Загадки мироздания

Азимов Айзек

Казалось бы, задача по переходу от изучения клеток (которые можно хотя бы увидеть) к изучению совершенно невидимых молекул лежит для исследователя где-то на промежутке между «очень трудно» и «практически невозможно», но на самом деле это не так. Тут скорее можно вспомнить анекдот о враче, который велел сильно простуженному больному облиться водой и посидеть на сквозняке. «Что вы говорите, доктор?! — возмутился больной. — Тогда моя простуда превратится в воспаление легких!» — «Совершенно верно, — без тени смущения ответил врач. — А воспаление легких мы лечить уже умеем!»

В течение 1950-х годов биохимики получали все больше и больше доказательств тому, что в процессе производства белка важное участие принимает сложный элемент

рибонуклеиновая кислота (обычно обозначаемая аббревиатурой РНК). Эти доказательства очень хорошо сочетались с уже имевшимися на тот момент сведениями о том, что в клетках, производящих необычно большое количество белков, содержится и необычно высокая концентрация РНК. Это относится как к растущим и делящимся клеткам, так и к клеткам, вырабатывающим богатые белковым содержанием выделения.

Однако, как ни странно, оказалось, что самая высокая концентрация РНК обнаруживается в клетках мозга, которые не растут, не размножаются и ничего не вырабатывают. Для чего же в них столько РНК?

Решением этой загадки вплотную занялся шведский невролог Холгер Хиден в университете Гётеборга. Он разработал технологию, позволяющую отсоединять от ткани мозга отдельные клетки для последующего анализа их на содержание РНК. Объектом исследования ученый выбрал крыс. Он создавал условия, в которых крысам приходилось овладевать новыми навыками, например долго удерживать равновесие на натянутой проволоке. И к 1959 году Хидену удалось установить, что в клетках мозга крыс, которым приходилось учиться, содержание РНК оказывалось в среднем на 12 процентов выше, чем в клетках мозга тех крыс, которые жили вольготно и спокойно.

Получается, что РНК необходима для обучения, а следовательно, и для запоминания (без которого обучение невозможно себе представить). Но мыслимо ли это? Можно представить себе, что комбинаций из сотен миллиардов клеток, содержащих замкнутое кольцо нервного тока, достаточно для хранения всех воспоминаний жизни, но неужели для всех этих же воспоминаний может хватить различных вариантов молекул одного и того же вещества?

Давайте посмотрим. Молекула РНК представляет собой длинную цепочку, состоящую из четырех родственных, но четко различающихся между собой элементов. Каждое звено цепочки — это один из этих четырех элементов, обозначим их как А, В, С и D. Соответственно, для цепочки, состоящей всего из двух звеньев, возможно представить 4x4, то есть 16 вариантов: АА, АВ, AC, AD, ВА, ВВ, ВС, BD, СА, СВ, СС, CD, DA, DB, DC и DD. Соответственно, для цепочки из трех звеньев таких вариантов может быть уже 4 х 4 х 4, то есть 64, и т. д.

По мере удлинения цепочки количество возможных комбинаций ее структурных единиц возрастает с катастрофической скоростью. Молекула РНК, состоящая всего из 25 элементов, может принять любой из квадриллиона возможных вариантов; таким образом, если считать, что каждое ощущение, когда-либо испытанное человеком в жизни, записывается в виде отдельной молекулы РНК, то длины молекулы в 25 элементов окажется вполне достаточно.

На самом же деле молекулы РНК состоят из сотен элементов, а не из двух с половиной десятков. Поэтому нет никаких сомнений в том, что молекула РНК — инструмент, вполне пригодный для записи как любых учебных сведений и прочих воспоминаний, накапливаемых человеком за всю жизнь, так и в миллион раз большего объема информации.

Итак, предположим, что действительно имеется картина такой вот «РНК-памяти». Все клетки организма быстро и с легкостью умеют вырабатывать РНК, но, как правило, подавляющее большинство клеток способны создавать лишь небольшое количество вариантов этого вещества, для своих узкоспецифических задач. Остается предположить, что в клетках мозга, напротив, может вырабатываться бесчисленное множество вариантов РНК, так что каждое новое ощущение вызывает образование новой РНК, несколько отличающейся от всех предыдущих, и в будущем обращение к этой молекуле позволит возродить и породившее ее ощущение.

И действительно, в ходе своих опытов Хиден установил, что в мозгу крыс, подвергавшихся принудительному обучению, не только увеличивалась концентрация РНК, но и сами молекулы видоизменялись. Менялось соотношение четырех структурных элементов РНК между собой, появлялись новые их комбинации, отличающиеся от обычных.

Каким же образом клетка мозга реагирует на ощущение путем образования молекулы РНК? Формируется ли вариант молекулы случайным образом, а затем «приписывается» определенному ощущению? Если да, то может ли получиться так, что один и тот же вариант молекулы будет образован несколько раз в течение жизни человека и каждый раз будет «назначен» новому воспоминанию, не смешаются ли воспоминания между собой в таком случае? Скорее всего, такого происходить в любом случае не должно хотя бы потому, что количество потенциально возможных вариантов настолько велико, что вероятность повторного выпадения одной и той же комбинации стремится к нулю.

Однако вполне возможно, что для каждого определенного ощущения имеется свойственная только ему комбинация РНК, то есть одно и то же ощущение «записывается» одной и той же РНК у всех живых существ.

В пользу последнего предположения свидетельствуют результаты работ Джеймса В. Макконнела из Мичиганского университета. Объектом его экспериментов являлись планарии — плоские черви около четырех сантиметров длиной. Ученый заставлял их пережить сначала световую вспышку, а сразу вслед за ней — электрический удар. От электрошока тела червей сокращались, а вскоре стали сокращаться и от одной лишь вспышки, даже тогда, когда электрического удара за ней не следовало. У червей образовался условный рефлекс, то есть они «научились» ждать электрический удар после световой вспышки, предположительно, путем образования соответствующих единиц памяти в виде молекул РНК.

Этих «обученных» планарий разрубили на мелкие кусочки и скормили другим, «необученным». Затем «необученных» червей стали проводить через тот же процесс «обучения», и оказалось, что они начинают реагировать на световую вспышку гораздо быстрее, чем черви из контрольной группы. Можно предположить, что они получили необходимые РНК с пищей, таким образом «съев чужую память».

Значит, определенная РНК все же каким-то образом связана с определенным ощущением. Вариант молекулы выбирается неслучайным образом, поскольку РНК, образованная в ответ на конкретный стимул у одних планарий, «сработала» и оказавшись в организме у других.

Работавший вместе с Макконнелом Аллан Л. Джейкобсон впоследствии продолжил эти эксперименты уже в Калифорнийском университете. Вместо грубой передачи молекул через поедание одним червем другого целиком (в этом случае остается возможность того, что рефлекс был закодирован какой-то другой молекулой), он напрямую выделил и пересадил именно РНК от обученных червей необученным. Так тоже «сработало», и ученые полностью убедились, что информация о воспоминании передается именно через РНК.

Но не будем ограничиваться одними лишь планариями. А то некоторые скептически настроенные исследователи особо подчеркивают тот факт, что реакция планарий на раздражитель так слаба, что трудно понять, где тут обученные черви, где необученные, и можно ли назвать хоть одного червя действительно обученным вообще. Джейкобсон взялся за обучение и более высокоорганизованных животных — крыс и хомяков, приучив их двигаться к кормушке по звуковому или световому сигналу. После того как у подопытных животных образовывался условный рефлекс, их забивали, а содержащуюся в их мозге РНК вводили животным, не проходившим обучения. И снова получившие такую инъекцию животные проходили аналогичное обучение гораздо быстрее, поскольку в их организме уже присутствовала часть той РНК, которую требовалось образовывать. Интересно отметить, что действенным оказался и межвидовой «перенос памяти», от хомяка к крысе например.