Морфогены, пронизывающие развивающийся эмбрион, будь то белки или углеводородные кольца, снабжают клетки своеобразной координатной сеткой, которой те пользуются, чтобы определить, где находятся и, следовательно, что они должны делать и кем стать. Клетка, таким образом, напоминает мореплавателя, который бороздит пучины океана и с помощью секстанта и хронометра определяет долготу и широту. Но между мореходом и клеткой есть одна большая разница: в то время как ориентиры первого – звезды и планеты – всегда находятся там, где им и следует быть, в случае с клеткой дело подчас обстоит по-другому. Сиреномелия и циклопия – это примеры того, как мутация видоизменяет вселенную, по которой ориентируются клетки, или вообще приводит к ее полному краху.

И все же, несмотря на это различие (неизбежно возникающее при сравнении физического мира с его точными, как у часового механизма, движениями и биологических объектов, построенных, в полном смысле слова, на живую нитку), аналогия по-прежнему остается в силе. Ибо, невзирая на постоянство небес, мореплаватели всегда теряли свой путь в океане – быть может, из-за того, что приборы, с помощью которых они ориентировались, становились непригодны. Точно так же и рецепторы, которые помогают клетке воспринимать морфогены и определять их концентрацию, начинают ошибаться, и тогда любое количество врожденных нарушений может быть вызвано поражающими их мутациями.

Но, наверное, самый глубинный подтекст этого сопоставления связан с тем, что мореплаватели проводят сложные вычисления, чтобы установить, где они находятся. Клетки тоже калькулируют – причем делают это с большой точностью, поглощая информацию из окружающей среды, суммируя ее и получая искомый результат. Этот калькулятор – его можно назвать калькулятором судьбы – состоит из большого числа белков, объединяющих свои усилия внутри каждой клетки, чтобы прийти к верному решению. Конечно, калькулятор не безупречен: у клеток, как и у мореходов, в итоге иногда получаются неверные цифры.

Каковы последствия таких сделанных клетками ошибок, прекрасно иллюстрирует один из наиболее любопытных образцов эротического искусства, обнаруженный при раскопках Геркуланума. Это мраморная статуэтка, размером не больше коробки из-под обуви, которая изображает козлоногого бога Пана, римляне называли его Фавном, насилующего козу. Соединив в искусной композиции равные по величине фигурки животного и человекоподобного божества, неизвестный художник наделил Пана обросшими шерстью ногами, раздвоенными копытами, толстыми губами, уплощенным лицом с написанным на нем выражением полной поглощенности актом насилия. Он также снабдил бога необычной анатомической характеристикой. На шее у Пана прямо над ключицами болтаются две небольших свисающих дольки, или мочки, которые не превысили бы в длину нескольких сантиметров, если бы Пан был изображен в "натуральную" величину.

Такие хорошо заметные образования появляются в изображениях Пана только во II или III веках до н.э., или, как на этой статуе (ныне находящейся в Секретном кабинете Археологического музея Неаполя), в более поздних римских копиях с греческого оригинала. Бесчисленные козлоногие боги, скачущие по черно- или краснофигурным вазам классического периода, преследуя пастухов и хватая нимф, не обладали этой особенностью, равно как и аллегории Пана эпохи Ренессанса или барокко, как, например, на картине Сандро Боттичелли "Марс и Венера" или Аннибале Караччи "Любовь побеждает все". Мочки на шее были бы также абсолютно неподходящей деталью для прекрасных, но скучных Панов прерафаэлитов.

Происхождение шейных мочек у Пана легко объяснить: они перекликаются с парой идентичных образований, болтающихся на шее у его жертвы. Шейные мочки часто присутствуют у домашних коз: немецкие пастухи называют их Glocken – бубенчики, или сережки. Скульптор оригинальной композиции "Пан, насилующий козу" наверняка был внимательным наблюдателем природы. Наделив Пана мочками, он придал ему еще одну деталь, подчеркивающую его козлиную природу. Однако мочки на шее встречаются не только у коз, но также, хотя и достаточно редко, у людей. В 1858 году британский врач по фамилии Биркетт опубликовал короткое сообщение о семилетней девочке, которую привели к нему на прием, с парочкой торчащих по обе стороны шеи образований. Они были у нее с момента рождения. Хотя Биркетт не был уверен в их природе, он все же удалил их и, изучив под микроскопом, убедился, что это ушные раковины: у девочки была дополнительная пара наружных ушей.

Добавочные уши – это пример явления, называемого гомеозисом, при котором одна часть развивающегося зародыша аномально трансформируется в другую. Вышеописанная трансформация, которая приводит к появлению ушей на шее, имеет место примерно в пять месяцев после зачатия, когда на каждой стороне головы зародыша образуется пять хрящевых дуг, помещающихся примерно там же, где находились бы жабры, будь эмбрион рыбой. Действительно, если бы эмбрион становился рыбой, они превратились бы в жаберные дуги. У людей из них формируются разнообразные части головы, в том числе челюсти, мельчайшие косточки внутреннего уха и набор хрящей горла. Видимые, выступающие части нашего уха развиваются из расщелины между первой и второй парой дуг. Остальные щели при этом обычно зарастают, делая наши шеи гладкими, но иногда у людей и, как правило, у коз одна из ниже расположенных щелей остается открытой и формирует нечто, напоминающее ухо. Сходство это, однако, лишь поверхностное: "уши" лишены внутренней структуры, которая позволяла бы им слышать.

Гомеозис был впервые открыт как особое явление британским биологом Уильямом Бейтсоном, который в книге 1894 года "Материалы для изучения изменчивости" предложил сам термин и привел около десятка собранных им примеров подобных трансформаций. "Материалы..." чем-то напоминали средневековый бестиарий – или, как говорил сам Бейтсон, "воображаемый музей", в котором дети с добавочными ушами и телки с дополнительным числом сосков соперничали за место под солнцем с пятикрылыми бабочками, восьминогими жуками и омарами, у которых вместо глаз были антенны. В общем, странная получилась книга. И все же "Материалы..." и в наши дни не утратили своего значения и продолжают цитироваться молекулярными биологами, что можно считать редкостью для зоологических компендиумов XIX века. Это происходит потому, что выявленные Бейтсоном трансформации указывают путь к одному из самых замечательных механизмов эмбриона – генетической программе, которая позволяет клеткам, а тем самым тканям и органам, становиться отличными друг от друга. Гомеозис указывает путь к калькулятору судьбы.

Калькулятор судьбы был впервые открыт у плодовых мушек. Мухи, как и дождевые черви, разделены на повторяющиеся звенья, или сегменты. Эти сегменты особенно заметны у личинок, хотя метаморфоз иногда скрывает их границы. Многие сегменты у взрослых мух так или иначе специализированы. Головные сегменты несут на себе губные щупики (с помощью которых муха питается) и антенны (которые нужны для обоняния); грудные (торакальные) сегменты снабжены крыльями, ногами и небольшими, предназначенными для равновесия органами, которые называются жужжальца; брюшные (абдоминальные) сегменты не имеют никаких придатков. Вопрос о том, какие именно органы будут у данного сегмента, решается во время эмбрионального развития, задолго до того, как эти органы можно будет увидеть. Или, выражаясь более абстрактно, у эмбриона каждый сегмент получает свою идентичность.

За последние восемьдесят с лишним лет генетики, специализирующиеся на дрозофилах, искали и обнаружили десятки мутаций, разрушающих идентичность сегментов. Некоторые из этих мутаций заставляют мух отращивать ноги вместо антенн у себя на головах; другие вынуждают жужжальца превращаться в крылья, создавая тем самым четырехкрылое двукрылое, что противоречит главной характеристике насекомого. Но есть и такие мутации, которые заставляют крылья становиться жужжальцами – и обрекают муху на безысходно земное существование.

Эти мутации вносят разрушения в целый ряд генов, которые, в знак признания заслуг Уильяма Бейтсона, получили название гомеозисных. Их всего восемь, и они имеют такие, например, названия, как: Ultrabithorax, Antennapedia, или, попроще, – deformed (деформированный). Эти названия напоминают о странных мухах, которые появляются на свет, пораженные теми или иными мутациями. Гены – переменные в уравнении, решение которого делает каждый сегмент отличным от другого.

Калькулятор судьбы сегмента – необычайно красивая вещь. Он имеет экономную булевскую логику компьютерной программы. Каждый белок, кодируемый гомеозисным геном, присутствует в отдельных сегментах. Некоторые имеются в голове, другие – в грудной клетке, третьи – в брюшных сегментах. Идентичность сегмента – и те придатки, которые на нем вырастут, – зависит от точной комбинации гомеозисных белков, присутствующих в его клетках. Так, например, уравнение для третьего грудного сегмента, на котором в норме располагаются жужжальца, будет иметь примерно следующий вид:

Это попросту означает, что Ultrabithorax необходим для того, чтобы на третьем грудном сегменте выросли жужжальца, то есть чтобы он и стал именно третьим грудным сегментом. В случае мутации гена кодируемый им белок, даже если и будет присутствовать, не сможет выполнить своей функции. Уникальная идентичность сегмента потеряна: он становится вторым торакальным сегментом и будет снабжен крыльями.

Когда в 1980-х годах были проведены эксперименты по клонированию и секвенированию гомеозисных генов, оказалось, что они кодируют молекулярные переключатели – белки, которые включают и выключают гены. Молекулярные переключатели контролируют продукцию матричной (информационной) РНК. Большая часть генов содержит информацию для создания белков. Однако эта информация должна быть каким-то образом передана. Этой цели служит матричная РНК, молекула, похожая на ДНК, с той разницей, что это не двойная спираль, а просто длинная цепь нуклеотидов. Матричная РНК – это копия ДНК, продуцируемая с помощью механизма, который передвигается по генным последовательностям, как локомотив по рельсам. Молекулярные переключатели, или, как их правильно называют, факторы транскрипции, контролируют этот процесс. Связываясь с "регуляторами" – небольшими последовательностями ДНК, окружающими каждый ген, факторы транскрипции модифицируют работу молекулярного механизма, который отвечает за создание матричной РНК, и пытаются влиять на этот процесс. Некоторые факторы транскрипции стремятся ускорить работу механизма, другие, напротив, приостановить ее. Связанные с регуляторами, факторы транскрипции противостоят друг другу и соревнуются за контроль над двойной спиралью. Подобно любым конфронтациям, исход зависит от равновесия сил: разнообразия противостоящих друг другу групп или просто их численного соотношения.

Последовательности восьми гомеозисных генов плодовой мушки совершенно различны. И все же в каждой из них есть область – последовательность всего лишь из 180 пар оснований, которая кодирует, с небольшими вариантами, следующую цепочку аминокислот:

RRRGRQTYTRYQTLELEKEFHTNHYLTRRRRIEMAHALCLTERQIKIWFQNRRMKLKKEI.

Это гомеобокс. В изобилующей субмикроскопическими выступами и складками трехмерной структуре гомеозисного белка именно последовательность гомеобокса, гнездящегося в бороздках двойной спирали ДНК, приводит гомеозисные белки к цели – сотням, а может быть, и тысячам генов, находящихся под их контролем. Мельчайшие различия в гомеобоксе каждого белка позволяют ему контролировать определенные наборы генов.

Открытый в 1984 году гомеобокс, столь же характерный, как губа Габсбургов, означал, что гомеозисные гены все связаны друг с другом и представляют собой особое семейство. Они найдены в червях, улитках, морских звездах, рыбах и мышах. Обнаружены они и у нас. Возможно, они были у самых первых животных, которые выползли из докембрийского болота миллиарды лет назад. Но еще более интригующим оказывается следующий вопрос: если гомеобоксные гены обеспечивают работу цепей в калькуляторе частей у плодовой мушки, могут ли они выполнять ту же функцию у всех живых существ, включая человека? Молекулярные биологи – не те люди, которые склонны гиперболизировать, но когда они нашли гомеобокс, то вспомнили о Священном Граале и Розеттском камне.

И в этом они были абсолютно правы. Почему – показывает еще один из экспонатов Фролика, на этот раз скелет. С первого взгляда он кажется довольно скучным образцом человеческого скелета. Он не искривлен рахитом и не согнут ахондроплазией; в нем нет ничего необычного, разве только то, что его череп, конечности и таз давным-давно где-то потерялись. Остался лишь позвоночник с характерными изгибами и коричневатыми ребрами, крепящийся на заржавленной металлической опоре, – в целом довольно жалкое зрелище. Его даже не выставляют в экспозиционных галереях, он прописан в подвале, где соседствует на полке с другими скелетами, собранными в течение столетия, но сейчас представляющими собой комплекты костей, которые выдаются по требованию специалистов. И тем не менее именно этот скелет пользуется негромкой славой. Каждую весну его выносят на свет божий, когда демонстрируют новой группе студентов-медиков государственного университета, которым предстоит определить его аномалию. Обнаружить ее на удивление трудно, хотя, после подсказки, кажется, что это проще простого: у скелета лишняя пара ребер.

Дополнительные ребра всегда вызывал и тревожные чувства. В своей книге "Лженаука суеверий" сэр Томас Браун повествует о том, как однажды анатом Ренальдо Колумб вскрывал в Пизе женщину, у которой с одной стороны оказалось тринадцать ребер: "...тотчас образовался кружок, где стали его обвинять и даже клятвенно утверждать, что это и есть то самое ребро, каковым женщина имеет перевес".

"Будь это правдой, – продолжает Браун, – тогда, не прибегая к оракулам, умолкли бы споры, с какой стороны было взято ребро для Евы". Влияние соответствующего отрывка из Книги Бытия (II: 21-22) на популярные представления об анатомии было довольно губительным. Недавно я спросил группу из тридцати студентов-биологов (среди которых были лучшие и самые одаренные учащиеся Британии), сколько ребер у мужчин и женщин – одинаковое количество или нет. Человек пять или шесть на этот вопрос ответили "нет". "Но, – как говорит сэр Томас с присущей ему живостью ума, – это мнение не соответствует здравому смыслу или наблюдениям. Так как если мы обследуем скелеты обоих полов и состав костей в них, то без труда обнаружим, что у мужчин и женщин имеется четыре плюс двадцать ребер, то есть по двенадцать с каждой стороны". Все это так, и тем не менее дополнительные ребра на удивление часто встречаются: их имеет примерно один из каждых десяти взрослых людей (причем у женщин они встречаются не чаще и не реже, чем у мужчин).

У большинства из нас имеется тридцать три позвонка. Начиная с головы насчитывается семь шейных позвонков, затем двенадцать, к которым прикрепляются ребра, потом пять в поясничной области, еще девять сросшихся вместе для образования крестца и копчика, или хвостового отдела. У большинства людей с дополнительными ребрами этот порядок нарушен. Позвонок, в норме не имеющий ребер, трансформируется в тот, к которому они прикрепляются. Иногда это означает утрату одного шейного позвонка, иногда – одного поясничного. Так или иначе, гомеозисные трансформации очень напоминают трансформации сегментов, которые генетики изучают у плодовых мушек.

В таком случае неудивительно, что идентичность каждого позвонка контролируется гомеозисными генами, подобно тому как это происходит у дрозофилы при определении порядка сегментов. Конечно, в нашем случае дела обстоят намного сложнее. У плодовых мушек всего лишь восемь гомеозисных генов, а у млекопитающих их тридцать девять – слишком много для иносказательных латинизированных наименований, от которых пришлось отказаться. Никаких там Ultrabithorax или proboscipedia, с нас хватит префикса Hox с последующими незапоминающимися буквами и цифрами: Hoxa3, Hoxd13 и т. д. У млекопитающих, как и у плодовых мушек, гомеозисные гены начинают свою работу на очень ранних стадиях жизни зародыша. Позвонки образуются из блоков мезодермы, называемых сомитами, которые формируются по обе стороны нервного тяжа, как ряды маленьких кирпичиков. Каждый гомеозисный белок присутствует лишь в некоторых из сомитов. Все тридцать девять имеются в хвостовых сомитах, но затем они исчезают, по одному или попарно, так что в конце концов у ближних к голове сомитов их остается совсем немного. Калькулятор для расчета позвонков нельзя назвать экономным. Для 7-го шейного позвонка уравнение выглядит примерно так:

Если мутация разрушит какой-либо из генов, кодирующих эти пять белков, 7-й позвонок трансформируется в своего соседа – 8-й позвонок и приобретет парочку ребер.

Сделать позвонки отличными друг от друга – всего лишь один из примеров проблемы, которую зародышу приходится решать постоянно и которая связана с дифференциацией частей по оси голова-хвост. Эмбрион должен решать эту задачу в отношении нервной трубки, поначалу единообразной, но впоследствии с образующимся на одном конце головным мозгом. Он должен решать ее для костей головы, так чтобы верхняя челюсть формировалась рядом с нижней и к каждой из них прикреплялись бы соответствующие нервы и мышцы. Он должен решать эту проблему и для кишечной трубки, из которой сформируются желудок, печень, поджелудочная железа и кишечник, а также брюшной кровяной сосуд, впоследствии образующий четыре камеры сердца. С такими вот задачами приходится справляться генному калькулятору.

Как он работает у млекопитающих, известно из экспериментов на мышах с делециями одного или более Hox-генов. Эти мыши часто имеют глубокие нарушения. У одних передние конечности странно близко придвинуты к голове, у других отсутствуют части ромбовидного мозга или черепно-мозговые нервы. У некоторых такие грыжи, что кишечник вытесняется в грудную полость или у них не зарастает нервная трубка. У кого-то отсутствует вилочковая, щитовидная и паращитовидные железы, а сердце и лицевая часть головы несут множество аномалий. Некоторые ходят на пальчиках, а не на подошвах стоп, при этом их задние конечности подвержены непроизвольным конвульсиям. Большая часть мышей с делецией хотя бы одного Hox-гена умирает в молодом возрасте.

Полагают, что генный калькулятор подобным же образом работает и у людей. Доказательством тому, хотя и косвенным, служит единственное исследование 1997 года, в котором группа лондонских ученых изучала шесть зародышей, абортированных с помощью пилюли PY-486, "наутро после пилюли". Зародышам было по четыре недели, в длину они достигали 5 миллиметров и все были результатом нежелательной беременности. Ученые пометили их молекулярными датчиками, чтобы обнаружить время и место экспрессии гомеозисных генов. На авторадиограммах окрашенных срезов эмбрионов активность Hox-генов выявлялась в виде зернистых штрихов и белых пятен на темном фоне зарождающихся структур ромбовидного мозга и жаберных дуг. Характер активности Hox-генов был в точности таким, каким его следовало ожидать исходя из опытов на мышах.

Иметь такие результаты важно и приятно. Но это исследование никогда не было повторено. Изучение человеческих эмбрионов – большая редкость. В Соединенном Королевстве подобные изыскания можно проводить, только если преодолены все устрашающие организационные преграды. В Соединенных Штатах их выполнение и вовсе запрещено, по крайней мере для учреждений, финансируемых из федерального бюджета. Авторадиограммы, являющиеся исходным материалом для таких исследований, обладают одним свойством, вызывающим беспокойство. Возможно, это связано с тем, что качество, которое обнаруживается у эмбрионов после смерти, – генная активность, на самом деле является принадлежностью живых существ.