначати загальну відсутність медико-наукових проривів після секвенування геному людини та дедалі детальнішого аналізу крихітних фрагментів ДНК людини (Ioannidis, 2007; Dermitzakis and Clark, 2009; Manolio et al., 2009).
Деякі йдуть у своїй критиці набагато далі. Карл Воезе, можливо, найвідоміший бактеріолог з часів Пастjра, перед смертю стверджував, що генетичний детермінізм - глухий кут, його бачення біології "витрачено" (Woese, 2004).
Можливо, немає яскравішого прикладу цього, ніж галузь тканинної інженерії. Фахівці стверджують, що вони досягли "неймовірного" прогресу у створенні цілих людських органів in vitro для пересадки та інших медичних цілей, проте всі ці органи нефункціональні (Badylak, 2016).
У них немає кровоносних судин, імунної системи або нервової мережі, це просто людські клітини на каркасі у формі вуха або руки, і тому, крім численних недоліків, вони недовговічні, оскільки не мають регенеративних властивостей.
Не можна не зазначити, що навіть системна біологія рідко займається вивченням систем. Науковці в переважній більшості випадків використовували засоби системної біології не для поглиблення розуміння складних процесів, а для масштабування та механізації їх редукціонізму.
Таким чином, жодна наукова спеціальність чи інститут не сформулювали глибоку неадекватність розгляду організмів як сукупності мереж регуляції генів. Ми не просунулися в напрямку створення альтернативної парадигми для її заміни (Strohman, 1997).
Проте інтелектуальний вакуум неухильно заповнюється окремими вченими, здебільшого на периферії, перспективними, навіть революційними теоретичними розробками та експериментальними результатами, що пояснюють біологічні явища у способи, які виходять за рамки академічної генетики.
Короткий посібник з альтернативних парадигм життя
Машина Гельмгольца - це сенсорний пристрій, який робить передбачення про реальність і звіряє його з реальністю. Потім вона оцінює різницю між ними. Байєсівська статистика - це математичний метод, що дає змогу робити те саме: оцінювати різницю між очікуваннями і реальністю.
Нова теорія нейробіології, звана байєсівською теорією мозку, припускає, що мозок є біологічним еквівалентом цих методів (розглянуто в Clark, 2013). Мозок робить передбачення, вимірює невідповідності своїм очікуванням і передає невідповідності вищим нейронним ланцюгам.
Вищі ланцюги повторюють процес, і якщо невідповідності зберігаються, то передаються ще далі, на рівень психіки.
Гіпотеза Байєсівського мозку є доволі новою, і передбачення нейронів може видатися неймовірним, проте гіпотеза пояснює багато аспектів структури та функціонування мозку; наприклад, як обробляються абсолютно різні стимули (візуальні, чуттєві, оральні, слухові тощо) за допомогою одних і тих самих нейронних механізмів і структур.
Вона також показує, як мозок інтегрує дії та сприйняття. Теорія дає змістовне пояснення навчанню - оновлення моделі передбачення.
Байєсівська гіпотеза мозку навіть пояснює, як розвиваються вищі рівні свідомості протягом еволюційних періодів часу: шляхом додавання нових шарів передбачень.
Особлива сила гіпотези полягає в тому, що вона відповідає фактичній просторовій організації нейронів у корі головного мозку приматів, у якій ряди "сенсорних" нейронів надсилають сигнали в протилежних напрямках, що дає їм змогу заміняти один одного (за винятком розбіжностей).
Система предиктивного навчання на основі структури представляє тут інтерес, оскільки вона відсуває на другий план детальні генетичні пояснення багатьох явищ, включно зі свідомістю (Friston, 2010).
Гени і білки доповнюють деталі, але багато ключових елементів роботи мозку випливають тільки зі структури. Тобто вони є емерджентними властивостями організації.
Емерджентні властивості не менш важливі і в інших галузях біології. Прикладом може слугувати судинна система рослин. Дерева переносять воду з ненасичених джерел на сотні метрів у повітря.
Транспірація не вимагає витрат енергії. Швидше, вона використовує суто фізичні властивості гідрофільних тканин (трубок) ксилеми та властивості води. Без транспірації, яка вже працює, але дуже слабко, у ґрунті, рослини не росли б і не виживали в суху погоду (Wheeler and Stroock, 2008).
Таким чином, визначальною характеристикою рослин (крім фотосинтезу) є їхня розумна експлуатація фізичних властивостей води.
У галузі біохімії нещодавно було висунуто припущення про існування метаболонів. Метаболони - це тривимірне просторове розташування ферментів.
Вони пояснюють, як продукт, здавалося б, незначного метаболічного шляху може, тим не менш, становити 30% ваги проростка і відганяти шкідників (Laursen et al., 2017).
Більш традиційним класом самоорганізованих властивостей, що зустрічаються в біології, є гомеостатичні петлі зворотного зв'язку. Вони являють собою явища, які значною мірою не залежать від функцій генів і відіграють ключову роль у поясненні діяльності та властивостей живих організмів. Три білки відтворити бактеріальний циркадний ритм. (Nakajima et al., 2005).
Однак найближче до остаточної фальсифікації генетичного детермінізму як концепції життя підійшла б теорія походження життя, де метаболізм посідає центральне місце.
Читачі можуть бути знайомі з концепцією рнк-світу, що існував до появи передбачуваного "сучасного світу ДНК". Але більш переконливою вчені вважають світ-теорію пептид-РНК.
Центральним доказом тези про походження пептид-РНК (Carter, 2016) є те, що фермент (званий аміноацил-тРНК-синтетазою), який сьогодні пов'язує РНК з білками - і який, отже, з'єднує світ РНК зі світом білків - існує у двох основних формах.
Еволюційне походження цих двох форм (ферментів класу I і класу II), однак, дивно непримиренне. Молекули I і II класів виконують майже однакові функції (хоча і з різними амінокислотами), але структурно не мають нічого спільного. За винятком одного. Їхні амінокислоти, ті, що знаходяться в активному каталітичному центрі, можуть бути отримані з протилежних ниток однієї і тієї ж молекули малої РНК (Carter 2016).
Іншими словами, два білки походять від протилежних ниток однієї дуже примітивної молекули малої РНК, яка кодувала обидва варіанти.
Наслідком цього переконливого спостереження є тісний зв'язок метаболізму та реплікації на дуже ранній стадії зародження життя.
РНК була збирачем примітивних білків, а метою яких був каталіз, тобто посилення метаболізму.
Таким чином, теза про походження пептид-РНК замінює теорію РНК-світу, що ґрунтується на реплікації, метаболізмі, який уже передував йому.
