Глава 20
Тайны жизни
Плоскомирское толкование видения, явившегося Дарвину, может весьма отличаться от того, что нам любят рассказывать специалисты по истории науки Круглого мира. Но оба варианта сойдутся в одной точке, если волшебникам удастся победить Аудиторов – а значит, мы пока можем заострить внимание на последствиях данного схождения. Как бы то ни было, две версии истории Дарвина имеют общие черты – среди них и обезьяны, и жуки, и осы-наездники. Размышляя об этих и многих других организмах – но больше всего, конечно, о тех заковыристых морских уточках, – Дарвин и пришел к своему великому обобщению идей.
Сейчас не осталось ни одного раздела биологии, на которую не повлияло бы открытие эволюции. Доказательства того, что современные виды эволюционировали из других и этот процесс продолжается до сих пор, более чем убедительны. Лишь немногие области современной биологии могли бы иметь смысл без всеохватывающего понятия эволюции. Если бы Дарвин заново родился в нашем времени, то среди общепринятых научных знаний узнал бы многие из своих идей – возможно, в несколько перефразированном виде. И одна из этих идей – это принцип естественного отбора. А еще он заметил бы споры и даже, может быть, разногласия насчет основных положений его учения. Не насчет того, действительно ли происходит естественный отбор или действительно ли он является движущей силой эволюции, а является ли он ее единственной движущей силой.
Кроме того, Дарвин обнаружил бы много новых деталей, заполняющих некоторые пробелы в его теориях. Самая важная и перспективная из них – это ДНК, магическая молекула, содержащая генетическую «информацию», или физическую форму наследственности. Дарвин был убежден, что организмы могли передавать свои особенности потомкам, но не имел понятия, каким образом они это делали и какую физическую форму эти особенности принимали. Сегодня и роль генов, и их химическая структура стали для нас такими привычными, что любое обсуждение эволюции сосредотачивается, в первую очередь, вокруг химии ДНК. Роль естественного отбора и даже роль организмов понизились в ранге, что позволило молекуле ДНК одержать над ними верх.
Мы же хотим убедить вас, что это не продлится вечно.
Эволюция путем естественного отбора, бывшая огромным прорывом, когда Дарвин и Уоллес приковали к ней внимание общества, сегодня воспринимается учеными разных мастей и большинством обывателей, живущих за пределами Библейского пояса США, как «очевидное» явление. Это единство отчасти возникло благодаря тому, что биология зачастую воспринимается «легко», а не как настоящая, труднопонимаемая наука вроде химии или физики, и большинство людей считают, будто неплохо в ней разбираются, опираясь на некоторую мешанину из общих сведений. Эта самонадеянность забавным образом проявилась на фестивале науки в Челтнеме в 2001 году, когда Королевский астроном сэр Мартин Рис вместе с двумя другими видными астрономами выступили по теме «Внеземная жизнь».
Доклад получился толковым и интересным, но он не касался настоящей современной биологии. Он основывался на той биологии, которую учат в школах и которая уже лет тридцать считается устаревшей. Это же относится к бóльшей части школьной программы, потому что именно такой срок – по меньшей мере – необходим идеям, чтобы «просочиться» из исследовательских лабораторий в учебные классы. Почти всей «современной математике» уже 150 лет, так что тридцатилетняя биология еще очень даже ничего. Но не годится основывать на ней рассуждения о передовой науке.
Джек, который тогда находился в зале, задал вопрос: «Как бы вы отнеслись, если бы три биолога стали рассуждать о физике черных дыр, расположенных в центре галактики?» Зал зааплодировал, поняв смысл реплики, но ученым, стоявшим на сцене, понадобилась пара минут, чтобы заметить параллель. Затем они, не теряя чувства собственного достоинства, извинились перед собравшимися.
Такое случается сплошь и рядом, потому что эволюция кажется нам такой знакомой, что мы считаем, будто понимаем ее. Остальную часть этого блока мы посвятим представлению среднестатистического человека об эволюции. Тут дело обстоит так.
Когда-то давным-давно был на свете маленький теплый пруд, полный всяких химических веществ, которые, немного поваляв дурака, превратились в амеб. Их потомки размножились (потому что это были хорошие амебы), и у одних стало больше деток (это даже немного забавно…), у других – меньше, а некоторые вовсе изобрели половое размножение, после чего стали веселее проводить время. Поскольку биологическое копирование в те времена было развито слабо, все их потомки отличались друг от друга и имели разные ошибки копирования, мутации.
Почти все мутации были неблагоприятными, плохими – подобно пуле, которая, случайно попав в сложный механизм, вряд ли улучшит его производительность, – но имелись среди них и хорошие. У животных с хорошими мутациями рождалось больше детей, и у них тоже были хорошие мутации – поэтому они плодились и развивались. Их потомки переносили свои хорошие мутации в будущее. Тем не менее плохих мутаций скапливалось гораздо больше, но естественный отбор от них избавлялся. К счастью, хорошие мутации тоже появлялись и придавали новым видам новые особенности (острое зрение, плавники, чешую), которые были полезнее плохих и вытесняли их.
Эти поздние виды оказались рыбами, и одна из них выбралась на землю, отрастив для этого ноги и легкие. От этих первых земноводных произошли пресмыкающиеся – в том числе динозавры (тогда как нерешительные рыбы продолжали бултыхаться в воде миллионы лет, дожидаясь, пока их подадут на тарелке с картошкой). Там же появились мелкие и неприметные млекопитающие, которые выживали, выбираясь по ночам и питаясь яйцами динозавров. Когда те вымерли, млекопитающие стали хозяйничать на планете, а некоторые из них эволюционировали в обезьян, приматов и, наконец, в людей каменного века.
Затем эволюция остановилась: амебы в прудах захотели остаться амебами и не превращаться в рыб, рыбы захотели не становиться динозаврами, а просто жить своими рыбными жизнями, динозавры были уничтожены метеоритом. Обезьяны, увидев, каково это – быть венцом эволюции, теперь просто медленно вымирают – и процветают лишь в зоопарках, где их держат, чтобы показывать нам, какими были наши предки. Люди теперь заняли вершину древа жизни: раз мы совершенны, значит, эволюции некуда больше развиваться – поэтому она и остановилась.
Если на нас слегка надавить, мы выдадим кое-что еще из того, что узнали в основном из газет – о так называемых генах. Они состоят из молекулы ДНК, которая имеет форму двойной спирали и содержит некий код. Он определяет, как создать тот или иной тип организма: ДНК человека содержит информацию, необходимую для создания человека, а ДНК кошки – информацию для создания кошки и так далее. Поскольку спираль эта двойная, ее можно разделить, а отдельные части – скопировать; именно так организмы воспроизводят потомков. ДНК – это молекула жизни, и без нее жизнь не могла бы существовать. Мутации – это ошибки, возникающие в процессе копирования ДНК, – опечатки в сообщениях жизни.
Ваши гены определяют все, что имеет к вам отношение: будете ли вы гомосексуальны или гетеросексуальны, каким заболеваниям будете подвержены, сколько проживете… и даже какие машины будут вам нравиться. Сейчас, когда ученые научились секвенировать геном человека, или последовательность ДНК, нам стала известна вся информация, необходимая для создания человека, – то есть мы знаем все о том, как устроен человек.
Некоторые из нас смогут добавить, что бóльшая часть ДНК не образует гены, а просто составляет «мусор», оставшийся еще с далеких эпох истории нашей эволюции. Этот мусор получает бесплатный билет на воспроизводительные американские горки и выживает благодаря своей «эгоистичности» и безразличности ко всему, кроме самого себя.
На этом наше описание народного взгляда на эволюцию заканчивается. Мы его слегка приукрасили, но не настолько, насколько вам может показаться. Первая его часть – это «ложь для детей» о естественном отборе, а вторая до неловкости близка к идеям «неодарвинизма», которые в последние пятьдесят лет считаются преемственными к «Происхождению видов». Дарвин рассказал нам, что происходит при эволюции, а неодарвинизм – как она происходит, в том числе в ДНК.
Нет никаких сомнений в том, что ДНК имеет большое значение для жизни на Земле. На деле же новые открытия, меняющие наше представление об эволюции, генетике, росте и многообразии живых существ, совершаются каждый месяц. Это тема настолько обширна, что мы здесь можем разве что показать несколько важных открытий и объяснить, в чем заключается их важность.
Подобно тому, как Эйнштейн заменил Ньютона в физике, в основных положениях биологии тоже состоялась большая революция, и у нас сложилось другое, более универсальное представление о движущей силе эволюции. Если «народ» считает: «У меня появилась новая мутация. Я стал новым организмом. Принесет ли это мне пользу?», то современные биологи рассуждают иначе.
Наша народная история эволюции испещрена ошибками. На самом деле мы умышленно составили ее таким образом, чтобы каждая отдельная деталь содержала ошибку. Тем не менее она не сильно отличается от множества научно-популярных книг и телевизионных передач. Она предполагает, что современные простейшие животные приходятся нам предками – в то время как на самом деле они наши двоюродные братья. А также что мы «произошли» от обезьян, хотя обезьяноподобный предок человека был тем же существом, что и человекоподобный предок современной обезьяны. И еще серьезнее в ней подразумевается, что мутации генетического материала, изменения, на которые должен влиять естественный отбор, – а именно те, среди которых и происходит отбор, – либо оцениваются сразу же по появлении и помечаются ярлыком «плохо» (тогда организм вымирает либо не оставляет потомства) или «хорошо» (организм оставляет потомство после себя).
До начала 1960-х большинство биологов тоже так полагало. А в 1950-х двое известных ученых Дж. Б. С. Холдейн и сэр Рональд Фишер написали важные статьи, в которых и изложили эти взгляды. Они считали, что из популяции в 1000 особей лишь треть продолжателей может «потеряться» из-за плохих генов или быть вытеснена организмами с лучшими их вариантами, не приведя к вымиранию этой популяции. Они подсчитали, что лишь десять генов могу иметь варианты (так называемые «аллели»), количество которых возрастало или уменьшалось пропорционально размеру популяции. Вероятно, таким образом могло изменяться и двадцать генов, если они по своей «приспособленности» не отличались от обычных аллелей. Такое представление о популяции подразумевало, что практически все особи того или иного вида обладают почти одинаковым набором генов – кроме нескольких носителей хороших аллелей, которые появляются извне и побеждают, и плохих, которые устраняются. Эти исключения и были мутантами, красиво, но глупо изображаемыми в научно-фантастических фильмах.
Как бы то ни было, в начале 1960-х годов группа Ричарда Левонтина пошла новым путем исследования генетики диких (да и вообще любых) организмов. Они решили узнать, сколько вариантов общих белков можно обнаружить в крови или клеточных экстрактах. Если существовал только один вариант, то организм получал одинаковые аллели от обоих родителей; для такого случая придуман специальный термин – «гомозиготность». Если два варианта – по одному от каждого родителя, это называется «гетерозиготностью».
То, что они обнаружили, никак не вписывалось в картину Фишера – Холдейна.
Они выяснили – и это позже многократно подтвердилось в тысячах диких популяций, – что у большинства организмов около 10 % генов являются гетерозиготными. Сейчас благодаря проекту «Геном человека» мы знаем, что имеем около 34 000 генов. Значит, гетерозиготны примерно из них 3400, а не десять, как предполагали Холдейн и Фишер.
Более того, если взять образцы разных организмов, то окажется, что около трети всех генов имеют различные аллели. Некоторые из них встречаются редко, но немало и таких, которые присутствуют более чем у 1 % популяции.
Истинная картина генной структуры популяций никоим образом не может быть согласована с классическим представлением популяционной генетики. Естественный отбор почти всегда должен распознавать различные комбинации древних мутаций. Дело не в появлении новых мутаций, которые сразу же проходят через отбор, – они обычно задерживаются на миллионы лет до тех пор, пока естественный отбор не обращает на это внимания и не выбрасывает их.
Сейчас, оглядываясь на прошлое, кажется очевидным, что все современные породы собак были «доступными» и для первых одомашненных волков – в том смысле, что необходимые аллели уже тогда существовали где-то в их популяции. У современных собак просто не было столько времени, чтобы накопить все необходимые мутации. Дарвин знал и о множестве загадочных и очевидных вариаций голубей. Но его последователи, шедшие по горячим следам молекулярных основ жизни, упустили волков и голубей из виду. И даже почти забыли о клетках. ДНК оказалась довольно сложной: клеточную биологию, казалось, невозможно понять, что уж говорить о самих организмах…
Для нашего представления о наследственности и эволюции открытие Левонтина стало знаменательным переломным моментом. Оно было как минимум столь же разительным, что и гораздо более растиражированная революция, заменившая ньютонову физику эйнштейновой, и, возможно, даже имело большее значение. Мы скоро увидим, что за последний год или около того был проведен еще один, даже более разительный пересмотр нашего представления об управлении клеточной биологией и развитием генов. Все учение о ДНК, матричной РНК и белках подверглось проверке на соответствие действительности, и внутренние «аудиторы» от науки признали его таким же древним, как популяционная генетика Фишера.
Сегодня принято считать – не только среднестатистическим продюсером получасовой научно-популярной телепередачи, но и большинством авторов научно-популярных книг, – что ДНК, «тайна жизни», эволюция и ее механизмы стали для нас открытой книгой. Вскоре после открытия структуры и механизма репликации ДНК Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком в конце 1950-х массмедиа – равно как и учебники по биологии всех уровней – начала именовать ее «чертежом жизни». Многие книги 1970-х во главе с «Эгоистичным геном» Докинза поддерживали мнение, что мы, поняв механизм наследственности, нашли ключ ко всем важным загадкам биологии и медицины – и особенно к эволюции.
Вскоре применение этого ошибочного взгляда в медицине привело к крупной трагедии. Седативное средство под названием талидомид стало все чаще выписываться и отпускаться без рецепта как средство от тошноты и прочих мелких недомоганий в ранние месяцы беременности. Лишь спустя некоторое время стало известно, что в редких случаях он вызывает порок развития, известный как фокомелия – когда руки и ноги новорожденного оказываются недоразвитыми и напоминают тюленьи ласты.
Для того чтобы заметить это, потребовалось некоторое время – отчасти по той причине, что до 1957 года с фокомелией на практике сталкивались лишь немногие врачи. Более того, редко кто вообще ее видел, но с 1957-го она стала встречаться по два-три раза в год. Вторая причина заключалась в том, что связать этот порок с каким-либо лекарством или микстурой было крайне трудно: беременные женщины, как известно, принимают множество различных диетических добавок к пище и зачастую не запоминают, что именно они принимали. Тем не менее к 1961 году благодаря некоторому медицинскому расследованию этот всплеск фокомелии удалось увязать с талидомидом.
Американские врачи принялись поздравлять друг друга с искоренением данной патологии благодаря Фрэнсис Келси, медицинской сотруднице Управления по контролю качества пищевых продуктов и лекарственных средств, у которой возникли опасения при тестировании лекарства на животных. В итоге они не подтвердились, но все же избавили американцев от больших страданий. Она заметила, что это лекарство не тестировалось на беременных животных, так как в то время не существовало таких требований. Все знали, что эмбрион развивается по собственному сценарию отдельно от матери. Но эмбриологи, которые обучались на кафедре биологии, в отличие от медиков были знакомы с работами Сесила Стокарда, Эдварда Конклина и других эмбриологов 1920-х. Из них следовало, что многие распространенные вещества могли вызывать чудовищные пороки развития. Соли лития, примененные на эмбрионах рыб, к примеру, легко приводили к циклопии, то есть развитию единственного глаза посередине. Эти альтернативные варианты, вызванные химическими изменениями, принесли нам немало знаний о биологическом развитии организмов и особенностях управления им.
Они также научили нас тому, что развитие организма не строго определено ДНК своих клеток. Внешние неблагоприятные факторы могут направить ход развития по патологическому пути. Кроме того, генетика организмов, в том числе диких, обычно устроена таким образом, что «нормальное» развитие происходит, несмотря на изменения в некоторых генах. Это так называемое «канализированное» развитие имеет большое значение для процессов эволюции, из-за постоянных перепадов температуры, химического дисбаланса, паразитических бактерий и вирусов; растущий организм должен быть «огражден» от этих вариаций. Пути развития должны быть гибкими, чтобы «такие же» хорошо приспособленные создания происходили на свет, независимо от поведения окружающей среды. По крайней мере, в допустимых пределах.
Существует множество тактик и стратегий развития, которые помогают это исполнить. Они варьируются от простых уловок вроде белков HSP90 до весьма хитрых различающихся признаков млекопитающих.
HSP – это «белки теплового шока» («heat shock protein»). Существует около 30 таких белков, и они производятся в большинстве клеток в ответ на внезапные, но не очень значительные перепады температуры. В ответ на другие потрясения производятся другие белки. Но HSP90 называется так потому, что находится в более длинном списке клеточных белков. Как и большинство HSP, он является шаперонином – его задача состоит в том, чтобы окружать другие белки во время их создания, чтобы длинные цепочки аминокислот сворачивались, образуя «правильную» форму. HSP90 справляется с этим очень хорошо – даже в тех случаях, когда ген, кодирующий этот белок, накопил много мутаций. Тогда организм их не «замечает», обладает «нормальным» белком, а его внешний вид и поведение ровно такие же, что и у его предков.
Однако если во время развития наступает тепловой шок или другая критическая ситуация, HSP90 выходит из своей роли шаперонина и другие, менее мощные шаперонины, позволяют мутационным изменениям проявиться у большинства потомков. Для эволюции это означает сохранение организмов без изменений до тех пор, пока он не испытает резкое давление внешней среды – тогда в нем внезапно, за одно поколение, проявятся многие из скрытых ранее, но передаваемых по наследству изменений.
Большинство книг, описывающих эволюцию, похоже, признают, что окружающая среда сразу же оценивает каждую мутацию, определяя, хорошая она или плохая… но одна маленькая уловка, HSP90, присутствующая у большинства животных и многих бактерий, превращает это утверждение в бессмыслицу. А из открытия Левонтина, который показал, что треть генов имеет распространенные варианты в диких популяциях и что ими обладают все организмы, ясно, что древние мутации непрерывно тестируются в различных современных комбинациях, тогда как потенциальные эффекты от более недавних скрываются HSP90 и ему подобными белками.
Уловка, к которой прибегают млекопитающие, оказывается гораздо сложнее и имеет значительные последствия. Приняв более новую и более управляемую стратегию развития, они перестроили свои гены и избавились от многих генетических сложностей, на которые полагались их предки-земноводные.
Большинство лягушек и рыб, чьи яйца во время эмбрионального периода обычно испытывают огромные изменения среды и перепады температуры, заботятся о том, чтобы на свет появлялись «такие же», как они, головастики, которые вырастают в «таких же» взрослых особей. Представьте лягушачью икринку в замерзшем английском пруду, который в течение дня нагревается до 35°C, когда зародыш находится в ранней хрупкой стадии развития; затем испытывать те же перепады приходится и едва вылупившимся головастикам. И представьте, наконец, лягушек, которыми становится лишь малая их часть.
Скорость большинства химических реакций, в том числе многих биохимических, изменяется в зависимости от температуры. Для превращения икринки в лягушку необходимо, чтобы все процессы ее развития были подогнаны друг к другу, и критическое значение при этом имеет выбор подходящего времени. Так как же происходит развитие лягушки, если среда изменяется столь часто и быстро?
Ответ таков, что геном лягушки «содержит» много аварийных планов на случай различных сценариев поведения внешней среды. Существует много разных ферментов и других белков, необходимых для ее развития. Все они вводятся в икринку, пока та находится в яичнике лягушки-матери. Каждый из них имеет, вероятно, с десяток вариантов, предназначенных для различных температур (быстрые ферменты для низких температур, медленные – для высоких, для того чтобы продолжительность развития была более-менее одинаковой), а также «ярлыки», помечающие их группы, чтобы эмбрион мог выбрать тот, который ему нужен в зависимости от температуры. Животные, чье развитие должно быть таким образом ограждено от неблагоприятного воздействия, используют значительную часть своей генетической программы, чтобы составлять аварийные планы для многих других вариаций – в дополнение к перепадам температуры.
Млекопитающие предусмотрительно избежали всей этой ерунды благодаря тому, что их самки, став «теплокровными», научились сами регулировать свою температуру. Но здесь учитывается не теплота крови, а система, которая поддерживает постоянство ее температуры. Прекрасно управляемая матка оберегает зародыш от любых воздействий – даже от ядов и хищников. Вероятно, принятие такой стратегии обходится для программирования ДНК гораздо «дешевле».
Эта уловка, развитая млекопитающими, содержит важное сообщение. Вопрос о количестве информации, которая передается из поколений в поколения в чертеже ДНК, часто поднимается в учебниках и сложных руководствах по исследованиям. Но, задаваясь им, мы не улавливаем сути. То, как гены и белки используются в том или ином организме, гораздо важнее и интереснее, чем то, сколько их там содержится. ДНК двоякодышащих рыб, некоторых саламандр и даже амеб более чем в пятьдесят раз длиннее, чем ДНК млекопитающих. Означает ли это, что они сложнее нас?
Вовсе нет.
Такие уловки, как HSP90, и стратегии вроде теплокровности и внутриутробного развития плода говорят о том, что подсчет количества «информации», содержащейся в ДНК, попросту неуместен. Здесь нужно смотреть не на ее размер, а на значение. Оно зависит от контекста и от содержания: нельзя регулировать температуру матки, если это не предусмотрено контекстом.
Для наивного взгляда на «мутации», сочетающегося с модными трактовками функций ДНК с точки зрения «информационной теории», часто бывает характерно неведение в биологии и других научных областях. Мы приведем в пример радиационную биологию и простую экологию с позиции «активистов охраны окружающей среды». Эти добровольцы обнаружили пятиногих лягушек и прочих «чудовищ». Случилось это с подветренной стороны от Чернобыля спустя несколько лет после ядерной катастрофы, но уровень радиации все равно был достаточно высоким. Они утверждали, что эти чудовища – мутанты, появившиеся в результате радиации. Однако другие работники нашли таких же предположительных мутантов с наветренной стороны от реактора.
Как выяснилось, истинное объяснение не имело к лягушкам-мутантам никакого отношения. Дело было в отсутствии обычных хищников – сов, ястребов и змей, которые покинули те места с появлением людей. У чернобыльских головастиков Rana palustris уже не встречалось таких патологий, как у других особей, обитавших в водоемах в десятках километров оттуда, на территории, не подвергавшейся радиации, – при этом выжить удалось высокому проценту и тех и других. Головастикам британских Rana temporaria едва удается превратиться во взрослых особей хотя бы в 10 % – даже тем, что развиваются в лабораторных условиях; однако они не отращивают лишние конечности, как palustris. Разумеется, самка лягушки за свою жизнь обычно производит около 10 000 икринок, из которых в результате тщательнейшего отбора, как правило, вырастают две особи, продолжающие род. Но при всех этих смертях сторонники охраны окружающей среды не задумываются обо всей этой репродуктивной арифметике.
Вот еще один пример из литературы о талидомиде, который показывает, насколько далеко от истины наше представление о ламаркизме или «мутациях».
Некоторые из детей, подвергшихся воздействию талидомида, вступили в браки, и у части этих пар родились дети с фокомелией. С народной точки зрения кажется очевидным, что ДНК первого поколения изменилось и вызвало такой эффект в следующем. На первый взгляд этот эффект напоминает, по сути, ламаркизм – наследственность приобретенных признаков. Более того, он кажется классической демонстрацией такой наследственности, столь же убедительной, что и бесхвостые щенки, родившиеся у терьеров с купированными хвостами. Однако на самом деле это учит нас не пытаться объяснять все по первому впечатлению, как в случае с аномальными лягушками.
Хотя это очень хочется сделать, если ваше представление о наследственности подразумевает, будто один ген отвечает за один признак и раз вы приобрели признак, значит, появился и ген, и наоборот. Данные из эпидемиологической литературы показывают, что за несколько лет в конце 1950-х и начале 1960-х талидомид принимало 4 миллиона женщин, пребывавших в критическом периоде беременности. Среди них пострадало порядка 15 000–18 000 плодов, 12 000 родилось с отклонениями и 8000 дожили до года. Иными словами, естественный путь развития выбирал лишь 1 из 500 для проявления неблагоприятного эффекта. Доля детей, рожденных без видимых отклонений, была намного выше. И этот факт меняет наше мнение относительно вероятной причины проявления фокомелии у детей, оба родителя которых подвергались воздействию талидомида.
Конрад Уоддингтон описал феномен, известный как «генетическая ассимиляция». Взяв генетически разнородную популяцию диких плодовых мушек, он обнаружил, что примерно одна из 15 000 куколок, нагреваясь, производит на свет муху без поперечных прожилок на крыльях. Эти «беспоперечножильные» мухи внешне не отличались от некоторых редких мух-мутантов, которые изредка, но встречаются в природных условиях – равно как и дети с фокомелией, которые рождались и до распространения талидомида. Путем скрещивания мух, отвечавших на внешние воздействия, Уоддингтон вывел мух с меньшим порогом чувствительности. За несколько десятков поколений он вывел мух, которые неизменно передавали этот признак без нагревания куколок. Это напоминало ламаркианскую наследственность – но не было ею. Это была генетическая ассимиляция. Он экспериментальным путем вывел мух без поперечных прожилок при снижающемся пороге чувствительности. В конечном итоге такие мухи стали появляться при «нормальной» температуре.
Аналогичным образом генетическая ассимиляция объясняет появление детей с фокомелией у родителей, подверженных воздействию талидомида, гораздо лучше, чем ламаркизм. Из тех 4 миллионов плодов мы вывели тех, кто отвечает на талидомид проявлением фокомелии. Неудивительно, что когда они женились между собой, их потомство имело очень низкий порог – он был даже ниже нуля. Они оказались настолько склонны к фокомелии, что та проявлялась без применения талидомида – как у мух Уоддингтона, поперечные прожилки отсутствовали даже без нагрева куколок.
Одним из вопросов, наиболее волновавших Дарвина, было существование ос-наездников. Этот факт сыграл роль в нашей истории о Плоском мире, но в научном комментарии до сих пор оставался без внимания. Осы-наездники откладывают яйца в личинках других насекомых, и, вылупившись, их личинки питаются своими хозяевами. Дарвин мог понять, каким образом эволюция к такому привела, но это казалось ему достаточно безнравственным. Он знал, что осы не имеют чувства морали, но воспринимал это как некий порок со стороны их творца. Если Господь создавал каждый вид на Земле для особой цели – во что в те времена верило большинство людей, – значит, он преднамеренно создал ос-наездников для поедания других насекомых, так же созданных Богом. Очевидно, для того чтобы быть съеденными.
Дарвин восхищался этими осами с тех пор, как впервые столкнулся с ними в заливе Ботафого в Бразилии. В итоге он убедил себя – но не своих последователей, – в том, что Бог посчитал существование ос-наездников необходимым условием для появления человека. Именно на это утверждение ссылается Думминг в конце десятой главы. Это объяснение, как и все теистические толкования, впало в немилость в среде биологов. Осы-наездники существуют по той причине, что им есть на ком паразитировать, – почему бы тогда им не существовать? И в самом деле они играют важную роль в контроле численности популяций многих других насекомых: примерно треть насекомых, которых люди привыкли обзывать «вредителями», сдерживается именно благодаря осам. Возможно, они и были созданы для появления человека… Как бы то ни было, осы, так озадачившие Дарвина, все еще могут нам что-нибудь рассказать – и последнее открытие, связанное с ними, грозит перевернуть кое-какие дорогие нам убеждения.
Точнее, это открытие, связанное не с осами, а с вирусами, которые их заражают… или живут с ними в симбиозе. Называются они поли-ДНК-вирусами.
Когда оса-мать откладывает яйца в какую-нибудь ничего не подозревающую личинку, например в гусеницу, она также оставляет в ней солидную порцию вирусов, среди которых и присутствуют эти самые поли-ДНК-вирусы. Гусенице достается не только паразит, но и инфекция. Вирусные гены производят белки, которые вступают в конфликт с иммунной системой гусеницы, не позволяя ей реагировать на паразита и, возможно, отторгая ее. Так личинка осы спокойно себе грызет гусеницу и, когда приходит ее время, превращается во взрослую осу.
Таким образом, каждой уважающей себя взрослой особи осы-наездника необходимо иметь собственный комплект поли-ДНК-вирусов. Откуда он у нее берется? Из гусеницы, которой она питается. И оса получает их (точно, как и ее мать), но не как отдельный заразный «организм», а в качестве так называемого провируса – последовательности ДНК, включенной в геном самой осы.
Многие геномы – даже большинство, а то и вообще все, – включают различные части вирусов. Даже в нашем они есть. Вероятно, передача ДНК с помощью вирусов была важной чертой эволюции.
В 2004 году Эрик Эспань со своей группой определили цепочку ДНК поли-ДНК-вируса и обнаружили, что она удивительным образом отличается от всего, что они ожидали в ней увидеть. Обычно вирусные геномы сильно отличаются от геномов эукариотов – организмов, чьи клетки имеют ядра (сюда относится большинство многоклеточных организмов и многие одноклеточные, за исключением бактерий). Цепочки ДНК большинства эукариотов состоят из «экзонов», то есть коротких последовательностей, в совокупности кодирующих белки и разделенных другими последовательностями, интронами, которые выпадают из кода, когда тот превращается в соответствующий белок. Вирусные гены сравнительно просты и как правило не содержат интронов. Они состоят из связанных между собой кодовых последовательностей, определяющих белки. Геном поли-ДНК-вируса, напротив, содержит интроны – причем немало. Он довольно сложен, и намного больше похож на геном эукариота, чем на геном вируса. Авторы делают вывод, что геномы поли-ДНК-вируса представляют собой «биологическое оружие, которое осы применяют против своих хозяев». Вот почему они больше напоминают геном своего врага, чем геном обычного вируса.
Многочисленные примеры – и старые, и новые – полностью опровергают народное представление об эволюции и ДНК. Мы завершим главу еще одним весьма важным примером. Он был открыт совсем недавно, и его значимость только сейчас начинает осознаваться всем биологическим сообществом. Пожалуй, этот случай стал самым серьезным потрясением, который клеточная биология испытывала со времен открытия ДНК и поразительной «центральной догмы», согласно которой ДНК определяет матричную РНК, а та, в свою очередь, – структуру белков. Открытие не было сделано в ходе какой-то крупной, широко освещаемой исследовательской программы наподобие проекта «Геном человека». Его совершил человек, которому стало интересно, почему у его петуний появились полоски. Когда весь мир был увлечен расшифровкой генома человека, получить грант на изучение полосатых петуний было задачей не из легких. Но то, что обнаружилось в петуниях, пожалуй, оказалось куда более важным для медицины, чем все, что мог принести проект «Геном человека», вместе взятое.
Поскольку белки являются структурой живых созданий и поскольку жизненные процессы контролируются ферментами, становится вполне очевидным, что ДНК контролирует саму жизнь, а мы можем «составить схемы» кодов ДНК, соответствующих всем жизненно важным функциям. Мы можем определить, что делает каждый белок, а значит, и предположить, что ДНК, кодирующая белок, отвечает и за его функцию. Ранние книги Докинза укрепили идею одного гена, одного белка, одной функции (хотя он осторожно предупредил читателей, что не хотел создать такого впечатления), побудив массмедиа придумывать различные преувеличения – например называть геном человека Книгой Жизни. А его образ «эгоистичного гена» сумел убедить в том, что огромные фрагменты генома существовали лишь по сугубо эгоистичным причинам – то есть никоим образом не были связаны с самим организмом.
Все биологи, занятые в биотехнологической промышленности – а сегодня таких очень много, – обслуживающей сельское хозяйство, фармацевтику, медицину и некоторые инженерные проекты (мы говорим не только о «генной инженерии», но и об улучшении качеств моторного масла), солидарны с центральной догмой – имея лишь мелкие дополнения и исключения. Им всем известно, что вся ДНК в геноме человека – это «мусор», не имеющий отношения к белкам, и что даже при том, что какая-либо его часть может иметь значение для процессов развития или управления «настоящими» генами, на самом деле они не стоят внимания.
Однако следует признать, что значительная часть мусора в ДНК все же транскрибируется в РНК, но это лишь короткие фрагменты, которые недолго содержатся в клеточной жидкости и не требуют учета при действиях с важными процессами синтеза белков с настоящими генами. Вспомните, цепочки ДНК настоящих генов состоят из мозаик «экзонов», кодирующих белки и разделенных другими последовательностями – интронами. Последние должны быть исключены из копий РНК – тогда получаются «настоящие» цепочки, кодирующие белки, называемые матричными РНК, которые вплетаются в рибосомы подобно ленте в кассетном проигрывателе. Матричные РНК определяют тип синтезируемых белков, а на ее концах находятся последовательности, помечающие их для создания множества копий белка или же его уничтожения после образования пары белковых молекул.
Никто особо не беспокоился о тех исключенных интронах, которые казались фрагментами РНК, бесцельно слоняющимися внутри клетки, пока их не разрушают ферменты. Но сейчас вдруг забеспокоились. Джон Мэттик в номере журнала «Наука Америки» за октябрь 2004 года сообщил, что
Центральная догма удручающе несовершенна в описании молекулярной биологии эукариот. Белки участвуют в экспрессии генов эукариот, однако при этом действует скрытая параллельная система регуляции, состоящая из РНК и прямо воздействующая на ДНК, РНК и белки. Эта невыявленная сигнальная сеть РНК, возможно, позволила людям, например, достичь структурной сложности, благодаря которой мы ушли далеко вперед от одноклеточных организмов.
Все прояснилось благодаря петуниям. В 1990 году Ричард Йоргенсен со своими коллегами пытались вывести их новые разновидности, которые обладали бы более интересными и яркими цветами. Очевидным способом это сделать представлялось внедрение в геном петунии дополнительных копий гена, кодирующего фермент, который отвечал за выработку пигмента. Больше фермента – больше пигмента, правильно?
Да, неправильно.
Меньше фермента?
Нет, не совсем. Лепестки с равномерным окрасом стали полосатыми. На некоторых участках пигмент вырабатывался, в других – нет. Этот эффект оказался таким неожиданным, что ботаники захотели выяснить, почему так происходит. И обнаружили «РНК-интерференцию». Определенные последовательности РНК могут выключать ген, не позволяя ему синтезировать белок. Это характерно для многих организмов. И вообще, чрезвычайно распространенное явление. И оно подразумевает кое-что исключительно важное.
В этой области существует серьезный вопрос, который многократно задавался и столь же часто оставался без внимания. И звучит он так: если интроны (на которые приходится 95 % обычного гена, кодирующего белок) не выполняют биологических функций, почему они там присутствуют? Ими легко пренебречь, назвав пережитками туманного эволюционного прошлого, оказавшихся теперь бесполезными, но оставшихся по той причине, что естественный отбор не избавляется от них, считая безвредными. Даже в этом случае мы можем предположить, что они сохранились благодаря тому, что выполняют какую-то полезную функцию, о которой мы пока не знаем. И это начинает казаться наиболее вероятным объяснением.
Начнем с того, что интроны не такие уж древние. Сейчас выдвигается предположение, что они были включены в геном человека сравнительно недавно. И, вероятно, имеют отношение к подвижным генетическим элементам, известным как интроны II группы – «паразитической» форме ДНК, способной захватывать геномы хозяина и удаляться, когда ДНК преобразуется в РНК. Более того, теперь считается, что они играют роль «сигналов» в управлении генетическими процессами. Интрон может быть короче длинных белковых последовательностей, возникающих при исключении интронов, но короткий сигнал имеет свои преимущества и обладает большими возможностями. По сути, эти интроны могут даже оказаться генетическими «эсэмэсками» в мобильном телефоне жизни. Короткие, дешевые и очень действенные. «Код» на основе РНК, параллельный двойной спирали ДНК, способен прямым образом влиять на деятельность клетки. Последовательность РНК может вести себя как весьма определенный, хорошо различимый сигнал, направляющий молекулы РНК к их целям в РНК или ДНК.
Свидетельства существования такой сигнальной системы вполне вразумительны, но пока не бесспорны. Если такая система существует, то она явно обладает потенциалом для решения многих тайн биологии. Большая загадка человеческого генома состоит в том, как 34 000 генов могут заключать в себе коды для 100 000 белков. Принцип «один ген – один белок» здесь явно неприменим. Скрытая сигнальная система РНК могла бы добиться того, чтобы один ген синтезировал несколько белков в зависимости от содержания сопровождающего сигнала РНК. Другая загадка – это сложность эукариот, особенно после кембрийского взрыва 525 миллионов лет назад, когда многообразие животных внезапно возросло до небывалого уровня и, похоже, было даже больше нынешнего. Вероятно, гипотетическая сигнальная система РНК заработала именно тогда. Как всем известно, геномы человека и шимпанзе удивительно схожи (хотя степень сходства, судя по всему, все-таки менее 98 %, как несколько лет назад сообщалось во множестве источников). Если наши сигналы РНК имеют существенные различия, это может быть одним из способов объяснить, почему люди не так уж сильно похожи на шимпанзе.
Как бы то ни было, очень вероятно, что «мусор» ДНК в человеческом геноме на самом деле таковым вовсе не является. Он может, наоборот, оказаться определяющей частью того, что делает нас людьми.
Этот урок возвращает нас к деловым партнерам ос-наездников – симбиотическим поли-ДНК-вирусам, скрытых внутри осиного ДНК. В них тоже заключено послание, касающееся эволюции человека, и оно весьма странно.
Секвенирование генома, может, и переоценено как ответ на все человеческие болезни, но является прекрасной областью фундаментальной науки. Благодаря секвенаторам стало известно, что осы – не единственные организмы, в геномах которых содержатся фрагменты ДНК-вирусов. На самом деле, они есть у большинства живых существ, включая людей. Геном человека содержит один полный вирусный геном, и называется он ЭРВ-3 (эндогенный ретровирус). Может показаться, что это просто одна из причуд эволюции, но кусок «мусора ДНК», который действительно является мусором… На самом деле без него не было бы и нас. Он играет поистине ключевую роль в предотвращении отторжения плода материнским организмом. Иммунная система матери «должна» распознавать ткани развивающегося ребенка как «чужеродные» и запускать процессы, чтобы от них избавиться. Мы говорим «должна», подразумевая, что это то, что иммунная система обычно делает с чужими тканями.
По-видимому, белок ЭРВ-3 очень напоминает другой – p15E, который приходится частью распространенной защитной системы, используемой вирусами, чтобы не дать хозяину себя убить. Белок p15E не позволяет лимфоцитам, главным клеткам иммунной системы, реагировать на антигены – молекулы, разоблачающие чужеродную природу вируса. На определенном этапе своей эволюции млекопитающие переняли эту защитную систему у вирусов и стали использовать ее, чтобы женская плацента не откликалась на антигены, проявляющие чужеродную природу отца зародыша. Вероятно, исходя из принципа, что его одинаково повесят как за овцу, так и за ягненка, человеческий геном решил украсть целую свинью, то есть весь ретровирусный геном.
Однако когда эволюция вынесла ворованное, она не просто свалила этот геном в первозданном виде в цепочку ДНК человека. Она вставила в него пару интронов, разделив ЭРВ-3 на несколько частей, и тот получился полным, но не связанным воедино. Впрочем, не важно: ферменты легко убирают интроны, когда тот фрагмент ДНК преобразуется в белок. Но никто не знает, зачем эти интроны там нужны. Может быть, они включаются случайно. Или – следуя идее РНК-инференции, – имеют более существенные на то причины. Интроны могут являться важной частью регуляторной генетической системы, «текстовыми сообщениями», позволяющими плаценте применять ЭРВ-3 без риска потерять контроль над вирусом.
Какое бы предназначение ни имели эти интроны, эволюция млекопитающих нашла применение не только теплокровности, но и другим уловкам. Она позволила себе провернуть кражу вирусного генома, чтобы материнская иммунная система не выталкивала ребенка из-за того, что он «пах» отцом. Отсюда мы узнаем, что ДНК не эгоистична. ЭРВ-3 содержится в геноме человека, но не потому, что это скопированный мусор, оставшийся лишь благодаря своей безвредности. Он содержится по той причине, что без него люди – в прямом смысле – не способны выжить и даже не способны воспроизводить себе подобных.
