Главная Биология Пересмотреть концепцию ДНК и других биомолекул

Что находится в моем ДНК?

Какая биомолекула содержится во всех живых организмах? Если вы считаете, что ДНК, то вы ошибаетесь, пишет Альтернативная наука.

Впрочем, эта ошибка вполне простительна. В англоязычной литературе (биологические науки) ДНК рассматривается как главная молекула жизни, координирующая и контролирующая большинство, если не все, функции живого.

Такая концепция главной молекулы весьма популярна. Она правдоподобна. Ее преподают в каждом университете и средней школе. Но она ошибочна. ДНК не является базовым контроллером и даже не находится в центре биологических процессов.

Напротив, наука в подавляющем большинстве случаев показывает, что жизнь самоорганизуется, а значит, все готово для того, чтобы биология претерпела окончательную смену парадигмы.

Мифологизация ДНК

Высокоуважаемые ученые делают очень сильные заявления о силе ДНК. В своей автобиографии нобелевский лауреат Кэри Маллис назвал ее "королевой молекул" и "большой молекулой".

Возможно, он читал книгу "ДНК: Секрет жизни", научно-популярную книгу, где ДНК - молекула, которая "хранит ключ к самой природе живых существ".

Ее автор, - лауреат Нобелевской премии Джеймс Уотсон, сооткрыватель структуры ДНК. Но даже институты имеют свое мнение по поводу ДНК; на сайте Национального института здравоохранения США утверждается, что "гены находятся в центре всего, что делает нас людьми".

О книге «Секрет жизни»

Уотсоновский взгляд на генетику доминирует и в образовании. Стандартный учебник биологии для средней школы выстраивает всю биологию вокруг ДНК, тем самым придавая ей статус биохимического центра жизни.

Тем временем Фрэнсис Коллинз, многолетний глава Национального института здравоохранения, опубликовал бестселлер с таким названиями, как "Язык жизни".

Некоторые биологи скажут, что эти взгляды являются крайними и нерепрезентативными. Частично это так, крайние взгляды на ДНК доминируют в общественном дискурсе.

Но здесь главная цель - противопоставить представление о ДНК узконаучному подходу, который биологи применяют к другим молекулам. Наше существование также зависит от белков, жиров, углеводов и РНК. Но никто не говорит: "Это в моем белке".

Но вот вопрос: является ли менее абсурдным с научной точки зрения утверждение, что что-то "находится в моей ДНК"?

Вопрос: обладает ли ДНК правом контролировать организм? Или нуклеиновые кислоты находятся в центре биологической организации?

Ответ заключается в том, что ДНК не является ничем из того, что утверждают Уотсон, Ландер и Коллинз, и что даже стандартный взгляд биолога на жизнь, основанный на нюансах, ошибочен.

Это можно доказать многими способами, но главным образом с помощью новой науки о жизни, которая выходит из почти полной безвестности. Эта новая наука поясняет особенности живых существ новыми продуктивными способами, которые ДНК-центричная, генетически детерминированная биология не способна объяснить.

ДНК - это не язык Бога. Это даже не язык биологии.

Организмы - это системы

Доказательства того, что ДНК не является биологическим контроллером, начинаются с определения того, что биологические организмы - это сложные системы. За пределами биологии, когда мы рассматриваем любую сложную систему, мы обычно не спрашиваем, имеет ли один компонент преимущество над всеми остальными.

Мы считаем очевидным, что сложные системы состоят из подсистем, каждая из которых необходима для более крупного целого. Такая подсистема имеет свою специфическую нишу, но ни одна из них не обладает привилегированным уровнем причинности.

Живой организм - это прежде всего комплексная система

То же самое относится и к живым организмам. На уровне физиологии отдельного организма мы не отводим исключительную или особую причинную роль сердцу, печени, коже или мозгу, потому что организм - это система. Все части необходимы.

На более мелких биологических уровнях различные типы клеток поддерживают, функционируют и восстанавливают себя и друг друга. Аналогично, на клеточном уровне никто не отрицает, что органеллы и другие молекулярные структуры являются взаимодействующими, но независимыми частями целого.

Однако на уровне макромолекул происходит любопытная вещь. Биологи полностью отказываются от системного мышления. Вместо этого мы применяем знаменитую центральную догму биологии, которая гласит, что из ДНК получается РНК, из РНК - белок (Crick, 1970).

Подобная формулировка создает историю происхождения, которая начинается с ДНК.

  1. Первая ошибка, однако, заключается в том, что эту догму называют "центральной". Если организм - это система, то центра не существует.
  2. Вторая ошибка заключается в том, что описанный путь является фактически неверным. Путь должен быть петлевым, поскольку ДНК не берется из ниоткуда: для создания каждой молекулы ДНК необходимы белки, РНК и ДНК. В более широком смысле, синтез ДНК невозможен без целой клетки так же, как для создания любой РНК или любого белка требуется целая клетка.

Если бы мы хотели быть более точными, мы бы сказали, что для производства каждого из указанных компонентов требуется целый организм. Даже такое описание было бы неполным, поскольку, несомненно, для этого нужна экосистема, включая, в случае с человеком, микробиоту кишечника и запасы пищи.

Поэтому полная формулировка центральной догмы представляет собой петлю, вплетенную в паутину. Но центральная догма, которой ежегодно обучают миллионы студентов, идет по совершенно другому интеллектуальному пути. Она произвольно отводит ДНК особое место:

  1. во-первых, не замыкая петлю,
  2. а во-вторых, помещая ДНК в ее начало.

Таким образом, центральная догма - это всего лишь представление, сформированное из произвольно построенных границ. Она не является биологической реальностью.

Генетики, а иногда и другие биологи, выстраивают правдоподобную линейную интерпретацию не с помощью экспериментов, - поскольку их результаты противоречат ей, - а с помощью активных глаголов в своих ссылках на ДНК.

По их словам, ДНК "контролирует", "управляет" и "регулирует" клеточные процессы. Кроме того, такие существительные, как "экспрессия", также часто используются для приписывания функций ДНК.

Иначе говоря, биологи наделяют ДНК активистскими и волевыми (читай — божественными) сверхспособностями. В конечном итоге это может привести к возникновению круговой аргументации. ДНК контролирует развитие эмбриона или здоровье организма, потому что гены выражают себя. Что и требуется доказать.

Однако не существует никакой конкретной науки, которая бы продемонстрировала, что ДНК играет доминирующую роль, которую подразумевают наукоекие слова. Совсем наоборот. Например, в недавней публикации в журнале Nature утверждается:

"Возникает консенсус, что большая часть белков, составляющих клетку, является буфером против транскрипционных вариаций", то есть она изолирована от прямого генетического количественного влияния (Chick et al., 2016).

Буферизация хорошо демонстрируется многими экспериментами. Один из них - доказательство того, что циркадный ритм бактерии может быть воспроизведен при отсутствии какой-либо ДНК, всего тремя белками, смешанными вместе в пробирке. Ритм сохранялся в течение трех дней, даже при изменении температуры (Nakjima et al., 2005).

Любой язык, используемый для описания ДНК, неизбежно метафоричен и ограничен в точности, но такие слова, как "управлять" и "контролировать", буквально придумывают атрибуты для ДНК (Noble, 2003).

ДНК - это библиотека любого организма

Гораздо более точной метафорой было бы сравнение ее с библиотекой, поскольку клетки используют ДНК в первую очередь как хранилище информации. Подумайте о том, что биологи могли бы использовать более нейтральные глаголы, такие как "использовать", например, "клетки используют ДНК для создания белков". В этом случае они предоставили бы для ДНК совсем другой статус. Только библиотекари носят футболки с надписью "это в моей ДНК".

Если отбросить дикие метафоры и центральную догму, появится более точный способ думать биологически. Если каждая молекула и каждая подсистема, независимо от масштаба, сдерживает и потенцирует другие части, то нет необходимости делать вывод о центральном контролере.

Мы можем заменить ДНК-центричную модель биологии на релятивистскую модель сложного взаимодействия систем с обратной связью и эмерджентными свойствами, одним из компонентов которой является библиотека ДНК. В этой модели РНК - просто один из входов, необходимых для создания белков, а ДНК - другой вход, необходимый для создания РНК, и так далее.

В отличие от центральной догмы, такое предложение согласуется с известными фактами биологии.

Поэтому формулировка, заключенная в центральной догме и в учебниках биологии, является иллюзией. Они представляют собой классический случай того, что микробиолог Карл Вуз назвал "редукционистским фундаментализмом". Он отличается от простого редукционизма тем, что если простой редукционизм является валидным научным методом, то мы имеем дело с идеологическим предпочтением упрощенного объяснения, когда более целостное объяснение лучше подтверждается доказательствами.

В данном случае ДНК приписываются сверхспособности для объяснения наблюдаемых биологических действий, в то время как лучшее объяснение признает, что многие биохимические события имеют множество причин и факторов.

Физиолог из Оксфорда Денис Ноубл описывает это заблуждение как наделение ДНК "привилегированным уровнем причинности".

Если не ДНК, то существует ли "молекула жизни"?

Многие вирусы, заражающие растения, не имеют ДНК. Их жизненный цикл основан на белке, а в качестве наследственного материала они используют РНК.

Существуют также патогены растений, называемые вироидами, у которых нет ни ДНК, ни белка. Они состоят исключительно из некодирующей РНК.

Формы жизни могут существовать без ДНК и белков, но нет ни одной, в которой бы отсутствовала РНК.

Ответ на начальный вопрос: "какой биомолекулой обладают все живые организмы?" очевиден - РНК.

РНК означает рибонуклеиновая кислота, и по многим причинам она является лучшим кандидатом на роль универсальной биомолекулы, но никак не ДНК.

РНК также имеет четыре основания (A, C, G и U). Клетки вносят в них более 100 сравнимых химических модификаций. Роль этих модификаций по существу остается загадкой, но предположительно они помогают нуклеиновой кислоте выполнять многочисленные клеточные задачи.

РНК также неправильно понимают. В типичной человеческой клетке менее 1% РНК производит белки. Остальные 99% выполняют огромное разнообразие структурных, регуляторных и ферментативных функций.

Однако большинство биологов могут быть рабами центральной догмы, считая, что РНК является лишь промежуточным звеном между ДНК и белком. Хотя РНК начала выходить из тени ДНК как гораздо более интересная молекула.

Глубокое объяснение молекулярных различий заключается в том, что РНК существовала задолго до ДНК. Возможно, РНК возникла до появления клеток. Она очень древняя. Вследствие этого она настолько глубоко и структурно встроена в живые системы, что ее очень трудно изучать.

Парадоксальная причина того, что мы мало знаем о РНК, заключается не в том, что она не важна, а в том, что, в отличие от ДНК, РНК слишком важна для функционирования клетки, чтобы ее можно было избирательно удалить по своему усмотрению.

Следовательно, чтобы соответствовать современному эволюционному пониманию, мы должны перевернуть стандартное учение и настаивать на том, что правильное представление о ДНК заключается в том, что она является специализированной формой РНК.

ДНК развила структурную жесткость и химическую инертность, чтобы стать более спокойным библиотекарем для безопасного хранения наследственной информации.

В ходе эволюции ДНК была выбрана лучшим библиотекарем (эта метафора библиотеки восходит к Колину Таджу и его замечательной книге "Почему ДНК не эгоистична, а люди милы"); белки оказались лучшими катализаторами химических реакций; но РНК, скорее всего, была биомолекулой, вокруг которой действительно строилась жизнь.

Проблема в том, что ДНК также не является центром эволюции.

Распространенным объяснением организации биологии вокруг ДНК, которое приводят авторы учебника "Жизнь", является предполагаемая роль ДНК в теории эволюции. Однако по двум причинам это объяснение весьма сомнительно.

Обе причины являются примером широко распространенного непонимания теории эволюции. Одно из заблуждений преувеличивает значение теории Дарвина, а второе, в очередной раз, приписывает ДНК роль, которую она не заслуживает.

Первое заблуждение заключается в предположении, что эволюционная теория является объяснением жизни. Однако жизнь зародилась задолго до дарвиновской эволюции, и некоторые из ее фундаментальных моделей (клетки, белки, энергетический обмен) возникли - насколько мы можем судить - задолго до того, как ДНК стала молекулой наследственности (Carter, 2016).

Это различие очень важно. В учебниках необходимо отделить происхождение жизни от ее поддержания, чтобы не преувеличивать теорию Дарвина; но, смешивая эти два понятия, учебники лишь отражают непонимание большинства биологов.

Во-вторых, додарвиновская жизнь клеток и метаболизм возникли благодаря тому, что сложные системы обладают эмерджентными и самоорганизующимися свойствами (например, Kauffman, 1993; Carter, 2016).

Появление ДНК в этих системах позволило ускорить дарвиновскую эволюцию, но не искоренило эмерджентные и самоорганизующиеся свойства. Скорее, она помогла создать новые. Это означает, что такие свойства являются наиболее вероятным объяснением больших областей биологии.

"Самоорганизация предлагает то, чем распоряжается естественный отбор" - так причудливо резюмируют Баттен и его коллеги альтернативы стандартной эволюционной теории, которые в значительной степени жестко детерминирована генетикой (Batten et al., 2008).

Классическим эмерджентным свойством является сворачивание белков. ДНК кодирует линейную последовательность аминокислот, из которых состоят белки, но каждый белок принимает одну (или обычно более) очень сложную трехмерную форму (Munson et al., 1996). Эти формы, наряду с зарядом и растворимостью, в значительной степени определяют свойства белка.

Привычно считается, что ДНК определяет всю информацию, необходимую для формирования белка, но это не так. Все формы белков зависят также от интеграции нескольких источников информации. Они включают температуру, другие клеточные молекулы, такие как вода и минеральные ионы, рН, энергетические молекулы, вспомогательные средства для сворачивания белка и так далее.

Кроме того, многие белки являются молекулярными каналами и насосами, которые проявляются только на более высоких уровнях структуры, например, в присутствии других белков.

Таким образом, ДНК определяет белки и их функции только до очень ограниченного предела. Можно пренебречь всеми такими негенетическими вкладами и приписать ДНК свойства белка или всего организма. Большинство ученых так и поступают, но это ультрадетерминистская позиция. Она полностью исключает эмерджентные свойства, такие, как сворачивание белка, из функционирования жизни. Она снова наделяет ДНК сверхспособностями, которых у нее нет.

Эмерджентные свойства - лишь один из примеров того, почему связь между ДНК и эволюцией гораздо более непрочная, чем это обычно представляется.

Патрик Бейтсон из Кембриджского университета объяснил эволюцию гораздо точнее, чем большинство ученых, когда написал:

"Целые организмы выживают и размножаются по-разному, и победители тащат за собой свои генотипы. Это и есть двигатель дарвиновской эволюции".

Мы можем объяснить, почему Чарльз Дарвин изобрел свою теорию эволюции, даже не зная о существовании ДНК, но для биологов она важнее, чем любой другой компонент живых организмов.

Объяснение геноцентрической биологии

Большинство клеточных молекул - это высокореактивные и быстротечные химические вещества; их трудно извлечь и изучить. Так обстоит дело с РНК и белками.

 

ДНК, однако, является гораздо более практичной точкой вмешательства в биологию. Она стабильна, прочна и достаточно проста, чтобы быть выделенной на воспроизводимой основе и точно скопированной. Еще немного потренировавшись, через некоторое время ДНК можно изменять и даже заменять. Отсюда тревога по поводу неконтролируемого взлома ДНК.

Еще одна проблема состоит в том, что наше понимание регуляторных сетей генов намного опережает понимание других дисциплин биологии. Это происходит потому, что ДНК - низко висящий плод биологии.

Действительно, посмотрите на любой многоклеточный организм: под его относительно спокойной поверхностью скрываются системы кровообращения, бурлящие желудки, лимфатические дренажные системы, электрические импульсы, биомолекулярные машины и так далее.

Эти системы заставляют каждую часть организма постоянно двигаться, сжиматься, скручиваться, вибрировать, напрягаться и расти. В конечном счете, живые организмы определяются их динамичной природой. Вот почему, когда мы хотим узнать, своей ли смертью умер организм, мы не исследуем его ДНК, не измеряем сердцебиение или работу мозга.

По этой причине в биологии есть несогласные. Некоторые из них видные. Lheubt - нет. Все они задаются вопросом, не является ли биология гораздо более сложной и интересной, чем то, что мы сейчас представляем на основе ДНК (например, Kaufman, 1993; Strohman, 1997; Rose, 1999; Woese 2004; Annila and Baverstock 2014; Friston et al., 2015).

Несогласные любят отмечать общее отсутствие медико-научных прорывов после секвенирования генома человека и все более детального анализа крошечных фрагментов ДНК человека (Ioannidis, 2007; Dermitzakis and Clark, 2009; Manolio et al., 2009).

Некоторые идут в своей критике гораздо дальше. Карл Вуз, возможно, самый известный бактериолог со времен Пастера, перед смертью утверждал, что генетический детерминизм - тупик, его видение биологии "израсходовано" (Woese, 2004).

Возможно, нет более яркого примера этого, чем область тканевой инженерии. Специалисты утверждают, что они достигли "невероятного" прогресса в создании целых человеческих органов in vitro для пересадки и других медицинских целей, однако все эти органы нефункциональны (Badylak, 2016). У них нет кровеносных сосудов, иммунной системы или нервной сети, это просто человеческие клетки на каркасе в форме уха или руки, и поэтому, помимо многочисленных недостатков, они недолговечны, поскольку не обладают регенеративными свойствами.

Нельзя не отметить, что даже системная биология редко занимается изучением систем. Ученые в подавляющем большинстве случаев использовали средства системной биологии не для углубления понимания сложных процессов, а для масштабирования и механизации их редукционизма.

Таким образом, ни одна научная специальность или институт не сформулировали глубокую неадекватность рассмотрения организмов как совокупности сетей регуляции генов. Мы не продвинулись в направлении создания альтернативной парадигмы для ее замены (Strohman, 1997).

Тем не менее, интеллектуальный вакуум неуклонно заполняется отдельными учеными, в основном на периферии, перспективными, даже революционными теоретическими разработками и экспериментальными результатами, которые объясняют биологические явления способами, выходящими за рамки академической генетики.

Краткое руководство по альтернативным парадигмам жизни

Машина Гельмгольца - это сенсорное устройство, которое делает предсказание о реальности и сверяет его с реальностью. Затем она оценивает разницу между ними. Байесовская статистика - это математический метод, позволяющий делать то же самое: оценивать разницу между ожиданиями и реальностью.

Новая теория нейробиологии, называемая байесовской теорией мозга, предполагает, что мозг является биологическим эквивалентом этих методов (рассмотрено в Clark, 2013). Мозг делает предсказания, измеряет несоответствия своим ожиданиям и передает несоответствия вышестоящим нейронным цепям.

Более высокие цепи повторяют процесс, и если несоответствия сохраняются, то передаются еще далее, на уровень психики.

Гипотеза Байесовского мозга является довольно новой, и предсказание нейронов может показаться невероятным, однако гипотеза объясняет многие аспекты структуры и функционирования мозга; например, как обрабатываются совершенно разные стимулы (визуальные, чувственные, оральные, слуховые и т.д.) с помощью одних и тех же нейронных механизмов и структур.

Она также показывает, как мозг интегрирует действия и восприятие. Теория дает содержательное объяснение обучению - обновление модели предсказания.

Байесовская гипотеза мозга даже объясняет, как развиваются более высокие уровни сознания в течение эволюционных периодов времени: путем добавления новых слоев предсказаний.

Особая сила гипотезы заключается в том, что она соответствует фактической пространственной организации нейронов в коре головного мозга приматов, в которой ряды "сенсорных" нейронов посылают сигналы в противоположных направлениях, что позволяет им отменять друг друга (за исключением несовпадений).

Система предиктивного обучения на основе структуры представляет здесь интерес, поскольку она отодвигает на второй план детальные генетические объяснения многих явлений, включая, и сознание (Friston, 2010).

Гены и белки дополняют детали, но многие ключевые элементы работы мозга вытекают только из структуры. То есть они являются эмерджентными свойствами организации.

Эмерджентные свойства не менее важны и в других областях биологии. Примером может служить сосудистая система растений. Деревья переносят воду из ненасыщенных источников на сотни метров в воздух.

Транспирация не требует затрат энергии. Скорее, она использует чисто физические свойства гидрофильных тканей (трубок) ксилемы и свойства воды. Без транспирации, которая уже работает, но очень слабо, в почве, растения не росли бы и не выживали в сухую погоду (Wheeler and Stroock, 2008).

Таким образом, определяющей характеристикой растений (помимо фотосинтеза) является их умная эксплуатация физических свойств воды.

В области биохимии недавно было выдвинуто предположение о существовании метаболонов. Метаболоны - это трехмерное пространственное расположение ферментов.

Они объясняют, как продукт, казалось бы, незначительного метаболического пути может, тем не менее, составлять 30% веса проростка и отгонять вредителей (Laursen et al., 2017).

Более традиционным классом самоорганизующихся свойств, встречающихся в биологии, являются гомеостатические петли обратной связи. Они представляют собой явления, в значительной степени не зависящие от функций генов и играющие ключевую роль в объяснении деятельности и свойств живых организмов. Три белка воссоздать бактериальный циркадный ритм. (Nakajima et al., 2005).

Однако ближе всего к окончательной фальсификации генетического детерминизма как концепции жизни подошла бы теория происхождения жизни, где метаболизм занимает центральное место.

Читатели могут быть знакомы с концепцией рнк-мира, существовавшего до появления предполагаемого "современного мира ДНК". Но более убедительной ученые считают мир-теорию пептид-РНК.

Центральным доказательством тезиса о происхождении пептид-РНК (Carter, 2016) является то, что фермент (называемый аминоацил-тРНК-синтетазой), который сегодня связывает РНК с белками - и который, следовательно, соединяет мир РНК с миром белков - существует в двух основных формах.

Эволюционное происхождение этих двух форм (ферментов класса I и класса II), однако, странно непримиримо. Молекулы I и II классов выполняют почти одинаковые функции (хотя и с разными аминокислотами), но структурно не имеют ничего общего. За исключением одного. Их аминокислоты, те, что находятся в активном каталитическом центре, могут быть получены из противоположных нитей одной и той же молекулы малой РНК (Carter 2016).

Другими словами, два белка происходят от противоположных нитей одной очень примитивной молекулы малой РНК, которая кодировала оба варианта.

Следствием этого убедительного наблюдения является тесная связь метаболизма и репликации на очень ранней стадии зарождения жизни.

РНК была сборщиком примитивных белков, а целью которых был катализ, то есть усиление метаболизма.

Таким образом, тезис о происхождении пептид-РНК заменяет теорию РНК-мира, основанную на репликации, метаболизме, который уже предшествовал ему.