Глава 5
Власть и архивы

За окном идет дождь из ДНК. На берегу Оксфордского канала, там, где заканчивается мой сад, растет большая ива, которая фонтанирует пушистыми семенами. Ветра нет, и семена разлетаются во все стороны. И вверх и вниз по течению, насколько хватает моего бинокля, вода кажется белой от упавших на нее пушинок, и можно не сомневаться, что вся земля на том же радиусе тоже покрыта ими. Эти ватные хлопья состоят главным образом из целлюлозы, на фоне которой крохотная капсула, содержащая ДНК, кажется совсем ничтожной. ДНК составляет малую долю от всего семени, так почему же я сказал, что идет дождь из ДНК, а не из целлюлозы? Потому что ДНК — это то, что действительно важно. Пух, хоть его и больше, — не более чем одноразовый парашют. Все действо — вата, сережки, дерево и прочее — происходит для одной цели и ни для какой другой: для распространения ДНК по окрестностям. И не любой ДНК, а только той, чьи закодированные символы содержат инструкции по изготовлению ивовых деревьев, которые будут разбрасывать новое поколение пушистых семян. Пушинки — это в буквальном смысле разлетающиеся в разные стороны инструкции по изготовлению самих себя. Они здесь потому, что их предки преуспели в том же самом. За окном идет дождь из инструкций, дождь из программ, из алгоритмов роста деревьев и распространения пуха. И это не метафора, а правда как она есть. Такая же правда, как если бы за окном шел дождь из дискет.

Так-то оно так, однако в течение долгого времени этого не понимали. Еще совсем недавно, спроси вы почти любого биолога, чем живые существа отличаются от неживых, он рассказал бы вам об особом веществе, называемом протоплазмой. Протоплазма не была похожа на все остальные вещества, она была живой, вибрирующей, пульсирующей и “раздражимой” (что на языке школьных учительниц означает “чувствительной”). Если вы возьмете живой организм и будете разрезать его на все более и более мелкие кусочки, то в конце концов доберетесь до частиц чистой протоплазмы. Некогда, в прошлом веке, реальный прототип профессора Челленджера из романов Артура Конана Дойла полагал, что “иловая глобигерина” с морского дна — это протоплазма в чистом виде. Когда я был школьником, пожилые авторы учебников все еще писали о протоплазме, хотя к тому времени они должны были бы уже понимать, что к чему. Теперь это слово нигде не увидишь и не услышишь. Оно почило в бозе вместе с флогистоном и всемирным эфиром. В веществах, из которых состоят живые организмы, нет ничего особенного. Живые существа, как и все остальное, представляют собой сочетания молекул.

Особенное только то, что сочетания эти гораздо более сложно организованы, чем в случае неживых предметов, и сборка этой сложной организации производится путем следования программам — целому своду правил развития, который организмы носят внутри самих себя. Они могут вибрировать и пульсировать “от раздражения”, могут излучать “животное” тепло, но это все побочные эффекты. В основе любого живого существа лежит не пламя, не теплое дыхание и не “искра жизни”, а информация, текст, предписания. Если вам нужна метафора, забудьте о пламени, дыхании и искрах. Представьте себе лучше миллиард отдельных цифровых знаков, высеченных на кристалле. Если вы хотите понять жизнь, не думайте про вибрирующий и пульсирующий гель и ил, а вспомните об информационных технологиях. Именно к этому я клонил в предыдущей главе, когда сравнивал муравьиную царицу с центральной базой данных.

Основным требованием к развитой информационной технологии является наличие некоего носителя информации с большим количеством ячеек памяти. Свойством каждой такой ячейки долж на быть способность всегда находиться в одном из строго определенного числа состояний. Во всяком случае, это справедливо для той цифровой информационной технологии, которая господствует в нашем рукотворном мире. Существует и альтернативный вид информационных технологий, основанный на аналоговой информации. Информация, записанная на обычной грампластинке, аналоговая. Она хранится в виде волнообразной бороздки. А информация на современных лазерных дисках (которые часто называют компакт-дисками, что досадно, так как это наименование неинформативно, да еще к тому же произносится обычно с неграмотным ударением на первый слог) цифровая, и хранится она в виде ряда микроскопических углублений, каждое из которых либо определенно наличествует на месте, либо определенно там отсутствует, и среднего не дано. Это отличительный признак цифровой системы: определяющие ее компоненты всегда четко находятся либо в одном состоянии, либо в другом — без полумер, промежутков и компромиссов.

Информационная технология генов — цифровая. Этот факт открыл в прошлом веке Грегор Мендель, хотя вряд ли он сформулировал бы его таким образом. Мендель доказал, что наследственность наших родителей не смешивается в нас. Наследственную информацию мы получаем в виде дискретных частиц. Когда речь идет о любой определенной частице, то мы либо унаследовали ее, либо нет. На самом деле, как заметил Р. Э. Фишер, один из отцов-основателей того, что теперь называется неодарвинизмом, факт дискретного наследования всегда лежал прямо у нас перед носом, достаточно было только вспомнить о наследовании пола. Мы получаем признаки от двух родителей мужского и женского пола, однако каждый из нас либо мужчина, либо женщина, а не гермафродит. Каждый новорож денный имеет примерно равные шансы оказаться мальчиком или девочкой, но любой конкретно взятый ребенок наследует только один из этих признаков, а не их сочетание. Теперь мы знаем, что это справедливо и для всех наследуемых частиц. Они не соединяются друг с другом, а только перетасовываются при каждом переходе из одного поколения в следующее, оставаясь при этом обособленными и независимыми. Разумеется, воздействия, оказываемые этими элементарными генетическими единицами на организмы, могут убедительно создавать видимость смешивания. Если один из родителей высокого роста, а другой низкого или если у одного из них кожа темная, а у другого светлая, то дети нередко наследуют промежуточный вариант данного признака. Однако эта видимость смешивания относится только к воздействию на организмы и возникает благодаря суммированию мелких эффектов большого количества частиц. Когда же дело доходит до передачи следующему поколению самих частиц, то они оказываются все такими же независимыми и дискретными.

Это различие между смешанной и дискретной наследственностью сыграло важную роль в истории нашего понимания эволюции. Во времена Дарвина все (за исключением Менделя, который сидел запершись в своем монастыре и, к сожалению, остался незамеченным до самой своей смерти) считали наследование смешанным. Шотландский инженер по имени Флеминг Дженкин обратил внимание на то, что факт смешанного наследования (считавшийся истинным) чуть ли не отменяет всю теорию эволюции путем естественного отбора. Эрнст Майр довольно невежливо заметил, что статья Дженкина “основывается на всех тех предрассудках и заблуждениях, что свойственны физикам”. Как бы то ни было, доводы Дженкина причинили Дарвину немало беспокойства. Наиболее красочным их воплощением была аллегория про белого человека, потерпевшего кораблекрушение на острове, населенном “неграми”:

Пусть вас не отвлекают расистские допущения о превосходстве белых. Во времена Дарвина и Дженкина они так же не подвергались сомнению, как сегодня не оспаривается наш видовой шовинизм, провозглашающий права человека, человеческое достоинство и священность человеческой жизни. Аргументацию Дженкина можно перефразировать с помощью более нейтральной аналогии. Если вы смешаете белую краску с черной, получится серая краска. Если вы смешаете две серые краски, то вам не удастся воссоздать ни исходную белую, ни исходную черную краску. Такое смешивание красок не слишком отличается от доменделевских представлений о наследственности, и даже в современной массовой культуре наследственность нередко описывается как смешение “кровей”. Дженкин в своих рассуждениях фактически ведет речь о заглушении. Если наследственность смешанная, то с течением поколений изменчивость неизбежно будет заглушаться. Господствовать будет все бóльшее и бóльшее единообразие. В конце концов не останется никакой изменчивости, на которую естественный отбор мог бы воздействовать.

Как бы убедительно ни звучали такие доводы, направлены они не только против теории естественного отбора. Еще в большей степени они противоречат неопровержимым фактам, касающимся наследственности как таковой. То, что разнообразие из поколения в поколение уменьшается, явно не соответствует истине. В наши дни люди не более похожи друг на друга, чем во времена наших дедушек и бабушек. Разнообразие поддерживается. Существует некий пул изменчивости, с которой естественный отбор может работать. Это было математически доказано в 1908 г. В. Вайнбергом и независимо от него — эксцентричным математиком Г. Х. Харди, который однажды, к слову, как свидетельствует книга для записей пари его (и моего) колледжа, принял от своего приятеля такое пари: “Бьюсь об заклад, что завтра взойдет солнце; если нет, то обязуюсь выплачивать ему полпенни пожизненно”. Но дать исчерпывающий ответ Флемингу Дженкину в понятиях корпускулярной генетики смогли только основатели современной генетики популяций: Р. Э. Фишер и его коллеги. В этом была своя ирония, поскольку, как мы увидим в главе 11, ведущие последователи Менделя на заре XX века считали себя антидарвинистами. Фишер и его единомышленники доказали, что дарвиновский отбор возможен, а проблема, поставленная Дженкином, как выяснилось, изящно решается, если эволюционным изменением считать изменение относительной частоты встречаемости отдельных наследственных частиц или генов, каждый из которых либо присутствует в данном конкретном организме, либо нет. Дарвинизм после Фишера получил название неодарвинизма. Его цифровая природа — это не просто оказавшийся верным любопытный факт насчет генетических информационных технологий. По всей вероятности, она — необходимое предварительное условие, без которого дарвинизм вообще невозможен.

Дискретные цифровые ячейки в нашей электронной технике могут находиться только в двух состояниях, которые принято обозначать как 1 и 0, но с таким же успехом вы можете представлять их себе как “высоко и низко”, “включено и выключено”, “туда и обратно” — важно только, чтобы их можно было четко отличить друг от друга и чтобы паттерн их состояний мог быть “считан” и преобразован во что-нибудь. Для хранения этих “единиц” и “нулей” электронные технологии используют различные физические носители, в том числе магнитные диски, магнитную ленту, перфокарты и перфоленту, а также интегральные “схемы”, состоящие из множества крошечных транзисторов.

Основной носитель информации в семенах ивы, муравьях и вообще во всех живых клетках имеет не электронную, а химическую природу. В данном случае используется способность некоторых типов молекул к “полимеризации”, то есть к объединению в протяженные цепи какой угодно длины. Полимеры бывают самыми разными. Например, полиэтилен — полимеризованный этилен — состоит из небольших молекул вещества, называемого этиленом, собранных в длинные цепочки. А крахмал и целлюлоза — это полимеризованные сахара. Некоторые из полимерных цепей неоднородны: они образованы не одинаковыми небольшими молекулами вроде этилена, а двумя или более разновидностями таких молекул. Едва в полимерной цепи возникает подобная гетерогенность, как сразу же становится теоретически возможно и возникновение информационных технологий. Если цепь состоит из двух видов молекул, то ничто не мешает обозначить их как 1 и 0 и — при условии что цепь достаточно протяженна — хранить на ней любое количество информации любого сорта. Те полимеры, которые используются для этой цели в живых клетках, называются полинуклеотидами. Две основные разновидности полинуклеотидов сокращенно называются ДНК и РНК. Обе представляют собой цепочки из небольших молекул, называемых нуклеотидами. Как у ДНК, так и у РНК цепи гетерогенные, состоящие из нуклеотидов четырех разных типов. Тут-то, разумеется, и открывается возможность для хранения информации. Информационная технология живой клетки использует не два различных состояния, 1 и 0, а целых четыре, которые мы можем условно обозначить как А, Т, Ц и Г. Принципиальная разница между нашей двоичной информатикой и технологией живых клеток, использующей четырехзначный код, совсем невелика.

В конце главы 1 я уже упоминал, что информационной емкости одной человеческой клетки достаточно для того, чтобы вместить Британскую энциклопедию, все 30 томов, три или четыре раза с лишним. Соответствующая цифра для семян ивы или для муравьев мне неизвестна, но она будет не менее ошеломляющей. В ДНК одного спермия лилии или сперматозоида саламандры хватит емкости, чтобы разместить 60 копий Британской энциклопедии. Количество информации в ДНК некоторых амеб, несправедливо называемых “простейшими”, соответствует 1000 Британских энциклопедий.

Как ни удивительно, но на самом деле в клетке — человеческой, скажем, — используется, по-видимому, не более 1 % генетической информации, что примерно соответствует одному тому Британской энциклопедии. Зачем нужны остальные 99 %, никому не известно. В одной из своих предыдущих книг я высказал предположение, что эта ДНК может быть паразитической, находящейся на иждивении у работающего 1 %, — данная мысль позже была подхвачена молекулярными биологами под именем теории “эгоистичной ДНК”. У бактериальной клетки информационная емкость примерно в 1000 раз меньше, чем у человеческой, и используется практически полностью — для паразитов места маловато. Она способна вместить “всего-навсего” одну копию Нового Завета!

Современные генные инженеры уже владеют такими методами, которые позволяют вписать в ДНК бактерии Новый Завет и вообще все что угодно. В любых информационных технологиях “значение” символов является произвольным, и ничто не мешает нам установить соответствие между, скажем, тройками знаков четырехбуквенного алфавита ДНК и 26 буквами нашего алфавита (этого хватило бы для обозначения всех заглавных и строчных букв и еще для 12 знаков препинания). К сожалению, на то, чтобы записать Новый Завет в бактерию, понадобится где-то пять человеко-веков, так что я сомневаюсь, что кому-нибудь захочется с этим возиться. Если бы это было сделано, то, учитывая скорость размножения бактерий, можно было бы печатать Новый Завет тиражом 10 млн в день. Умей люди разбирать алфавит ДНК, это была бы мечта миссионера, но — увы! — буквы у такого издания были бы столь маленькими, что все 10 млн копий смогли бы одновременно танцевать на булавочной головке.

Память ЭВМ условно принято подразделять на ПЗУ и ОЗУ. ПЗУ означает “постоянное запоминающее устройство” — то, что называется “только для чтения”. Но точнее было бы сказать “память для однократной записи и многократного чтения”. Расположение нулей и единиц “нарезается” при ее производстве раз и навсегда. Оно останется неизменным на все время существования запоминающего устройства, и информация, записанная таким образом, может быть считана сколько угодно раз. Другая разновидность электронной памяти, называемая ОЗУ, может не только считываться, но и “писаться” (к не слишком изящному компьютерному сленгу привыкаешь довольно быстро). Таким образом, ОЗУ может все, что может ПЗУ, и даже больше. Аббревиатура ОЗУ расшифровывается как оперативное запоминающее устройство. Главным свойством ОЗУ является то, что в любую его часть вы можете помещать любой паттерн из единиц и нулей так часто, как только захотите. Почти вся память компьютера представляет собой ОЗУ. Когда я печатаю эти слова, они сразу же направляются в ОЗУ. Программа подготовки текстов, контролирующая этот процесс, также находится в ОЗУ, хотя теоретически она могла бы быть записана на ПЗУ и более никогда не меняться. ПЗУ используется для ограниченного набора тех стандартных программ, которыми вы пользуетесь постоянно, и в них вы не сможете ничего изменить, даже если захотите.

ДНК — это ПЗУ. Информация с нее может считываться миллионы раз, но записывается лишь однажды — в момент зарождения той клетки, в которой эта ДНК находится. В клетках любого индивидуума ДНК “зашита при производстве” и на протяжении всей его жизни не меняется, если не считать случайных повреждений, происходящих крайне редко. При этом с нее могут сниматься копии. При каждом клеточном делении ДНК удваивается. Порядок нуклеотидов А, Т, Ц и Г добросовестно воспроизводится в каждой новой клетке из тех триллионов, что образуются в ходе развития ребенка. Когда происходит зачатие нового индивидуума, в его ПЗУ — то есть ДНК — “отжигается” новый и уникальный набор данных, который останется с ним на всю жизнь и будет скопирован во все клетки его организма (за исключением половых клеток, в каждую из которых, как мы увидим, попадет только половина его ДНК, выбранная наугад).

Любая машинная память, как ПЗУ, так и ОЗУ, является адресной. Другими словами, каждая ячейка этой памяти имеет свое обозначение — как правило, номер, но это не более чем общепринятая условность. Очень важно понимать различие между адресом ячейки памяти и ее содержимым. Каждую ячейку можно идентифицировать по ее адресу. Например, первые две буквы этой главы, “За”, занимают в настоящий момент в ОЗУ моего компьютера ячейки 6446 и 6447, а всего там таких ячеек 65 536. В другой раз содержимое этих двух ячеек может оказаться иным. Содержимое ячейки — это та информация, которая была записана туда последней. У ячеек ПЗУ тоже есть и адрес, и содержимое. Отличие в том, что здесь любое содержимое привязано к своему адресу раз и навсегда.

ДНК организована в нитчатые структуры, называемые хромосомами. Они напоминают длинную компьютерную ленту с записанными данными. Вся информация, содержащаяся в ДНК, имеет свой адрес в том же самом смысле, что и данные, записанные на ПЗУ, да и на ленту тоже. Конкретные номера или наименования, которыми обозначается тот или иной адрес, произвольны — точно так же, как и в случае с компьютерной памятью. Принципиально то, что любое определенное местоположение на моей ДНК строго соответствует определенному местоположению на вашей ДНК: у них один и тот же адрес. Содержимое “ячейки” 321762 в моей ДНК может быть то же самое, что и у вашей “ячейки” 321762, а может и отличаться. Но моя “ячейка” 321762 занимает в моих клетках абсолютно то же самое местоположение, что и ваша “ячейка” 321762 в ваших клетках. Под “местоположением” в данном случае имеется в виду местоположение на конкретной хромосоме. Точное физическое положение самой хромосомы в клетке значения не имеет и может меняться, так как хромосома плавает в жидкости. Однако порядок расположения “ячеек памяти” вдоль хромосомы четко определен, и каждая “ячейка” имеет свой точный адрес, так же как и каждая единица информации на магнитной ленте не меняет своего местоположения от того, разбросана эта лента по полу или аккуратно намотана на катушку. Все мы, люди, обладаем одинаковым набором адресов ДНК, но содержимое этих адресов может быть разным. Вот основная причина того, почему мы все не похожи друг на друга.

У организмов других видов набор адресов не такой. Например, у шимпанзе 48 хромосом, а не 46, как у нас. “Адреса ячеек” по разные стороны межвидового барьера не соответствуют друг другу, и потому сравнивать их содержимое адрес за адресом, строго говоря, невозможно. Тем не менее у таких близкородственных видов, как шимпанзе и человек, имеются настолько большие общие куски ДНК с одинаковой последовательностью содержимого, что нам, бесспорно, позволительно считать эти куски по сути идентичными друг другу, хотя применить к обоим видам абсолютно одну и ту же систему адресации мы и не можем. Определяющей особенностью вида является то, что ДНК всех его представителей имеет одну и ту же систему адресации. Сделав поправку на редкие и несущественные исключения, можно сказать, что все представители вида обладают одинаковым количеством хромосом и что любое конкретное местоположение на какой-либо хромосоме будет у всех представителей одного вида обозначаться одним и тем же номером. В пределах вида может различаться только содержимое адресов, но не сами адреса.

Теперь поговорим о том, как возникают различия в содержимом, — и тут я должен подчеркнуть, что речь идет исключительно о тех организмах, которые, вроде нас с вами, размножаются половым путем. Наши сперматозоиды и яйцеклетки содержат по 23 хромосомы. Каждая “ячейка памяти” любого из моих сперматозоидов соответствует определенному “адресу” в любом другом моем сперматозоиде, так же как и в любой из ваших яйцеклеток (или сперматозоидов). Все остальные мои клетки содержат вдвое больше хромосом — 46. В таких клетках каждый из адресов используется дважды. Любая из них содержит две хромосомы № 9 и две ячейки с адресом 7230 хромосомы № 9. Содержимое этих двух адресных ячеек может совпадать или не совпадать друг с другом, как оно может совпадать или не совпадать с содержимым тех же ячеек у других представителей нашего вида. Когда из обычной клетки, имеющей 46 хромосом, образуется сперматозоид, у которого 23 хромосомы, в него попадает только одна из каждой пары адресных ячеек. Какая именно — дело случая. То же самое происходит и при производстве яйцеклеток. В результате получается, что любой новый сперматозоид и любая новая яйцеклетка уникальны в том, что касается содержимого их адресных ячеек, хотя сама система адресации будет у всех представителей данного вида одинаковой (исключения не принципиальны и не стоят того, чтобы мы сейчас на них отвлекались). Когда происходит оплодотворение яйцеклетки сперматозоидом, комплект из 46 хромосом, естественно, восстанавливается, и его копия попадает в каждую клетку развивающегося зародыша.

Я уже говорил, что записать информацию на ПЗУ можно только однократно, при его изготовлении. Справедливо это и для ДНК в клетках, если не считать случайных ошибок, время от времени происходящих при копировании. Однако совокупная база данных, состоящая из ПЗУ всего вида, может быть в некотором смысле конструктивно переписана. Из поколения в поколение выживание и репродуктивный успех особей данного вида, будучи неслучайными, эффективно “вносят усовершенствования” в те инструкции по выживанию, которые хранит генетическая память вида. Эволюционное изменение вида в значительной степени заключается в том, что с течением поколений меняется общее число копий каждого возможного варианта содержимого для каждой адресной ячейки ДНК. Разумеется, в любой конкретный момент времени каждая копия находится внутри своего организма и никуда оттуда не девается. Однако для эволюции важно другое: чтобы изменялась частота встречаемости альтернативных вариантов содержимого в каждой адресной ячейке в популяции. Система адресации остается прежней, однако общая статистическая картина содержания ячеек из века в век меняется.

Крайне редко может меняться и сама система адресации. У шимпанзе 24 пары хромосом, а у нас 23. У нас с шимпанзе был общий предок, а значит, либо у нас, либо у них в роду однажды произошло изменение числа хромосом. Либо мы утратили одну хромосому (две объединились), либо шимпанзе приобрели (одна разделилась надвое). Должна была быть по крайней мере одна особь, чей хромосомный набор был не таким, как у ее родителей. Бывают у генетических систем и другие случайные преобразования. Порой длинные кодирующие последовательности оказываются целиком скопированными на совершенно разные хромосомы. Мы знаем об этом, потому что идентичные друг другу протяженные последовательности ДНК-текста иногда обнаруживаются разбросанными по хромосомам то там то сям.

При считывании информации с какого-то определенного участка компьютерной памяти возможны два варианта происходящего. Информация эта может быть или просто куда-то переписана, или же вовлечена в какую-то “операцию”. Быть куда-то переписанной — это означает быть скопированной. Мы уже видели, что ДНК без труда копируется, чтобы передаться в новые клетки, и что большие куски ДНК копируются при передаче их от одного индивидуума к другому — к его ребенку. С “операциями” дело обстоит мудренее. В случае компьютеров операцией может быть выполнение указаний, записанных в программах. Например, ячейки с адресными номерами 64489, 64490 и 64491 в ПЗУ моего компьютера заняты таким содержимым — последовательностью единиц и нулей, — которое, будучи преобразовано в инструкции, побуждает громкоговоритель компьютера издать отрывистый звук. Вот эта кодовая комбинация: 10101101 00110000 11000000. Сама по себе она не содержит ничего отрывистого и ничего звукового. В ней нет ничего, из чего мы могли бы заключить, что она должна оказывать какое-то действие на громкоговоритель. Для того чтобы она оказывала свое действие, весь компьютер должен быть устроен соответствующим образом. Точно так же и расположение символов четырехбуквенного кода ДНК влияет, скажем, на цвет глаз или на поведение, но эти влияния не являются неотъемлемым свойством самих последовательностей ДНК. Чтобы нуклеотидные последовательности оказывали свое действие, весь организм должен развиваться соответствующим образом, а это, в свою очередь, определяется другими участками ДНК. Взаимодействия между генами будут основной темой главы 7.

Прежде чем принять участие в какой-либо операции, код ДНК должен быть “переброшен” на другой носитель. Вначале символы ДНК переписываются алфавитом РНК, тоже четырехбуквенным, а затем переводятся в полимер совершенного иного типа, называемый полипептидом или белком. Еще его можно было бы назвать полиаминокислотой, так как основными единицами, из которых он состоит, являются аминокислоты. В живых клетках 20 разновидностей аминокислот. Все белки биологического происхождения составлены из этих 20 типов “строительных блоков”. Хотя белковая молекула и представляет собой цепочку из аминокислот, обычно она не остается тонкой и вытянутой, а сворачивается в запутанный клубок, точная форма которого определяется аминокислотной последовательностью. Следовательно, для любой конкретной последовательности аминокислот характерна строго определенная форма клубка. Ну а последовательность аминокислот, в свою очередь, однозначно определяется (через посредничество РНК) порядком символов в цепочке ДНК. Получается, что в каком-то смысле трехмерная структура белка закодирована в одномерной последовательности “букв” ДНК.

Процесс перевода, или трансляции, происходит с использованием знаменитого трехзначного “генетического кода”. Это не что иное, как словарь, в котором каждый из 64 (4 × 4 × 4) возможных триплетов нуклеотидов ДНК (или РНК) соответствует либо какой-то одной из 20 аминокислот, либо “сигналу остановки чтения”. Таких “стоп-сигналов”, или “знаков препинания”, в генетическом коде три. Многие аминокислоты кодируются более чем одним триплетом (что вряд ли нас удивит, ведь триплетов 64, а аминокислот всего 20). Весь процесс трансляции точной линейной последовательности “ПЗУ” ДНК в строго одну и ту же трехмерную организацию цепочки белка представляет собой поразительное достижение цифровых информационных технологий. На последующих этапах влияния генов на организмы аналогия с компьютерами будет чуть менее очевидной.

Любую живую клетку, даже одиночную бактерию, можно представить себе как гигантский химический завод. Ход событий на этом предприятии определяют последовательности ДНК, или гены, которые оказывают свое действие, влияя на трехмерную структуру белковых молекул. Слово “гигантский” по отношению к клетке может показаться неожиданным, особенно если вспомнить, что 10 млн бактериальных клеток спокойно помещаются на булавочной головке. Но не будем забывать, что каждая из этих клеток способна вместить полный текст Нового Завета, а уж если судить по тому, сколько в ней содержится разных замысловатых станков, то ее действительно можно назвать гигантской. Каждый станок — это крупная молекула белка, и его сборка производится под влиянием особой последовательности ДНК. Молекулы белков, называемых ферментами, являются станками в том смысле, что каждая из них обеспечивает протекание определенной химической реакции. Каждая разновидность таких белковых машин “выпускает” свой собственный, особый тип химической продукции. Сырье для этого производства плавает внутри клетки и, скорее всего, изготовлено другими белковыми машинами. Чтобы вы получили представление о размере этих станков, скажу, что каждый из них состоит примерно из 6000 атомов — очень много по молекулярным меркам. Всего в клетке около 1 млн таких внушительных аппаратов и около 2 тыс. их разновидностей, каждая из которых служит для выполнения какой-то одной определенной операции на этом предприятии. Именно специфическими продуктами деятельности ферментов определяются индивидуальные особенности строения и функционирования каждой клетки.

Все клетки организма содержат одни и те же гены, и потому может показаться странным, что сами эти клетки не похожи друг на друга. Дело тут в том, что в клетках каждого типа считывается свой, специфический набор генов, а все остальные гены бездействуют. Так, в клетках печени не используются те участки “компьютерной памяти” ДНК, которые требуются исключительно для формирования почки, и наоборот. Форма клетки и режим ее работы определяются тем, какие из находящихся в ней генов считываются, а затем транслируются в белки. А это зависит от того, какие химические вещества уже имеются в данной клетке, что, в свою очередь, частично зависит от того, какие гены считывались в ней и в соседних с ней клетках ранее. Когда клетка делится, две дочерние клетки не обязательно будут абсолютно одинаковыми. Например, в оплодотворенной яйцеклетке, которая дает начало организму, одни химические вещества скапливаются у одного полюса, а другие — у другого. Когда такая поляризованная клетка делится, ее химическое содержимое распределяется между двумя дочерними клетками неравномерно. А значит, в двух этих клетках будут считываться различные гены, что положит начало самопроизвольно усиливающейся дивергенции. Окончательная форма организма в целом, размер его конечностей, электрические схемы в его мозге, слаженность его движений — все это косвенные последствия взаимодействий между разными типами клеток, которые являются разными оттого, что в них считываются разные гены. Эти процессы расхождения, сопутствующие развитию организма, лучше представлять себе происходящими автономно в каждой точке, наподобие описанного в главе 3 “рекурсивного алгоритма”, а не согласованными в рамках какого-то централизован ного замысла.

“Операция” в том смысле, какой подразумевается в данной главе, — это то, что имеет в виду генетик, когда говорит о “фенотипическом эффекте” гена. Фенотипическими эффектами называются воздействия, оказываемые ДНК на организм: на цвет глаз, курчавость волос, склонность к агрессии и тысячи других признаков. Первые этапы своего воздействия ДНК осуществляет в местном масштабе: считываясь в виде РНК и транслируясь в белковые цепочки, которые затем влияют на строение клетки и на режим ее работы. Это один из двух способов, которыми может передаваться информация, заключенная в последовательности ДНК. Другой способ — продублировать ее в новой нити ДНК. Это то самое копирование, о котором уже говорилось выше.

Между этими двумя способами — вертикальной и горизонтальной передачей заложенной в ДНК информации — имеется основополагающее различие. Вертикально информация переносится в ДНК тех клеток (из которых образуются другие клетки), из которых в конечном итоге образуются сперматозоиды и яйцеклетки. Так она передается новому поколению, а затем, снова по вертикали, неопределенному числу последующих поколений. Эту ДНК я буду называть “архивной”. Она потенциально бессмертна. Непрерывный ряд клеток, по которому путешествует архивная ДНК, называется зародышевым путем или зародышевой линией. Зародышевая линия — это группка тех клеток организма, которые являются предками сперматозоидов или яйцеклеток, а значит, и предками последующих поколений. Кроме того, ДНК передается в стороны, или горизонтально, — в ДНК клеток, не относящихся к зародышевой линии, таких как клетки печени или кожи. Далее — в РНК, затем в белок и во всевозможные воздействия на развитие эмбриона, а следовательно, и на форму и поведение взрослого организма. Горизонтальную и вертикальную передачу можно считать реальными аналогами описанных в главе 3 компьютерных алгоритмов РАЗВИТИЕ и РАЗМНОЖЕНИЕ.

Неодинаковый успех соперничающих ДНК при вертикальной передаче по архивам вида — это и есть естественный отбор. Под “соперничающими ДНК” имеются в виду альтернативные варианты содержимого одних и тех же адресов в хромосомах данного вида. Некоторые гены сохраняются в архивах более успешно, чем их соперники. И хотя в конечном счете “успех” — это вертикальная передача по архивам вида, тем не менее критерием успеха обычно является действие, которое гены оказывают на организмы при боковой передаче. Это тоже аналогично тому, как обстояло дело в компьютерной модели с биоморфами. Предположим, например, что у тигров встречается некий особый ген, горизонтальное распространение которого влияет на клетки челюстей таким образом, что зубы получаются чуть более острыми, чем у носителей гена-соперника. Тигр с такими сверхострыми зубами сможет убивать добычу эффективнее, чем обычный тигр. Следовательно, он оставит больше потомства. Следовательно, он передаст по вертикали больше копий гена, делающего зубы более острыми. При этом, разумеется, он будет передавать и все остальные свои гены, но только этот конкретный “ген острозубости” будет в среднем встречаться в телах острозубых тигров чаще других. Усредненный эффект гена на весь ряд организмов, в которые он попадает, приносит пользу и самому гену, если под пользой понимать вертикальную передачу следующим поколениям.

Эффективность ДНК как средства для хранения информации просто поразительна. ДНК сберегает содержание своих записей намного лучше, чем каменные таблички. У коров и у гороха (так же как и у всех остальных, включая нас) имеется практически один и тот же ген, который кодирует белок H4. Это текст ДНК длиной 306 знаков. Мы не можем сказать, что у всех видов он занимает одни и те же адресные ячейки, поскольку сопоставлять адреса ячеек у разных видов бессмысленно. Но мы можем с полным правом констатировать, что у коров имеется последовательность из 306 знаков, практически идентичная некой 306-знаковой последовательности у гороха. Из всех этих 306 знаков у коров и гороха не совпадают только два. Как давно жил общий предок коров и гороха, точно не известно, но, судя по геологической летописи, можно заключить, что было это где-то между 1000 и 2000 млн лет назад. Сойдемся на полутора миллиардах. За столь невообразимо долгий (по человеческим меркам) период обе эти ветви эволюции, отделившиеся от далекого предка, сумели сохранить по 305 символов из 306 (это в среднем; возможно, кто-то сохранил все 306, а кто-то — только 304). Надписи, высеченные на каменных надгробиях, становятся неразборчивыми всего лишь через несколько столетий.

В каком-то смысле сохранность ДНК-документа “гистон H4” — это даже еще большее чудо, поскольку, в отличие от каменных плит, здесь текст не хранится постоянно на одном и том же физическом носителе, а многократно копируется из поколения в поколение подобно священным иудейским книгам, которые ритуально переписывали каждые 80 лет, дабы предотвратить их обветшание. Сколько раз этот документ переписывался в ряду поколений, соединяющем корову или горох с их общим предком, оценить трудно, но, вероятно, речь идет где-то о 20 млрд снятых одна с другой копий. Также трудно найти и адекватный эталон, с которым можно было бы сопоставить сохранность более чем 99 % информации после 20 млрд последовательных актов копирования. Давайте попробуем следующую версию игры в испорченный телефон. Представьте себе 20 млрд машинисток, сидящих в ряд. Этот ряд мог бы опоясать Землю 500 раз. Первая машинистка печатает страницу документа и передает ее своей соседке. Та перепечатывает и отдает следующей машинистке свою копию. Следующая снова перепечатывает, и т. д. Когда текст дойдет до конца, мы прочтем его (точнее, не мы, а наши прапрапра… 12 тыс. раз “пра”… правнуки, если исходить из допущения, что все машинистки печатают на хорошей, профессиональной скорости). Насколько он будет близок к оригиналу?

Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны получить представление о качестве работы наших машинисток. Давайте сформулируем его иначе. Насколько аккуратно должна работать машинистка, чтобы приблизиться по точности к ДНК? Ответ будет выглядеть почти что абсурдно. Как бы то ни было, он таков: машинистка долж на ошибаться не чаще одного раза на триллион знаков. Это значит перепечатать Библию целиком 250 тыс. раз подряд и допустить всего одну опечатку. В реальности хороший секретарь-машинист делает примерно одну опечатку на страницу, что где-то в полмиллиарда раз превышает частоту ошибок при копировании гена гистона H4. От нашего текста останется 99 % исходных печатных знаков, уже когда он попадет к 20-й машинистке из 20 млрд. А десятитысячная машинистка получит копию, содержащую менее 1 % от оригинала. Это практически полное уничтожение первоначального текста произойдет прежде, чем его увидят 99,9995 % машинисток.

Вся эта аналогия была слегка неправомерной, но в очень интересном и поучительном смысле. Я пытался создать впечатление, будто мы сравниваем скорость накопления ошибок при копировании. Однако документ “гистон H4”не только копировался, но и подвергался воздействию естественного отбора. Гистоны организму жизненно необходимы. Они используются при строительстве хромосом. Возможно, при копировании гена гистона H4 происходило намного больше опечаток, просто мутантные организмы не выживали или по меньшей мере не размножались. Чтобы метафора стала корректной, мы должны были добавить, что в кресло каждой из машинисток встроено ружье, причем оно подсоединено таким образом, что стоит только машинистке сделать ошибку, как она будет мгновенно застрелена и заменена на запасную (возможно, слабонервные читатели предпочли бы представить себе катапульту, легонько выбрасывающую провинившуюся машинистку из ряда, но ружье дает более ясные представления о естественном отборе).

Получается, что измеряя консервативность ДНК путем подсчета тех изменений, которые действительно произошли в течение геологических эпох, мы оцениваем сочетание собственно точности копирования с отфильтровывающим действием естественного отбора. Мы видим только последствия удачных опечаток. Те, которые приводили к смерти своих обладателей, до нас очевидным образом не дошли. Можем ли мы оценить истинную, рабочую точность копирования, до того как естественный отбор примется за новое поколение генов? Да, можем: это число будет обратным той величине, которая называется частотой мутаций и вполне подается измерению. Вероятность того, что при однократном снятии копии любая конкретная буква будет скопирована неправильно, составляет чуть больше единицы на миллиард. Разность между данной частотой мутаций и более низким уровнем тех изменений, которые ген гистона претерпел в ходе эволюции на самом деле, может служить мерой того, насколько бережно естественный отбор хранил этот старинный документ.

Консервативность этого гена, дошедшего до нас сквозь эоны, является по генетическим меркам исключительной. Другие гены меняются с большей скоростью — вероятно, потому что естественный отбор терпимее относится к их изменчивости. Так, например, скорость эволюционных изменений генов, кодирующих белки фибринопептиды, приближается к базовой частоте мутаций. Это может означать, что ошибки в частностях строения этих белков (вырабатываемых в процессе свертывания крови) не играют большой роли для организма. Гемоглобин по скорости изменения своих генов занимает промежуточное положение между гистонами и фибринопептидами. По-видимому, и степень терпимости естественного отбора к ошибкам в этом случае промежуточная. Гемоглобин в крови делает очень важное дело, и детали его структуры действительно имеют значение, но похоже, что несколько альтернативных вариантов этой структуры справляются со своими задачами одинаково хорошо.

Тут мы сталкиваемся с тем, что на первый взгляд может показаться парадоксом. Те молекулы, которые эволюционируют медленнее всего, — гистоны — оказываются наиболее подверженными действию естественного отбора. Фибринопептиды же эволюционируют с наибольшей скоростью, потому что естественный отбор почти полностью их игнорирует, и они вольны изменяться так часто, как часто происходят мутации. Парадоксальным это кажется по той причине, что мы очень много говорим о естественном отборе как о движущей силе эволюции. Следовательно, если бы не было естественного отбора, то, по идее, не было бы и эволюции. И наоборот, можно было бы подумать, что мощное “давление отбора” должно приводить к быстрым эволюционным преобразованиям. А вместо этого мы обнаруживаем, что естественный отбор эволюцию тормозит. Фоновая скорость эволюции — без естественного отбора, то есть эквивалентная частоте мутаций — является в то же время и максимально возможной.

На самом деле никакого парадокса тут нет. Как следует подумав, мы увидим, что по-другому и быть не могло. Эволюция путем естественного отбора не может идти со скоростью, превышающей скорость мутирования, ведь в конечном счете мутации — это единственный источник возникновения изменчивости внутри вида. Естественный отбор способен только на то, чтобы сохранять одни варианты и отвергать другие. Верхняя граница скорости эволюционных изменений неизбежно будет устанавливаться частотой мутаций. Фактически естественный отбор занимается не столько преобразованиями, сколько их предотвращением. Поспешу прибавить, что из этого не следует, будто естественный отбор — процесс исключительно деструктивный. Он способен и к созиданию. Каким образом — объясню в главе 7.

Но и мутации сами по себе штука довольно редкая. Другими словами, и без естественного отбора ДНК сохраняет свои архивы с поразительной эффективностью. По самым скромным оценкам, даже при отсутствии естественного отбора она реплицируется с такой точностью, что для того, чтобы опечатки составляли 1 % от общего текста, потребуется сделать целых пять миллионов удвоений подряд. Наши воображаемые машинистки снова безнадежно обставлены ДНК, даже если никакого естественного отбора не происходит. Ведь достигнуть такого уровня точности для них было бы равносильно способности напечатать полный текст Нового Завета всего лишь с одной опечаткой. То есть каждая из них должна быть примерно в 450 раз аккуратнее типичного секретаря из реального мира. Это определенно не в полмиллиарда раз — соответствующий показатель точности копирования гена гистона H4 при участии естественного отбора, — но все равно очень впечатляющая цифра.

Однако я несправедлив к машинисткам. В сущности, я исходил из допущения, что они неспособны замечать свои ошибки и исправлять их. Я постулировал отсутствие корректуры. В действительности же она, разумеется, существует. А значит, в моем ряду из миллиардов машинисток исходному тексту было бы не так просто испортиться, как я это описал. Механизм копирования ДНК включает в себя и автоматическое исправление ошибок. Не будь этого, не было бы и такой изумительной точности. В процессе снятия копии с ДНК участвует много различных инструментов-“корректоров”. Это тем более необходимо, если учесть, что символы кода ДНК отнюдь не так неподвижны, как иероглифы, высеченные на граните. Речь здесь идет об объектах настолько крохотных — вспомните про все эти экземпляры Нового Завета, помещающиеся на булавочной головке, — что они подвержены постоянным разрушительным ударам просто из-за обычного беспорядочного теплового движения молекул. В тексте ДНК происходит непрерывное обновление, круговорот букв. Ежедневно в одной человеческой клетке подвергается порче около 5 тыс. печатных знаков, и механизмы репарации немедленно заменяют их на новые. Если бы эти механизмы не трудились не покладая рук, весь текст потихоньку растворился бы. Вычитывание новых копий ДНК — это просто одна из разновидностей стандартных ремонтных работ. Поразительная сохранность информации в ДНК и замечательная точность ее воспроизведения связаны в первую очередь с постоянным исправлением опечаток.

Итак, мы видим, что молекулы ДНК являются ключевым элементом захватывающих информационных технологий. Они способны вмещать огромное количество точной цифровой информации в ничтожном объеме и хранить ее с поразительно малым числом ошибок (но все же не без ошибок) в течение неимоверно долгого времени, миллионов лет. К чему же все это нас приводит? К самой главной правде о жизни на Земле, к той истине, на которую я намекнул в первом абзаце этой главы, когда говорил про семена ивы. Истина эта заключается в том, что живые организмы существуют для пользы ДНК, а не наоборот. На данном этапе рассуждений это еще не очевидно, но я надеюсь, что сумею вас убедить. По сравнению с нашими короткими жизнями информация, которую несут молекулы ДНК, может считаться практически вечной. Продолжительность жизни текста, записанного в ДНК (плюс-минус несколько мутаций), измеряется миллионами и сотнями миллионов лет. Или, другими словами, насчитывает от 10 тыс. до триллиона сроков жизни индивидуальных организмов. Каждый отдельный организм можно рассматривать как временное транспортное средство, в котором ДНК-послания проводят ничтожно малую часть всего отведенного им геологического времени.

В мире полным-полно вещей, которые существуют!.. Так-то оно так, но что это нам дает? Вещи существуют либо потому, что они недавно возникли, либо потому, что какие-то их качества не давали им разрушиться раньше. Скалы появляются на свет не слишком часто, но зато они крепки и долговечны. В противном случае они были бы не скалами, а песком. Впрочем, некоторые из них в самом деле постигла эта участь, благодаря чему у нас есть пляжи! А более прочные так и остались существовать в виде скал. Роса же, наоборот, существует не из-за своей долговечности, а потому, что она только что появилась на свет и еще не успела испариться. По-видимому, есть две категории предметов, обладающих “ценностью для существования”: предметы типа росинок, которые можно охарактеризовать как “отличающиеся большой вероятностью возникновения, но не очень долговечные”, и предметы типа скал — “возникают не очень часто, но, раз возникнув, имеют склонность оставаться надолго”. Скалы обладают долговечностью, а росинки — “возникабельностью”. (Я пытался найти менее уродливое слово, но не смог.)

ДНК взяла все лучшее от тех и от других. Как физические объекты молекулы ДНК похожи на капельки росы. При определенных условиях они способны возникать в большом количестве, но существование их недолго: уже через несколько месяцев от них ничего не остается. Они не так долговечны, как скалы. Но те шаблоны, которые в них закодированы, прочнее самых твердых скал. У них есть все необходимое, чтобы существовать в течение миллионов лет, благодаря чему они и сохранились до наших дней. Основное их отличие от росинок в том, что одни росинки не рождаются от других. Все капли росы, безусловно, похожи друг на друга, но они не обладают каким-то особенным сходством со своими “родителями”. В отличие от молекул ДНК росинки не формируют кланов и потому не могут передавать информацию. Росинки возникают путем самозарождения, а тексты ДНК — посредством снятия копий.

Трюизмы наподобие “мир полон вещей, у которых есть все необходимое, чтобы существовать” банальны и почти что глупы до тех пор, пока мы не начнем употреблять их по отношению к особому типу долговечности — долговечности в виде ряда поколений размножающихся копий. Долговечность последовательностей ДНК иного свойства, нежели у скал, а возникабельность — иного свойства, нежели у росинок. В данном случае фраза “все необходимое, чтобы существовать” — ни в коей мере не банальность и не тавтология. Это “все необходимое для существования” включает в себя способность строить машины вроде меня или вас — самые сложные объекты в известной нам Вселенной. Давайте посмотрим, как такое возможно.

Если говорить в общем, то все дело в том, что те характерные свойства ДНК, которые мы здесь выявили, — это не что иное, как основные компоненты любого процесса накапливающего отбора. В компьютерных моделях, описанных в главе 3, эти необходимые ингредиенты были внесены нами в программу осознанно. Чтобы накапливающий отбор мог действительно существовать в природе, необходимо возникновение неких объектов, свойства которых дадут в итоге нужную “гремучую смесь”. Так что же это за компоненты? Пытаясь ответить на этот вопрос, не будем упускать из внимания тот факт, что именно они, эти компоненты, должны были возникнуть, хотя бы в зачаточной форме, в начальный период существования нашей планеты. В противном случае накапливающий отбор, а следовательно, и жизнь вообще не смогли бы здесь начаться. Мы говорим сейчас не о конкретных свойствах ДНК, а о базовых составляющих, необходимых для появления жизни где угодно во Вселенной.

Когда пророк Иезекииль оказался посреди поля с сухими костями, он пророчествовал перед ними, и кости воссоединились. Тогда он еще немного попророчествовал, и вокруг них выросла плоть и жилы. Однако духа в них по-прежнему не было. Не хватало жизненно важного ингредиента — жизни как таковой. У мертвой планеты есть атомы, молекулы и более крупные куски материи, которые случайным образом налетают друг на друга и сваливаются в кучи в соответствии с законами физики. Порой законы физики заставляют атомы и молекулы объединяться, как Иезекииль заставил объединиться сухие кости, а порой, наоборот, отделяться друг от друга. Так могут возникать довольно крупные скопления атомов, которые затем точно так же могут разваливаться и рассыпаться. Но духа не будет в них.

Чтобы вдохнуть жизнь в сухие кости, Иезекииль призвал на помощь четыре ветра. Какой же необходимый компонент должен появиться на безжизненной планете вроде молодой Земли, чтобы дать ей шанс ожить? Это не дух и не ветер, не эликсир и не снадобье. Это вообще не вещество, это способность — способность к саморепликации. Вот она, главная составляющая накапливающего отбора: каким-то образом под действием обычных законов физики долж ны появиться на свет самокопирующиеся объекты, или, как я буду их называть, репликаторы. Это может быть все что угодно, с чего делаются копии, хотя в современной живой природе роль репликаторов практически полностью присвоили себе молекулы ДНК. Думается, что первые репликаторы на нашей планете были другими. Невероятно, чтобы готовая молекула ДНК могла возникнуть просто так, на ровном месте, без помощи других молекул, обычно не встречающихся нигде, кроме живых клеток. Первые репликаторы были, скорее всего, намного проще и грубее.

Необходимы еще и другие два ингредиента, которые, по идее, должны автоматически появляться при наличии первого — саморепликации. В процессе самокопирования должны происходить случайные ошибки — даже система репликации ДНК изредка ошибается, а уж самые первые репликаторы на Земле были, надо думать, еще более изменчивы. Кроме того, репликаторы, хотя бы некоторые, должны обладать властью над собственным будущим. Этот последний ингредиент совсем не так зловещ, как звучит. Я всего лишь хотел сказать, что какие-то свойства репликаторов должны влиять на вероятность того, что репликация состоится. Судя по всему, это то следствие, которое, пусть в зачаточном виде, неизбежно вытекает из самого факта наличия саморепликации как таковой.

Выходит, что у каждого репликатора имеются снятые с него копии. Каждая копия ничем не отличается от оригинала и обладает всеми его свойствами. В том числе, разумеется, и способностью производить (иногда с ошибками) новые копии самих себя. Итак, любой репликатор потенциально является “предком” устремленного в далекое будущее бесконечно длинного ряда своих копий и, следовательно, теоретически способен произвести бесчисленное множество репликаторов-потомков. Для изготовления каждой новой копии требуется сырье — мелкие строительные блоки, оказавшиеся поблизости. Сам репликатор, по-видимому, служит при этом чем-то вроде шаблона или матрицы. Мелкие детали заполняют этот трафарет таким образом, что в итоге выстраивается его дубликат. Затем дубликат высвобождается и теперь может уже сам служить матрицей. В итоге мы имеем способную к увеличению популяцию репликаторов. Эта популяция не сможет расти бесконечно — ее рост в конечном счете лимитирован запасами сырья, тех самых мелких строительных блоков, которые заполняют трафарет.

И вот тут вступает в дело наш второй ингредиент. Не все копии одинаково точны. Порой случаются ошибки. Вероятность их возникновения нельзя полностью устранить ни из какого процесса копирования, хотя и можно свести ее до минимума. Именно к этому все время стремятся производители высококачественной звуковой аппаратуры, и, как мы уже видели, успехи ДНК в деле уменьшения ошибок тоже весьма впечатляют. Однако современная репликация ДНК — это высокотехнологичная процедура, в которой принимают участие искусные механизмы исправления опечаток, оттачивавшиеся в течение многих поколений накапливающего отбора. Первые же репликаторы, как я уже говорил, были, скорее всего, устройствами грубыми и неточными.

Теперь вернемся к нашей популяции репликаторов и посмотрим, к чему там приведет неточное копирование. Очевидно, что вместо однородной совокупности идентичных друг другу репликаторов мы получим разношерстную смесь. По всей вероятности, многие неточные копии утратят способность к самоудвоению, которой обладали их “предки”. Но некоторые из них сохранят это свойство, будучи непохожими на своего “родителя” в каком-то другом отношении. Таким образом, ошибки, допущенные при копировании, будут в данной популяции размножаться.

При виде слова “ошибка” выбросьте из головы все негативные ассоциации. Здесь имеется в виду исключительно ошибка в смысле точности по отношению к первоисточнику. Ошибка вполне может оказаться и улучшением. Полагаю, многие изысканнейшие блюда появились на свет благодаря тому, что повар ошибся, когда пытался следовать рецепту. Среди тех моих научных идей, которые я могу назвать более или менее оригинальными, некоторые возникли потому, что я неправильно понял или неправильно прочел чью-то мысль. И если ошибки у первых репликаторов должны были по большей части приводить к снижению точности копирования или даже к полной потере способности производить свои копии, иногда тем не менее ошибка могла обернуться тем, что новый репликатор оказывался в этом отношении лучше своего предшественника, давшего ему начало.

Что в данном случае означает “лучше”? В конечном счете — эффективнее в деле самоудвоения, но в чем это будет выражаться на практике? Тут мы приходим к нашему третьему ингредиенту. Я назвал его “властью”, и сейчас вы поймете почему. Описывая репликацию как процесс изготовления на матрице, мы видели, что последним этапом этого процесса является отсоединение новой копии. Длительность этого этапа может зависеть от некоего свойства исходной матрицы — назовем его “липучестью”. Представьте себе, что в нашей популяции репликаторов, отличающихся друг от друга вследствие тех ошибок, которые их “предки” совершили при копировании, некоторые разновидности липучее других. Очень липучей разновидности требуется в среднем час на то, чтобы отсоединить новую копию и начать весь процесс заново. Наименее липучая разновидность отпускает от себя каждую новую копию сразу же, как только эта копия оказывается готова. Какая же из этих двух разновидностей репликаторов окажется преобладающей в популяции? Ответ несомненен. Если это различие между разновидностями единственное, то более липучая станет со временем намного менее многочисленной. Нелипучие репликаторы будут штамповать свои нелипучие копии в тысячи раз быстрее, чем липучие репликаторы — создавать липучие копии. Варианты с промежуточной липучестью будут размножаться с промежуточной скоростью. Налицо будет “направление эволюции”, ведущее к снижению липучести.

Нечто подобное такому элементарному естественному отбору было воспроизведено в пробирке. Вирус, называемый Qβ, паразитирует на кишечной бактерии Escherichiacoli. У Qβ нет ДНК, но зато он содержит, а на самом деле в значительной степени состоит из похожей на нее одноцепочечной молекулы РНК. Как и ДНК, РНК способна реплицироваться и делает это очень похожим способом.

Обычно сборка молекул белка происходит в соответствии со спецификацией, переписанной на РНК. Это рабочие копии инструкций, снятые с оригиналов ДНК, хранящихся в бесценных архивах клетки. Но теоретически возможно построить особый станок — представляющий собой, как и все клеточные машины, молекулу белка, — который будет снимать РНК-копии с РНК-копий. Такой станок называется молекулой фермента РНК-репликазы. Сама бактериальная клетка в этих машинах не нуждается и потому их не строит. Но, поскольку репликаза — это такая же молекула белка, как и все остальные, ничего не стоит заставить многофункциональные клеточные станки производить ее, точно так же как в военное время производственные мощности автомобильного завода легко перепрофилируются для производства вооружений, достаточно только снабдить их для этого нужными чертежами. Тут-то и выходит на сцену вирус.

Активная составляющая вируса — это проект, зашифрованный в РНК. На первый взгляд эта РНК ничем не отличается от таких же рабочих чертежей, разбросанных в клетке повсюду. Но если вы разберете, что именно там написано, вам откроется нечто дьявольское. В этих чертежах излагается подробная инструкция по созданию РНК-репликазы — машины, которая будет создавать новые копии все тех же чертежей, которые будут создавать новые машины, которые будут создавать новые копии чертежей, которые…

Итак, наш завод оказывается захвачен своекорыстными чертежами. В каком-то смысле он сам на это напросился. Если вы оснастите завод хитроумными механизмами, способными изготовить все, что им только скажет первый попавшийся чертеж, то вполне можно ожидать, что рано или поздно появится такой чертеж, который будет велеть им изготавливать копии самого себя. Завод будет все больше и больше заполняться неуправляемыми станками, штампующими все больше и больше неуправляемых чертежей, чтобы производить еще больше станков, штампующих еще больше чертежей. В конце концов несчастная бактерия лопнет и высвободит миллионы вирусов, которые будут заражать новые бактерии. Таков нормальный жизненный цикл данного вируса в природе.

Я называл РНК-репликазу и РНК станком и чертежом соответственно. В некотором роде так оно и есть (мы обсудим эту аналогию с других позиций в одной из следующих глав), но кроме того, это еще и молекулы, а значит, химики могут выделить их в чистом виде, разлить по бутылочкам и поставить на полку. Именно это и сделали Сол Шпигельман и его коллеги в 1960-х гг. в Америке. Затем они поместили оба этих вещества в один раствор, и произошла потрясающая вещь: молекулы РНК в пробирке стали служить матрицами для копирования самих себя при помощи молекул РНК-репликазы. Производственные мощности и чертежи были экстрагированы и хранились в холодильнике по отдельности. Но стоило им дать доступ друг к другу в присутствии воды и маленьких молекул, служащих в качестве сырья, как они сразу же принялись за свои старые штучки, хотя и находились теперь в пробирке, а не в живой клетке.

Тут уж рукой подать до естественного отбора и эволюции в пробирке. Перед нами не что иное, как химический вариант компьютерных биоморф. Если вкратце, то данный экспериментальный метод состоит в том, чтобы выстроить длинный ряд из пробирок, содержащих раствор РНК-репликазы и исходный материал — маленькие молекулы, использующиеся при синтезе РНК. В каждой пробирке имеются и производственные мощности, и сырье, но все это простаивает безо всякой пользы и ничего не делает, поскольку отсутствуют чертежи, по которым можно было бы работать. Затем в первую пробирку добавляется крошечное количество РНК. Станки-репликазы мгновенно принимаются за работу и производят множество копий только что добавленных молекул РНК, которые таким образом заполняют всю пробирку. Теперь капля раствора из первой пробирки добавляется во вторую пробирку. Там весь процесс повторяется, после чего капля из второй пробирки пересеивается в третью, и т. д.

Благодаря случайным ошибкам при копировании время от времени могут самопроизвольно возникать мутантные молекулы РНК, слегка отличающиеся от исходного варианта. Если такая новая разновидность окажется, по какой угодно причине, более конкурентоспособной по сравнению предыдущей — более конкурентоспособной в том смысле, что, возможно, из-за своей меньшей “липучести” или еще из-за чего-нибудь она реплицируется быстрее или в каком-то другом отношении эффективнее, — тогда очевидно, что она распространится по той пробирке, где ей довелось возникнуть, и численно превзойдет давшую ей начало РНК родительского типа. А значит, при переносе капли раствора в следующую пробирку туда будет пересеиваться преимущественно новая, мутантная РНК. Изучая образцы РНК в длинном ряду сменяющих друг друга пробирок, мы увидим то, чему нет иного названия, кроме как “эволюция”. Наиболее преуспевшие в конкуренции разновидности РНК, которые получаются по прошествии определенного числа “поколений” пробирок, можно разлить по пузырькам и как-нибудь назвать для дальнейшего использования. К примеру, одна из таких разновидностей, названная V2, удваивается намного быстрее обычной РНК вируса Qβ — возможно, потому что она короче. В отличие от РНК Qβ ей не нужно “беспокоиться” о том, чтобы иметь последовательности, кодирующие репликазу. Репликазой ее задарма снабжают экспериментаторы. РНК V2 была использована калифорнийскими исследователями под руководством Лесли Оргела в интересном опыте, где ей были созданы “невыносимые” условия для существования.

К ней в пробирки добавлялся бромистый этидий — яд, который подавляет синтез РНК, выводя из строя “станки”. Оргел и его коллеги начинали работу с небольшими дозами этой отравы. Сперва скорость синтеза упала, однако, проэволюционировав в течение где-то девяти пробирочных “поколений”, возник новый штамм РНК, устойчивый к воздействию яда. Скорость синтеза РНК стала сопоставимой со скоростью синтеза обычной РНК V2 при отсутствии ингибитора. Тогда Оргел с коллегами удвоили концентрацию яда. Как и в прошлый раз, скорость синтеза РНК понизилась, но после десяти или около того пересевов из пробирки в пробирку был получен штамм РНК, нечувствительный даже к этой, более высокой концентрации. Затем концентрацию яда удвоили еще раз. Так, путем последовательных удвоений, удалось вывести штамм РНК, способный к самовоспроизведению при концентрациях бромистого этидия, в десять раз превышающих ту, которая подавляла репликацию исходного предка — РНК V2. Новая, устойчивая РНК была названа V40. Для эволюции V40 из V2 потребовалось около 100 “поколений” пробирок (разумеется, перед каждым переносом в следующую пробирку успевало смениться множество “настоящих” поколений реплицирующейся РНК).

В других своих экспериментах Оргел не добавлял в реакционную смесь фермент. Выяснилось, что и при таких условиях РНК способна самопроизвольно реплицироваться — правда, очень медленно. По-видимому, она может использовать и другие катализаторы, например цинк. И это очень важно, поскольку на самых ранних этапах жизни, когда только появились первые репликаторы, молекулам ферментов, которые могли бы помочь им реплицироваться, неоткуда было взяться. Цинк же там, по всей вероятности, был.

С десяток лет назад влиятельная группа немецких ученых-единомышленников, работающая под руководством Манфреда Эйгена над проблемой возникновения жизни, провела противоположный опыт. Эти экспериментаторы смешали в пробирке репликазу и строительные блоки РНК, но саму РНК не засеяли. Тем не менее определенный тип крупных молекул РНК возник в этой пробирке спонтанно. И точно такая же РНК снова и снова возникала эволюционным путем в независимых аналогичных экспериментах! Тщательная проверка исключила возможность случайного загрязнения пробирки молекулами РНК. Этот результат поразителен, если подумать о том, насколько статистически невероятно, чтобы одна и та же крупная молекула самопроизвольно возникла дважды. Это намного невероятнее, чем случайно напечатать METHINKS IT IS LIKE A WEASEL. Подобно этой фразе в нашей компьютерной модели, получившаяся последовательность РНК создавалась постепенно, путем накапливающей эволюции.

Та РНК, которая возникала в этих экспериментах из раза в раз, имела тот же самый размер и структуру, что и молекулы, полученные Шпигельманом. Но если у Шпигельмана эта РНК эволюционировала путем “дегенерации” из более крупной встречающейся в природе вирусной РНК Qβ, то в опытах группы Эйгена она появлялась почти что из ничего. Эта конкретная последовательность хорошо приспособлена к окружающей среде, образованной пробирками, бесперебойно снабжаемыми готовенькой репликазой. Вот почему накапливающий отбор благоприятствовал конвергенции и привел к одной и той же формуле из двух очень далеких друг от друга начальных точек. Более крупная РНК Qβ хуже приспособлена к существованию в пробирке и лучше — к той окружающей среде, которую обеспечивают клетки E. coli.

Эксперименты, подобные этим, помогают нам прочувствовать полный автоматизм и непроизвольность, присущие естественному отбору. “Станки”, коими являются молекулы репликазы, не “знают”, зачем они производят РНК; эта деятельность — просто побочный эффект их строения. Да и сами молекулы РНК не вырабатывают специально никакой стратегии, как бы им получше удвоиться. Даже если бы они могли думать, нет никаких очевидных причин для того, чтобы разумному существу хотелось делать свои собственные копии. Если бы я знал, как создавать копии самого себя, то не уверен, что предпочел бы это занятие всем прочим. С какой, собственно, стати? Но вопросы мотивировки к молекулам неприменимы. Структура вирусной РНК просто оказалась такой, что клеточные механизмы вынуждены штамповать ее копии. А если где угодно во Вселенной появляется такой объект, который оказывается успешно делающим свои собственные копии, то очевидно, что число копий этого объекта будет непроизвольно возрастать. А кроме того, в связи с тем что эти объекты будут автоматически образовывать ряды поколений и время от времени копироваться с ошибками, благодаря могучему процессу накапливающего отбора более поздние варианты будут иметь тенденцию создавать свои копии “лучше”, чем более ранние. Это крайне просто и механистично. Настолько предсказуемо, что практически неизбежно.

“Успешная” молекула РНК из пробирки обязана успехом какому-то своему собственному, непосредственному качеству — чему-то аналогичному “липучести” из моего гипотетического примера. Однако такие свойства, как “липучесть”, — вещь довольно скучная. Это элементарные свойства самого репликатора, свойства, которые напрямую влияют на его вероятность быть удвоенным. А что если репликатор каким-то образом будет воздействовать на что-нибудь еще, что подействует на что-нибудь еще, что подействует на что-нибудь еще, что… в конечном итоге косвенно повлияет на вероятность того, что данный репликатор будет реплицирован? Вполне можно видеть, что наш основополагающий трюизм, не заслуживающий даже звания аксиомы, по-прежнему остается в силе. Репликаторы, имеющие все необходимое, чтобы реплицироваться, станут преобладать в мире независимо от того, насколько длинной и непрямой является та цепочка причинно-следственных связей, с помощью которой они оказывают влияние на вероятность своей репликации. В той же мере справедливо и то, что мир будет постепенно наполняться звеньями этой причинно-следственной цепочки. Мы сможем видеть эти звенья и изумляться им.

У современных организмов мы все время их видим. Это глаза и кожа, кости и пальцы ног, мозг и инстинкты. Все это инструменты для репликации ДНК. Они обусловлены ДНК в том смысле, что различия в костях, глазах, коже, инстинктах и т. д. обусловлены различиями в ДНК. Они влияют на репликацию породившей их ДНК тем, что влияют на выживание и размножение организмов, которые содержат эту самую ДНК и судьбу которых она вследствие этого разделяет. Получается, что через все эти признаки организмов ДНК оказывает влияние на свое собственное будущее. Можно сказать, что ДНК обладает властью над своим будущим, а организмы вместе со своими органами и повадками — рычаги этой власти.

Говоря о власти, мы подразумеваем любые последствия деятельности репликаторов, влияющие на их будущее, какими бы отдаленными эти последствия ни были. Количество звеньев, ведущих от причины к следствию, роли не играет. Если причина — способный к саморепликации объект, то следствие, пусть даже сколь угодно отдаленное и непрямое, может стать предметом для естественного отбора. Поясню эту общую мысль на конкретном примере с бобрами. Подробности моего рассказа про бобров предположительны, но в целом он наверняка недалек от истины. Никто не проводил исследование развития нервных связей в мозге бобров, но подобные исследования были проведены на других животных, например на червях. Я позаимствую выводы этих исследований и экстраполирую их на бобров, поскольку многим из читателей бобры интереснее и ближе, чем черви.

Мутантный ген бобра — это всего-навсего замена одной буквы в тексте, состоящем из миллиардов букв, замена в одном конкретном гене G. По мере того как бобренок растет и развивается, это изменение копируется во все его клетки вместе со всеми остальными буквами этого текста. В большинстве клеток ген G не считывается — там считываются другие гены, характерные для клеток соответствующих типов. Тем не менее в некоторых клетках развивающегося мозга G считывается и переписывается в виде копий РНК. Эти рабочие копии болтаются во внутриклеточном растворе, пока некоторые из них не наткнутся на специальные машины по производству белка, называемые рибосомами. Рибосомы расшифровывают записанные в РНК рабочие планы и производят новые молекулы белка в соответствии с ними. Эти молекулы белка сворачиваются, принимая строго определенную форму, заданную их аминокислотной последовательностью, которая, в свою очередь, обусловлена кодирующей последовательностью ДНК гена G. Замена буквы, происходящая при мутации гена G, вносит в аминокислотную последовательность, обычно кодируемую этим геном, существенное изменение, влияющее и на ту форму, которую молекула белка приобретает при свертывании.

Машины для производства белка в развивающихся клетках мозга начинают массовый выпуск таких слегка модифицированных белковых молекул. Эти молекулы и сами являются машинами — ферментами, производящими другие вещества, которые тоже входят в состав данной клетки и тоже являются результатом деятельности гена G. Эти продукты его деятельности направляются в мембрану, которая окружает клетку, и принимают участие в процессе образования связей между этой клеткой и соседними клетками. Из-за небольшого искажения в подлиннике инструкции ДНК интенсивность выработки некоторых компонентов мембраны изменилась. А это повлекло за собой изменение того, каким именно образом некоторые из клеток в развивающемся мозге будут соединены друг с другом. В определенной части головного мозга бобра произошла едва заметная модификация монтажной схемы — косвенное и, что ни говори, очень отдаленное последствие изменения в тексте ДНК.

И вот оказывается, что именно эта часть мозга вследствие своего местоположения в общей монтажной схеме принимает участие в строительном поведении нашего бобра. Разумеется, когда бобр строит свою плотину, в этом процессе задействованы многие участки мозга, однако, после того как мутация гена G затрагивает данную конкретную часть общей схемы, это отражается на поведении специфическим образом. А именно заставляет бобра держать голову выше над водой, когда он плывет с зажатым в зубах сучком. Под “выше” имеется в виду выше по сравнению с бобром без такой модификации. Это немного снижает вероятность того, что грязь, прилипшая к сучку, смоется во время плавания. А это увеличивает липкость сучка, что, в свою очередь, увеличивает вероятность того, что, когда бобр засунет сучок в плотину, этот сучок там останется. Это рассуждение будет в большей или меньшей степени применимо ко всем сучьям и бревнам, перемещаемым бобром — носителем данной мутации. Повышенная липкость сучьев будет следствием — опять-таки чрезвычайно косвенным — буквенной замены в тексте ДНК.

Увеличение липкости бревен сообщит плотине дополнительную прочность, сделает ее устойчивее к разрушению. Что, в свою очередь, увеличит размер запруды и сделает хатку, расположенную в центре запруды, более защищенной от хищников. Это повысит вероятность того, что наш бобр благополучно вырастит большее число потомков. Рассматривая всю популяцию бобров целиком, мы увидим, что те бобры, которые обладают таким мутантным геном, в среднем выращивают больше потомства, чем те, у кого этого гена нет. А потомство будет с высокой вероятностью наследовать архивные копии этого же мутантного гена от своих родителей. Следовательно, данная разновидность гена будет с течением поколений становиться все более многочисленной. В конце концов она станет нормой, и называть ее “мутантной” будет неправомерно. Бобровые плотины, если говорить в целом, сделают очередной маленький рывок в сторону усовершенствования.

То, что данная история является гипотетической и может расходиться с реальностью в некоторых подробностях, неважно. Бобровые плотины возникли путем естественного отбора, а значит, то, что происходило на самом деле, вряд ли сильно отличалось от моего рассказа, если не считать частностей, касающихся действия каких-то конкретных механизмов. Выводы, вытекающие из такого взгляда на жизнь, изложены и детально проработаны в моей книге “Расширенный фенотип”, так что я не буду дублировать эти рассуждения здесь. Обратите внимание, что в причинно-следственной цепочке, которая привела от изменения в гене к улучшению выживаемости, было не менее 11 звеньев. В реальной жизни их могло быть даже больше. Все эти звенья, будь то влияние на химию клетки, более отдаленное влияние на соединение клеток мозга друг с другом, еще более отдаленное влияние на поведение или же конечный результат — изменение величины запруды, были, строго говоря, вызваны заменой в ДНК. Даже если бы звеньев было не 11, а 111, это ничего бы не изменило. Любое влияние мутации гена на его способность самореплицироваться естественный отбор сочтет законным. Это совершенно просто и восхитительно непроизвольно и непреднамеренно. Что-то подобное будет почти что неизбежным, стоит только возникнуть основополагающим компонентам накапливающего отбора: репликации, неточности и власти. Но как такое могло произойти? Откуда они взялись на планете Земля до того, как туда пришла жизнь? В следующей главе мы увидим, как можно попытаться ответить на этот непростой вопрос.