Ненадежность

Жизнь вряд ли бы могла сохраниться на нашей планете и выдержать многие испытания, уготованные ей окружающей средой, если бы процесс копирования генетического кода всегда протекал идеально, без единой ошибки. Например, бактерии, обитавшие в умеренных водах антарктических озер несколько тысячелетий назад, лучше и быстрее приспособились бы к жизни в относительно теплой и светлой среде. Когда над их миром сомкнулся ледяной купол, бактерии, чьи геномы на протяжении поколений копировались со стопроцентной точностью, скорее всего, вымерли. Однако многие бактерии допускали небольшое количество ошибок в процессе копирования генетической информации, в результате чего на свет появлялись особи-мутанты, слегка отличавшиеся от родителей. Эти отличия способствовали более успешному приспособлению к холодной и темной среде обитания, поэтому именно бактерии-мутанты стали размножаться активнее. Постепенно, спустя несколько тысяч поколений и многочисленных неточных копий наследственной информации, потомки бактерий, попавших в ледовый плен, приспособились к жизни в подледном озере.

Повторимся: процесс адаптации к новым условиям жизни посредством мутации (ошибок репликации ДНК) в среде озера Восток – это модель процесса, протекающего в каждом уголке нашей планеты на протяжении миллиардов лет. За долгое время своего существования Земле пришлось пережить множество глобальных катастроф: извержения крупных вулканов, ледниковые периоды, столкновения с небесными телами. Жизнь не смогла бы сохраниться, не приспособившись к изменениям через копирование ошибок. Не менее важен и тот факт, что мутации привели к генетическим изменениям, которые создали из простейших бактерий – первых живых организмов нашей планеты – удивительное многообразие современной биосферы. Небольшая неточность в копировании проходит длинный и интересный путь развития, особенно на долгом временном отрезке.

Кроме идеи о том, что квантовая механика объясняет надежность передачи наследственной информации, Эврин Шредингер высказал еще одно смелое предположение в своей книге «Что такое жизнь?», опубликованной в 1944 году. Он рассуждал о том, что мутации представляют собой своего рода квантовый скачок внутри гена. Насколько это правдоподобно? Чтобы ответить на этот вопрос, нам с вами необходимо разобраться в одном противоречии, которое уходит своими корнями в теорию эволюции.

Жираф, боб и дрозофила

Мы привыкли к утверждению о том, что эволюция была «открыта» Чарльзом Дарвином. Тем не менее по крайней мере за 100 лет до Дарвина ученым-натуралистам, изучавшим окаменелости, было известно, что организмы меняются на протяжении геологических эпох. Так, еще дед Чарльза Эразм Дарвин был настоящим эволюционистом. Однако самая известная протоэволюционистская теория, предвосхитившая теорию Дарвина, была создана французским ученым, дворянином по происхождению, носившим красивое имя Жан-Батист Пьер Антуан де Моне Шевалье Ламарк.

Ламарк родился в 1744 году. Он учился в иезуитском колледже, где его готовили к духовному сану, однако после смерти отца он получил деньги, которых хватило на покупку лошади. На этой лошади он и уехал воевать в Семилетней войне против Пруссии. Он был ранен, и его военная служба прервалась. Он вернулся в Париж, где стал работать клерком, а все свободное время посвящал изучению ботаники и медицины. Вскоре он получил место помощника ботаника в Королевском ботаническом саду и проработал там до тех пор, пока директора сада не казнили во время революции. Ламарк пережил кровавые события. После революции он получил кафедру в Парижском университете. В это время он переключил свое внимание с ботаники на зоологию и стал с увлечением изучать беспозвоночных.

Ламарк является одним из величайших ученых, вклад которых в науку недооценивается современниками, по крайней мере в англосаксонском мире. Помимо того что он ввел в обращение термин «биология» (от греческого корня bios – «земля»), Ламарк создал теорию эволюции, которая по крайней мере давала правдоподобное объяснение механизму эволюционных изменений. Это было сделано за полвека до теории Дарвина. Ламарк указал на то, что организмы способны изменять некоторые признаки, приспосабливаясь к окружающей среде. Так, например, у фермеров, привыкших к тяжелому физическому труду, развиваются гораздо более крепкие мышцы, чем у банковских клерков. Ламарк утверждал, что подобные приобретенные признаки могут наследоваться потомками, а следовательно, привести к эволюционным изменениям. Наиболее известен пример с жирафами, который чаще других подвергался насмешкам и критике современников. Ламарк полагал, что неким антилопам часто приходилось вытягивать шею, чтобы дотянуться до листьев, растущих на верхних ветвях деревьев. Постепенно их шеи вытягивались, и этот приобретенный признак унаследовали их потомки, которые также продолжали тянуться за верхними листьями и передавать признак вытянутой шеи по наследству, в результате чего антилопы данного вида эволюционировали и постепенно превратились в жирафов.

Теория Ламарка, особенно его идеи о наследовании приобретенных признаков, не получила поддержки современников и была подвержена жесткой критике, особенно в англосаксонском мире. Ученые располагали многочисленными доказательствами того, что характеристики, приобретенные особью на протяжении жизни, обычно не передаются по наследству потомству. Например, несколько сотен лет назад в Австралию хлынул поток светлокожих переселенцев из Северной Европы. Кожа людей, проводящих много времени под палящим солнцем, покрывается загаром. Тем не менее у потомков европейцев в Австралии рождаются такие же светлокожие дети, как и их предки. Очевидно, что кожный загар – приобретенный признак-реакция на постоянное воздействие солнечных лучей – не передается по наследству. Итак, эволюционная теория Ламарка окончательно ушла в тень теории естественного отбора Дарвина, изложившего основные ее положения в книге 1859 года «Происхождение видов».

В наши дни особо подчеркивается следующий аспект теории Дарвина: выживает сильнейший, более приспособленный к жизни в неумолимой природе, не принимающей слабых, менее совершенных. Однако естественный отбор – это не полная история эволюции. Чтобы эволюция протекала успешно, естественный отбор нуждается в источнике изменений, на которых и оттачивается его «мастерство». Для Дарвина это была одна из величайших загадок, поскольку, как мы уже говорили, передача наследственной информации характеризуется высокой степенью надежности. Это не так уж и очевидно в случае эукариот – организмов, для которых характерно половое размножение, поскольку потомство данных организмов значительно отличается от родителей. Однако при половом размножении черты родителей всего лишь перемешиваются в особи-потомке. К слову, в начале XIX века повсеместно считалось, что смешение признаков родителей при половом размножении происходит примерно так же, как смешение красок. Если вы возьмете несколько сотен оттенков-образцов различных красок, смешаете половину образца одного цвета с половиной образца другого и повторите то же самое с другими образцами несколько тысяч раз, в результате получится несколько сотен оттенков серой краски: индивидуальные различия оттенков будут стираться и все образцы будут иметь схожие, усредненные признаки. Однако перед Дарвином стояла задача иного рода: объяснить постоянное сохранение индивидуальных различий у особей и, более того, приращение индивидуальных различий (в том случае, если в них кроется источник эволюционных изменений).

Дарвин был убежден в том, что эволюция происходила постепенно, медленно, поскольку естественный отбор «проверял» малейшее изменение признака, передававшееся по наследству: «Естественный отбор действует только путем сохранения и кумулирования малых наследственных модификаций, каждая из которых выгодна для сохраняемого существа; и как современная геология почти отбросила такие воззрения, как, например, прорытие глубокой долины одной делювиальной волной, так и естественный отбор изгонит веру в постоянное творение новых органических существ или в какую-либо большую и внезапную модификацию» [3]. Однако источник этого исходного материала для эволюции, а именно «малых наследственных модификаций», оставался необъяснимой загадкой. Странные сбои, а точнее, мутации наследуемых признаков были хорошо известны биологам века. Так, например, в конце XVIII века на одной из ферм Новой Англии (в штате Массачусетс) на свет появился ягненок с короткими кривыми ногами. Он вырос в здорового барана и принес потомство, похожее на него. Так было положено начало анконовой породе овец. Их было удобно и легко разводить, поскольку коротконогие овцы не могли перепрыгивать через короткие изгороди. Однако Дарвин считал, что подобные мутации не могут быть движущей силой эволюции, поскольку организм особи подвергается слишком значительным изменениям, в результате чего на свет появляются весьма странные существа, зачастую не способные выжить в дикой природе. Чтобы его теория заработала, Дарвину необходимо было найти источник менее значительных наследуемых изменений, вызывающих «малые наследственные модификации». Ученому так и не удалось решить эту задачу. К слову, в поздних изданиях «Происхождения видов» он даже обращался к некоторым аспектам эволюционной теории Ламарка, в частности, чтобы сформулировать идею о наследуемых малых модификациях.

Частично тайна загадки, которую никак не мог разгадать Дарвин, была раскрыта еще при его жизни. Это удалось австрийскому монаху и ботанику Грегору Менделю, о котором мы уже говорили в главе 2. Эксперименты Менделя, проведенные на горохе, показали, что незначительные модификации формы горошин или цвета лепестков растения наследовались стабильно и прочно. Это означает, что модифицированные признаки не смешивались, а, наоборот, передавались из поколения в поколение, иногда, правда, пропуская одно или два из них, если признак был рецессивным, а не доминантным. Мендель предположил, что дискретные наследственные «факторы», которые мы называем генами, кодируют биологические признаки и являются источниками биологических вариаций. Итак, половое размножение следует сравнивать скорее не со смешиванием различных оттенков, а со смешиванием бусин различных цветов и форм, наполняющих два горшочка. В каждом поколении перемешивается половина бусин из одного горшочка с половиной бусин из второго. Важно то, что даже через тысячи поколений каждая отдельная бусинка сохраняет свой изначальный цвет, то есть признаки могут передаваться без изменений на протяжении сотен или даже тысяч поколений. Таким образом, гены являются постоянным источником вариаций, опираясь на которые и действует механизм естественного отбора.

Научные результаты Менделя были проигнорированы его современниками, а после его смерти и вовсе забыты. Насколько известно, Дарвин не был знаком с теорией Менделя о «наследственных факторах» и скрывавшемся в данной теории ключом к разгадке тайны смешивания признаков. Проблема с поисками источника наследственных изменений, управляющих эволюцией, привела к тому, что к концу XIX века и теория эволюции Дарвина заметно сдала свои позиции в науке. Но в начале XX века об идеях Менделя вспомнили ученые-ботаники, занимавшиеся скрещиванием растений и открывшие законы, управляющие наследованием изменений. Как и подобает настоящим ученым в случае, когда они считают, что открыли что-то новое, они просмотрели имеющуюся литературу перед тем, как публиковать результаты своей работы. Каково же было их удивление, когда они обнаружили, что открытые ими законы наследственности были описаны Менделем за несколько десятилетий до этого.

Повторное открытие менделевских факторов, получивших название «гены», подвело ученых и к разгадке тайны смешения признаков, которую так и не смог раскрыть Дарвин. И все же ученые не сразу решили проблему поиска источника генетических изменений, управляющих длительным процессом эволюции, поскольку предполагалось, что гены наследуются без изменений. Естественный отбор может перемешать бусинки-гены в каждом следующем поколении, однако не в силах создать новые бусинки. Выход из сложившейся тупиковой ситуации обнаружил один из ботаников, вернувших генетику Менделя из забвения. Хуго де Фриз шел по картофельному полю и заметил растения ослинника Ламарка (Oenothera lamarckiana) непривычной разновидности – выше обычного, с овальной формой лепестков (как правило, у ослинника лепестки имеют форму сердца). Он отметил, что данное растение является «мутантом», и, что еще важнее, показал, что мутация наблюдается и у следующего поколения растений, то есть наследуется.

Генетик Томас Хант Морган познакомился с работами де Фриза, посвященными мутациям, в начале 1900-х годов в Колумбийском университете, где проводил эксперименты с плодовыми дрозофилами. Команда ученых под его руководством подвергала дрозофил воздействию сильных кислот, рентгеновского излучения и токсинов с целью создать мушек-мутантов. Наконец в 1909 году из куколки появилась мушка с белыми глазами. Ученым удалось доказать, что, как и в случае со странной формой лепестков ослинника, которую заметил де Фриз, мутировавший признак мушки передавался по наследству, как и любой менделевский ген.

Синтез теории естественного отбора Дарвина, генетики Менделя и теории мутации привел к тому, что в науке сложилась новая синтетическая теория эволюции, или неодарвинизм. Мутация понималась как конечный источник наследуемых генетических изменений, которые в основном имели небольшое воздействие и иногда были абсолютно безвредными, а в некоторых случаях даже полезными – мутировавшее потомство оказывалось более приспособленным к условиям окружающей среды, чем родители. Затем в игру вступает естественный отбор, отсеивающий менее приспособленных мутантов из популяции, способствуя выживанию и размножению сильнейших. В конце концов, приспособленные к условиям жизни мутанты становятся нормой для данного вида, и эволюция идет «путем сохранения и кумулирования малых наследственных модификаций».

Одним из ключевых аспектов синтетической теории эволюции является принцип, согласно которому мутации случайны: вариация в геноме не возникает как ответ на эволюционные изменения. Так, при изменении условий окружающей среды вид не развивает мутационный признак – он должен дождаться необходимой мутации, которая возникает случайно и помогает последующим поколениям приспособиться к изменениям. Это противоречит представлениям Ламарка об эволюции, согласно которым наследуемая адаптация вида (например, длинная шея у жирафа) возникает как реакция на вызов со стороны изменяющейся окружающей среды и, соответственно, приобретается всеми последующими поколениями.

В начале XX века ученым еще не было известно, происходят наследуемые мутации случайно, как предполагали неодарвинисты, или возникают как ответ на изменения окружающей среды, как утверждали сторонники идей Ламарка. Напомним, что Морган подвергал дрозофил воздействию токсичных веществ и излучения, чтобы добиться мутаций. Возможно, в ответ на этот «вызов» окружающей среды у дрозофил возникли новые мутации, которые помогли им справиться с тяжелыми испытаниями. Как и жирафы Ламарка, они, метафорично выражаясь, вытянули свои шеи, а затем передали этот адаптивный признак своим потомкам в виде наследуемой мутации.

В 1943 году Сальвадор Лурия, научный руководитель Джеймса Уотсона, и Макс Дельбрюк поставили серию экспериментов, ставших классикой генетики. Одной из целей экспериментов была проверка конкурирующих теорий. К тому времени дрозофилы уступили место бактериям, которые наилучшим образом подходили на роль подопытных организмов в эволюционных исследованиях благодаря легкости их выведения в лаборатории и краткой продолжительности генерации. Ученым было известно, что бактерии можно поражать вирусами, однако, если это делать регулярно, бактерии довольно быстро вырабатывают устойчивость к вирусам благодаря мутациям. Эти условия идеально подходили для проверки конкурирующих теорий – неодарвинизма и теории мутаций Ламарка. Лурия и Дельбрюк хотели проверить, способны бактерии-мутанты противостоять вирусной инфекции, уже существовавшей в популяции (согласно идеям неодарвинизма), или они возникают как ответ на вызов окружающей среды, в данном случае на воздействие вируса (согласно идеям ламаркизма). Ученые обнаружили, что мутации в популяции возникают одинаково регулярно независимо от наличия вируса или его отсутствия. Иными словами, регулярность мутаций не зависела от селективного давления окружающей среды. Именно за эти эксперименты Лурия и Дельбрюк были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине за 1969 год, а сформулированный ими принцип случайного возникновения мутаций стал ключевым аспектом современной эволюционной биологии.

Но даже тогда, в 1943 году, когда Лурия и Дельбрюк проводили свои эксперименты, ученым все еще не было известно, из чего состоят гены-бусинки и благодаря каким физическим механизмам возникает мутация – превращение одной бусинки в другую. Ситуация прояснилась в 1953 году, когда Уотсон и Крик открыли двойную спираль. Было показано, что гены-бусины строятся на основе материала ДНК. Принцип случайного возникновения мутаций лишний раз подтвердился: излучение и мутагенные вещества повреждают молекулу ДНК на случайно выбранном участке цепи, вызывая мутации случайных генов, независимо от того, кодируют ли они признаки, важные для выживания вида в условиях конкретных изменений окружающей среды.

Во второй статье, посвященной структуре ДНК [4], Уотсон и Крик высказали предположение о том, что процесс таутомеризации, подразумевающей движение протонов внутри молекулы в определенном порядке, возможно, является причиной мутаций. Мы уверены, что, дойдя до этого места в книге, наши читатели прекрасно понимают, что любой процесс, подразумевающий движение элементарных частиц, например протонов, относится к квантово-механическим процессам. Значит ли это, что Шредингер был прав? Действительно ли мутации являются своего рода квантовым скачком?