3. Непостижимая загадка

Настало время отступить от подробностей моей биографии и обратиться к главной проблеме. Даже при беглом взгляде на мир живого заметно его величайшее разнообразие. В зоопарках мы видим множество разнообразных зверей, но это лишь малая частица фауны – животные, близкие по размеру и типу. Однажды у Дж. Б.С. Холдейна спросили, что биологическая наука может сказать о Всевышнем. «Даже не знаю что, – ответил Холдейн, – разве только то, что он безмерно любит жуков». По оценкам ученых, жуков существует не менее 300 тысяч видов, тогда как птиц, например, всего лишь около 10 тысяч. Примем во внимание также все разнообразие растений, не говоря уже о микроорганизмах, таких как дрожжи и бактерии. Кроме того, вспомним и о множестве вымерших видов, среди которых самый яркий пример – динозавры; все ископаемое разнообразие видов по количеству, вероятно, в тысячу раз превышает современное.

Вторая особенность большинства живых существ – их сложность, и в первую очередь высокоорганизованный характер этой сложности. Она так поражала наших предков, что они не могли представить себе, как столь хитроумные и слаженно работающие механизмы могли возникнуть без механика. Живи я на полтора века раньше, я бы наверняка был вынужден согласиться с подобным «аргументом от разумного замысла». Самым основательным и красноречивым его сторонником был преподобный Уильям Пейли, чья книга «Естественная теология, или Свидетельства бытия и признаков Божества, собранные по приметам природы» (Natural Theology – or Evidence of the Existences and Attributes of the Deity Collected from the Appearances of Nature) вышла в 1802 г. Представьте себе, рассуждал он, что вы идете через поле и находите на земле часы в рабочем состоянии. Их облик и поведение можно объяснить лишь тем, что их кто-то сделал. Аналогичным образом, утверждал он, сложный план устройства живых существ вынуждает нас признать, что их тоже создал Механик.

Этот неотразимый довод был вдребезги разбит Чарльзом Дарвином, который полагал, что видимость разумного замысла создается в процессе естественного отбора. Идея была выдвинута одновременно Дарвином и Альфредом Уоллесом, по сути, независимо друг от друга. Статьи обоих были представлены на чтениях в Линнеевском обществе 1 июля 1858 г., но не вызвали тогда сколько-нибудь заметной реакции. Президент общества в обзоре итогов года вообще написал, что прошедший год не ознаменовался примечательными открытиями. Дарвин изложил свои мысли в «сокращенной» версии (он планировал куда более пространный труд), озаглавленной «Происхождение видов». Книга вышла в 1859 г., немедленно выдержала несколько переизданий и безусловно произвела фурор. Неудивительно, поскольку в наши дни очевидно, что она выявила основную составляющую «тайны живого». Не хватало лишь законов генетики, которые впервые откроет Грегор Мендель в 1860-е гг., и ее молекулярных основ, которые будут открыты в нашем столетии, чтобы тайна предстала перед нами во всей ослепительной наготе. Тем более поразительно, что огромное большинство людей в наши дни не имеет обо всем этом представления. А из тех, кто имеет, многие (включая Рональда Рейгана) считают, что там есть какой-то подвох. Удивительно, сколько высокообразованных людей равнодушны к этим открытиям, а довольно громогласное меньшинство в западном обществе активно выступает против эволюционных идей.

Вернемся к естественному отбору. Вероятно, первый пункт, который необходимо понять, – что сложный организм или даже сложная часть организма, например глаз, не возникли за один эволюционный шаг. Скорее, они возникли в ходе серии мелких шажков. Насколько мелких – не всегда ясно с первого взгляда, потому что ростом организма управляет сложная программа, записанная в его генах. Иногда маленькое изменение в ключевом элементе программы может породить достаточно крупное отклонение. Например, у плодовой мухи-дрозофилы из-за изменения в одном определенном гене могут вырасти ноги на месте усиков.

Каждый шажок вызван случайным изменением в генетической инструкции. Многие из подобных случайных изменений ничего хорошего организму не несут (из-за них он может даже умереть, так и не родившись), но порой определенное удачное изменение может дать определенному организму преимущество при отборе. Это значит, что в конечном итоге организм оставит в среднем больше потомства, чем если бы этого изменения не было. Если это преимущество сохранится у его потомков, то тогда полезная мутация постепенно, через много поколений, распространится по всей популяции. В благоприятном случае каждая особь получит усовершенствованный вариант гена. Старый вариант вымрет. Таким образом, естественный отбор – прекрасный механизм для того, чтобы превращать редкие явления (если точнее, благоприятные редкие явления) в общераспространенные.

Теперь известно – впервые на это указал Р. А. Фишер, – что для функционирования этого механизма нужно, чтобы наследственность была дискретной, как впервые продемонстрировал Мендель, а не «смешивающейся». В модели наследственности как смешения свойства потомства представляют собой просто смесь свойств их родителей. В дискретной модели наследственности гены – носители наследственных признаков – являются дискретными элементами и не смешиваются. Как оказывается, разница существенна.

Например, согласно модели смешения, черное животное, спарившись с белым, обязательно даст детенышей, цвет которых будет смесью черного и белого, то есть каким-либо оттенком серого. И если их самих скрещивать между собой, все последующие поколения будут оставаться серыми. Дискретная же модель допускает разнообразные варианты. Например, все детеныши первого поколения могут действительно оказаться серыми. Но если их скрестить, во втором поколении мы получим в среднем четверть черных животных, половину серых и четверть белых. [Здесь мы исходим из допущения, что окрас в нашем случае – простой менделевский признак, без доминантности.] Гены, будучи дискретными, не смешиваются, даже если их проявления у данного животного смешаны, поэтому один белый элемент (ген) и один черный, действуя совместно в организме одного животного, дают серый цвет. Такое дискретное наследование сохраняет разнообразие (через два поколения у нас оказывается набор из черных, белых и серых особей, а не одних только серых), тогда как смешение снижало бы разнообразие. Если бы наследственные признаки смешивались, потомство от случки черного животного с белым производило бы бесконечную череду поколений серых. Но очевидно, что этого не происходит. На примере людей это видно с первого взгляда: люди не становятся все более и более похожими друг на друга в ходе смены поколений. Разнообразие сохраняется.

Дарвин, отличавшийся глубокой честностью и не боявшийся интеллектуальных затруднений, не знал о дискретной природе наследственности, и потому его весьма смущала критика со стороны шотландского инженера Флеминга Дженкина. Дженкин указал, что наследственность (которую Дарвин подспудно считал смешением) не позволила бы естественному отбору эффективно действовать. Поскольку мысли о дискретности наследования еще не возникало, это был убийственный аргумент.

Каковы же в таком случае основные условия, чтобы естественный отбор мог работать? Очевидно, нужен какой-то носитель «информации» – то есть инструкций. Важнейшее требование состоит в том, что нужна технология точного воспроизводства этой информации. В ходе любого процесса почти наверняка будут возникать ошибки, но они должны случаться достаточно редко, особенно если воспроизводимый элемент несет много информации. [Применительно к ДНК или РНК частота ошибок на реплицируемую пару оснований должна быть – в простейших случаях – намного ниже, чем обратная величина по отношению к количеству реплицируемых пар оснований.]

Второе условие: репликация должна давать «на выходе» элементы, тоже способные воспроизводиться через один или несколько процессов репликации. Репликация не должна выглядеть как работа обычной типографии, где с матрицы отпечатывается много экземпляров одного выпуска газеты, но каждый экземпляр неспособен самостоятельно растиражировать ни газету, ни тем более матрицу. [Технически выражаясь, репликация должна осуществляться в геометрической прогрессии, а не просто в арифметической.]

Третье условие заключается в том, что ошибки-мутации сами должны копироваться так, чтобы полезные вариации поддерживались естественным отбором.

Наконец, необходимо, чтобы инструкции и производимые по ним продукты находились поблизости друг от друга [наложения допускать нельзя]. Удачный ход – положить их в мешочек, то есть в клетку, но на эту тему я отвлекаться не стану.

Кроме того, нужно, чтобы эта информация выполняла какие-то полезные задачи или производила что-то такое, что может выполнять полезные задачи, чтобы помогать организму выжить и дать плодовитое потомство с достаточным шансом на выживание.

В добавление ко всему прочему, организму нужны источники сырья (коль скоро ему надо производить собственные копии), способность избавляться от отходов и какой-то источник энергии [свободной энергии в понимании термодинамики]. Все эти условия необходимы, но ключевое среди них, безусловно, процесс точной репликации.

Здесь не место разъяснять все технические подробности менделевской генетики, однако я попытаюсь дать представление о поразительных результатах, которые может породить естественный отбор в долгосрочной перспективе. Подробное и весьма удобочитаемое изложение этой темы можно найти в первых главах недавней книги Ричарда Докинза «Слепой часовщик». Заглавие книги может озадачить. «Часовщик» явно отсылает к образу механика, к которому апеллировал Пейли, дабы объяснить происхождение воображаемых часов, найденных в поле. Но почему слепой? Лучше всего процитировать собственные слова Докинза:

Вопреки очевидному единственным часовщиком природы являются слепые силы физики – хотя и приложенные очень особенным образом. Настоящий часовщик способен к предвидению: он разрабатывает шестеренки и пружины и продумывает их взаимное расположение, держа в уме будущую цель. Естественный отбор – слепой, бессознательный, автоматический процесс, открытый Дарвином и объяснивший нам существование и кажущуюся преднамеренной форму всех живых существ, – не держит в уме никакой цели. У него нет ни сознания, ни самосознания. Он не планирует будущего. Он не обладает проницательностью, не видит наперед, он вообще ничего не видит. Если и можно сказать, что в природе он играет роль часовщика, то часовщик этот – слепой.

Докинз дает прелестный пример на опровержение представления, будто естественный отбор не способен породить сложность, наблюдаемую в природе. Этот пример простой, но наглядный. Он рассматривает короткую фразу из «Гамлета»:

METHINKS IT IS LIKE A WEASEL.

ПО-МОЕМУ, ОНО СМАХИВАЕТ НА ХОРЬКА.

Вначале он подсчитывает, насколько огромна невероятность того, что кто-либо, случайно нажимая на клавиши (в каноническом варианте – обезьяна, но в его примере – его 11-месячная дочка или специальная компьютерная программа), сможет набрать именно это предложение, правильно расставив все буквы по местам. [Вероятность оказывается равной примерно 1 на 1040.] Он называет этот процесс «одноступенчатым отбором».

Затем он испытывает другой подход – «накапливающий». Компьютер выбирает случайную последовательность из 28 букв. Затем он несколько раз копирует ее, но с определенной вероятностью случайных ошибок при копировании. Затем он отбирает ту копию, которая ближе всего к искомому предложению, пусть и совсем чуть-чуть. Взяв эту чуть-чуть улучшенную версию, он повторяет процесс копирования (с мутациями) и снова отбирает. В книге Докинза приведены примеры некоторых промежуточных этапов. В одном из опытов через тридцать шагов получилось:

METHINGS IT ISWLIKE B WECSEL,

а через сорок три шага фраза стала совершенно правильной.

Сколько шагов понадобится, чтобы получить этот результат, – в некоторой мере дело случая. В других опытах требовалось шестьдесят четыре шага, сорок один шаг и т. д. Главное, что благодаря накапливающему отбору можно достичь искомого результата за относительно небольшое число шагов, тогда как одноступенчатый отбор занял бы целую вечность.

Этот пример явно слишком упрощенный, поэтому Докинз провел более сложный опыт, в котором компьютер создавал «деревья» (организмы) по определенным рекурсивным правилам (генам). Результаты слишком сложны, чтобы их тут приводить. Как говорит сам Докинз: «Ни моя биологическая интуиция, ни мой 20-летний опыт программиста, ни самые дерзкие из моих фантазий – ничто не подготовило меня к тому, что я увидел на экране».

Если вы сомневаетесь в могуществе естественного отбора, заклинаю вас спасением души – прочтите книгу Докинза. Думаю, для вас она станет откровением. Докинз приводит хороший довод, чтобы продемонстрировать, насколько далеко процесс эволюции может зайти в ходе того времени, которым он располагает. Он напоминает, что человек путем селекции создал огромное разнообразие пород собак – пекинесов, бульдогов и прочих – всего лишь за несколько тысяч лет. Здесь человек – влиятельный фактор среды, и именно его вкусовые пристрастия породили (с помощью селекции, а не «замысла») уродцев, которые пребывают с нами в качестве домашних собак. Притом на это потребовалось удивительно мало времени – в масштабе эволюционной шкалы, охватывающей сотни миллионов лет. Так что нам не стоит удивляться гораздо большему разнообразию живых существ, которое естественный отбор произвел за эти куда более длительные сроки.

Кстати, в книге Докинза имеется справедливая, но разгромная критика книги «Вероятность Бога» Хью Монтефиоре, епископа Бирмингемского. Я впервые познакомился с Хью, когда он был деканом Кейюс-колледжа в Кембридже, и я согласен с Докинзом в том, что книга Хью «представляет собой искреннюю и честную попытку уважаемого и образованного автора привести теологию природы в соответствие с новыми данными». Я также всей душой согласен c докинзовской критикой этой книги.

На этом месте мне следует остановиться и задать вопрос: почему же столь многим людям так трудно принять идею естественного отбора? Отчасти трудность проистекает из того, что это процесс крайне медленный по нашим бытовым меркам, так что нам редко случается наблюдать его в действии. Вероятно, компьютерная игра, описанная у Докинза, поможет кое-кому понять мощь этого механизма, но не все увлекаются компьютерными играми. Еще одно затруднение представляет разительный контраст между высокоорганизованными и хитроумными результатами процесса – всеми живыми организмами вокруг нас – и случайностью, лежащей в его основе. Но этот контраст иллюзорен, поскольку сам процесс далеко не случаен – благодаря избирательному давлению среды. Подозреваю, что некоторым людям, кроме того, неприятна мысль, что у естественного отбора нет предвидения. Сам по себе процесс, в сущности, не знает, куда ему идти. Направление обеспечивает среда, и в долгосрочной перспективе его точные результаты, по большому счету, непредсказуемы. Однако организмы выглядят так, будто их спроектировали, – настолько удивительно эффективно они работают, – и потому человеческому уму трудно принять мысль, что для достижения этой цели не нужен проектировщик. Статистические аспекты этого процесса, огромное множество возможных организмов, из которых едва малая доля вообще когда-либо существовала в реальности, трудно себе представить. Но процесс явно работает. Все поводы для смятения и критики, перечисленные выше, при ближайшем рассмотрении оказываются ложными, при условии, что сам процесс понят верно. И мы располагаем примерами естественного отбора в действии – как из лабораторных, так и из полевых наблюдений, как на молекулярном уровне, так и на уровне организмов и популяций.

По моему мнению, существуют два справедливых критических замечания в адрес концепции естественного отбора. Первое состоит в том, что мы пока еще не можем на основании исходных посылок рассчитать скорость естественного отбора, разве только весьма приблизительно, хотя, возможно, эта задача станет легче, когда мы лучше разберемся в том, как развиваются организмы. В конце концов, довольно странно, что нас так волнует эволюция организмов (процесс, трудный для изучения, ведь он происходил в прошлом и по природе своей непредсказуем), в то время как мы всё еще не знаем точно, как они функционируют в современную эпоху. Эмбриологию изучать намного легче, чем эволюцию. Логичнее было бы вначале изучить достаточно подробно, как организмы развиваются и как они работают, и только затем задаваться вопросом, как они эволюционировали. Но эволюция – настолько завораживающая тема, что мы не можем устоять перед искушением попытаться объяснить ее прямо сейчас, несмотря на то что наши познания в эмбриологии все еще далеко не полны.

Второе замечание гласит, что мы можем пока не знать всей механики, которая сложилась в ходе эволюции, чтобы сделать естественный отбор более эффективным. Нас могут еще поджидать сюрпризы в том, что касается уловок природы, призванных сделать эволюцию легче и быстрее. Один из примеров подобного механизма, вероятно, половое размножение, и, судя по всему, могут существовать и другие, еще не открытые. «Эгоистичная» ДНК – большие фрагменты ДНК в наших хромосомах, не несущие какой-либо внятной функции, – может оказаться компонентом еще одного такого механизма (см. с. 248). Вполне возможно, что эта «эгоистичная» ДНК играет важную роль в ускоренной эволюции некоторых сложных механизмов генного регулирования, значимых для высших организмов.

Но, если оставить в стороне эти оговорки, процесс естественного отбора могуч, гибок и имеет огромное значение. Поразительно, что в современном обществе так мало людей, понимающих его как следует. Можно принимать все доводы насчет эволюции, генов и естественного отбора, вместе с представлением, что гены – это единицы инструкции в сложной программе, которая не только формирует организм из оплодотворенной яйцеклетки, но и в значительной мере помогает управлять его дальнейшим поведением. И при этом можно оставаться в недоумении. Как, спросите вы, гены могут быть такими умными? Что такого способны делать гены, что обеспечивало бы сооружение всех этих чрезвычайно сложных и отлично управляемых органов у живых существ?

Чтобы ответить на этот вопрос, нужно вначале иметь представление о размерном уровне, который мы обсуждаем. Какого размера ген? В то время, когда я начинал заниматься биологией – в конце 1940-х, – у нас уже имелись кое-какие косвенные данные, указывавшие, что отдельный ген, вероятно, не больше очень крупной молекулы, то есть макромолекулы. Любопытно, что простой, содержательный довод, основанный на здравом смысле, тоже указывает в этом направлении.

Генетика учит, что, грубо говоря, половину наших генов мы получаем от матери, из яйцеклетки, а половину – от отца, из сперматозоида. А головка человеческого сперматозоида, которая содержит эти гены, очень мала. Отдельный сперматозоид слишком крохотный, чтобы увидеть его невооруженным глазом, хотя его и можно ясно рассмотреть в мощный микроскоп. Однако в этом малом объеме каким-то образом помещается практически полный набор инструкций для построения целого человека (яйцеклетка обеспечивает дубликат). Обдумав математическую сторону, мы неизбежно приходим к выводу, что ген должен быть по бытовым меркам очень-очень маленьким, сравнимым по размеру с очень крупной молекулой вещества. Само по себе это не объясняет нам, как работает ген, но подсказывает, что имеет смысл сперва обратиться к химии макромолекул.

К тому времени уже было известно, что каждая химическая реакция внутри клетки катализируется определенным типом крупных молекул. Такие молекулы называются ферментами. Ферменты – рабочие механизмы живой клетки. Впервые их открыл в 1897 г. Эдуард Бюхнер, получивший за это Нобелевскую премию десять лет спустя. В ходе своих опытов он давил клетки дрожжей гидравлическим прессом и получал насыщенную смесь дрожжевых экстрактов. Его интересовало, смогут ли частицы живой клетки осуществлять какую-нибудь из клеточных химических реакций, потому что в те времена большинство исследователей считало, что для проведения таких реакций клетка должна быть целой. Так как ему было нужно законсервировать экстракт, он использовал ту же стратегию, что и повар на кухне: добавил побольше сахара. К его удивлению, экстракт вызвал брожение сахарного сиропа! Так были открыты ферменты, или энзимы (слово «энзим» означает «в дрожжах»). Вскоре обнаружили, что ферменты можно получить из множества других типов клеток, включая человеческие, и что в каждой клетке содержится великое множество разных видов ферментов. Даже простая бактериальная клетка может содержать более тысячи разных типов ферментов, и молекул каждого типа бывают сотни и тысячи.

В благоприятных условиях можно выделить определенный фермент, очистив от примеси всех остальных, и изучить его действие изолированно, в растворе. Подобные исследования показали, что каждый фермент весьма специфичен и катализирует только одну определенную химическую реакцию или, в лучшем случае, несколько близких реакций. Без данного конкретного фермента химическая реакция в условиях умеренной температуры и кислотности, обычно свойственных живой клетке, проходит очень-очень медленно. Добавьте фермент, и реакция пойдет нормальным темпом. Если вы как следует разболтаете в воде крахмал, мало что произойдет. Плюньте туда, и фермент амилаза в вашей слюне начнет расщеплять крахмал на сахара.

Следующим крупным открытием стало то, что все исследованные ферменты оказались макромолекулами и все они принадлежали к одному и тому же семейству макромолекул – к белкам. Ключевое открытие сделал в 1926 г. однорукий американский химик Джеймс Самнер. Нелегко заниматься химическими опытами с одной рукой (другую он потерял в юности из-за несчастного случая на охоте), но Самнер, обладая решительным характером, задался целью доказать, что ферменты – белки. Ему удалось показать, что один конкретный фермент – уреаза – является белком, и получить его кристаллы, однако его выводы поначалу не получили поддержки. Напротив, группа немецких исследователей горячо оспаривала эту идею, к досаде Самнера, но в итоге оказалось, что он был прав. В 1946 г. за свое открытие он получил Нобелевскую премию по химии (совместно с двумя другими учеными). И хотя недавно обнаружилось несколько важных исключений из этого правила, идея, что ферменты – это почти всегда белки, все еще верна.

Белки, таким образом, представляют собой семейство хитроумно устроенных и разнообразных молекул. Едва ознакомившись с ними, я осознал, что одна из ключевых проблем – объяснить, как они синтезируются. Существовало и третье важное умозаключение, хотя в 1940-е гг. оно было настолько ново, что не все были готовы его принять. К нему пришли Джордж Бидл и Эд Тейтем. (Они тоже получат Нобелевскую премию в 1958 г. за свое открытие.) Работая с хлебной плесенью Neurospora, они обнаружили, что у каждой мутантной формы, исследованной ими, как будто не хватало всего лишь одного фермента. Они сформулировали знаменитый принцип: «один ген – один фермент».

Таким образом, общий план устройства живых организмов представлялся практически очевидным. Каждый ген задает определенный белок. Одни из этих белков используются для образования тканей или передачи сигналов, тогда как многие другие служат катализаторами, определяющими, какие химические реакции должны или не должны происходить в каждой клетке. Почти любая клетка нашего тела содержит полный набор генов, и эта химическая программа задает каждой клетке характер обмена веществ, роста и взаимодействия с соседними клетками. Вооруженный всеми этими новыми (лично для меня) знаниями, я быстро сообразил, в чем главные вопросы. Из чего состоят гены? Как именно они воспроизводятся? И как они управляют синтезом белков или хотя бы влияют на него?

На тот момент уже было известно, что гены в клетке располагаются в основном в хромосомах и что хромосомы, вероятно, состоят из нуклеопротеина, то есть комбинации белка и ДНК, в которую, возможно, входит и доля РНК. В начале сороковых ошибочно полагали, что молекулы ДНК небольшие и – что было совсем уж ошибочно – простые. Феб Левин, ведущий специалист по нуклеиновым кислотам в тридцатые годы, предполагал, что у них регулярная повторяющаяся структура [т. н. тетрануклеотидная гипотеза]. Это оставляло мало места для мысли, что они могут быть прямыми носителями генетической информации. Ученые не сомневались, что, коль скоро у генов такие поразительные свойства, они должны состоять из белков, поскольку поразительные возможности белков как класса молекул уже были известны. Возможно, ДНК несла какую-то вспомогательную функцию, например, служила фундаментом для более сложных белков.

Было также известно, что каждый белок – полимер, то есть представляет собой длинную цепочку, называемую полипептидной цепью. Она образуется путем связывания – концом к концу – небольших органических молекул, которые называются мономерами, потому что они служат составными частями полимера. В гомополимере, таком как нейлон, все мономеры обычно одинаковы. Но белки не так просты. Каждый белок – гетерополимер, цепочки которого образованы набором нескольких различающихся молекул меньшего размера, в данном случае – аминокислот. Как суммарный итог, каждая полипептидная цепь с химической точки зрения обладает идеально правильным остовом, к которому через регулярные промежутки прикрепляются малые боковые цепочки. Считалось, что существует около двадцати возможных вариантов боковых цепочек (точное количество на тот момент было неизвестно). Аминокислоты, то есть мономеры, подобны литерам в типографском наборе. Основание каждой литеры из набора всегда одинаково, так что его можно вставить в желобки печатной формы, но верхняя сторона каждой литеры различна, чтобы с нее можно было напечатать ту или иную букву. Каждый белок состоит из уникального числа аминокислот, обычно из нескольких сотен, так что любой белок можно представить себе в грубом приближении как абзац текста, написанного на особом языке, в котором имеется около двадцати химических «букв». Тогда еще не знали достоверно того, что установлено в наши дни, – что для синтеза каждого белка «буквы» должны располагаться в определенном порядке (как, разумеется, и буквы в тексте). Немного позже это доказал биохимик Фред Сэнгер, но догадаться об этом было достаточно легко и так.

Разумеется, в нашем языке каждый абзац на самом деле – одна длинная цепочка букв. Для удобства мы разбиваем его на строки, записанные друг под другом, но это имеет второстепенное значение, поскольку смысл текста не зависит от того, длинные строки или короткие, мало их или много, при условии, что мы не обрываем их на полуслове. О белках же было известно, что они ведут себя совершенно по-другому. Хотя полипептидный остов имеет регулярную химическую структуру, в нем есть гибкие звенья, так что теоретически это допускает множество разнообразных трехмерных форм. Однако у каждого белка как будто была своя определенная форма, и во многих случаях об этой форме было известно, что она довольно компактна (такая структура называется глобулярной), а не вытянута в длину (фибриллярная структура). Были получены кристаллы ряда белков, а для этих кристаллов – развернутые картины дифракции в рентгеновских лучах, указывавшей на то, что трехмерная структура каждой молекулы данного белка была одинаковой (или почти одинаковой). Более того, многие белки, если их на короткое время нагреть до точки кипения воды или даже ниже этой температуры, денатурировались, как если бы они раскручивались и их трехмерная структура частично разрушалась. В таком случае денатурированный белок, как правило, терял свою каталитическую или иную функцию, и это давало немалые основания предполагать, что функция подобного белка зависит от его точной пространственной конфигурации.

А теперь можно перейти к непостижимой тайне, с которой, казалось, мы столкнулись. Если гены состоят из белка, то, по-видимому, каждый ген должен иметь особую трехмерную, достаточно компактную структуру. Далее, жизненно важное свойство гена – способность точно копироваться из поколения в поколение, лишь изредка допуская ошибки. Мы пытались понять природу этого копировального механизма. Очевидный метод копирования чего-либо – изготовление комплементарной структуры, формы, в которой затем отливается следующая комплементарная структура, и таким образом получается точная копия оригинала. Ведь именно так, в общем, делают копии скульптур. Но тогда вставал вопрос: таким способом нетрудно скопировать наружную поверхность трехмерной структуры, но как вообще возможно скопировать то, что внутри? Весь процесс представлялся настолько загадочным, что никто даже не знал, с какой стороны к нему подойти.

Разумеется, теперь мы знаем ответ, и все выглядит настолько самоочевидным, что в наши дни никто уже не помнит, насколько головоломной эта проблема казалась тогда. На тот случай, если вы не знаете ответа на вопрос, я предлагаю вам остановиться на мгновение и подумать, как можно на него ответить. На данном этапе вам не нужно утруждать себя тонкостями химии. Важен сам принцип идеи. Загадку лишь осложняло то, что многие свойства белков и генов, обозначенные выше, не были точно доказаны. Все они представлялись правдоподобными, а многие – даже весьма вероятными, но, как всегда происходит на передовых фронтах науки, ученых постоянно грызло сомнение, не могут ли одно или несколько из этих предположений оказаться ужасной ошибкой. В науке линия фронта чаще всего скрыта в тумане.

Так каков же ответ? Любопытным образом я додумался до верного решения еще до того, как мы с Джимом Уотсоном открыли двойную спиральную структуру ДНК. Основная мысль (не то чтобы совсем новая) заключалась в следующем: гену нужно всего-навсего расположить аминокислоты белка в правильной последовательности. Как только синтезируется нужная полипептидная цепь, со всеми боковыми цепочками в нужном порядке, белок, следуя законам химии, самостоятельно свернется нужным образом в уникальную трехмерную структуру. (Точная трехмерная структура каждого конкретного белка пока оставалась невыясненной.) Это смелое допущение переводило вопрос из трехмерного пространства в одномерное, и исходная проблема в основном снималась.

Конечно, самого вопроса это допущение не разрешало. Оно просто превращало его из непосильного в посильный. Потому что все еще оставался вопрос, как сделать точную копию с одномерной последовательности. Чтобы подступиться к нему, нужно вернуться к тому, что в ту пору было известно о ДНК.

К концу сороковых наши знания о ДНК углубились в нескольких существенных отношениях. Было установлено, что молекулы ДНК все же не так уж коротки. Их точная длина оставалась неясной. Теперь мы знаем, что они казались короткими потому, что, хотя это и длинные молекулы (длинные в прямом смысле, как веревка), они легко разрываются, когда их извлекают из клетки и помещают в пробирку. Достаточно перемешать раствор ДНК, чтобы длинные молекулы распались. Их химическая природа теперь была известна лучше, и более того, тетрануклеотидная гипотеза приказала долго жить – ее похоронили великолепные исследования химика из Колумбийского университета, австрийского эмигранта Эрвина Чаргаффа. Было известно, что ДНК – тоже полимер, но с совсем другим остовом и всего четырьмя «буквами алфавита» вместо двадцати. Чаргафф показал, что ДНК разного происхождения содержит совершенно разные количества этих четырех оснований (как их назвали). Возможно, ДНК была не такой уж убогой молекулой. Она теоретически могла быть достаточно длинной и разнообразной, чтобы нести генетическую информацию.

Еще до того как я уволился из Адмиралтейства, появились кое-какие довольно неожиданные данные, указывающие, что разгадка связана с ДНК. В 1944 г. Эвери, Маклеод и Маккарти – команда исследователей Рокфеллеровского института в Нью-Йорке – опубликовали статью, в которой утверждалось, что «трансформирующий фактор» пневмококка состоит из чистой ДНК.

«Трансформирующим фактором» было вещество, полученное из штамма бактерий с гладкой оболочкой. Добавленный к родственному штамму, у которого не было такой оболочки, он «трансформировал» его, и некоторые из бактерий-реципиентов тоже приобретали гладкую оболочку. Что еще важнее, у всех потомков таких клеток была одинаковая гладкая оболочка. В статье авторы были осторожны по части интерпретации результатов, но в письме брату, ныне знаменитом, Эвери высказался более откровенно. «Что-то вроде вируса – может быть, и ген», – написал он.

Этот вывод научная общественность приняла не сразу. Авторитетный биохимик Альфред Мирский, тоже сотрудник Рокфеллеровского института, был убежден, что трансформация вызывалась какой-то примесью загрязнения в ДНК. Позднее более тщательные исследования Роллина Хотчкисса в том же Рокфеллеровском институте показали, что это маловероятно. Скептики возражали, что данные Эвери, Маклеода и Маккарти неубедительны, поскольку трансформируется только один признак. Хотчкисс продемонстрировал возможность трансформации еще одного признака. То, что подобные трансформации часто оказывались неустойчивыми, трудными для осуществления и затрагивали меньшинство клеток, не способствовало победе. Другое возражение заключалось в том, что явление было доказано только для данных бактерий. Хуже того, тогда еще не было доказано наличие генов у каких бы то ни было бактерий; правда, в скором времени гены бактерий будут открыты Джошуа Ледербергом и Эдом Тейтемом. Короче говоря, существовало опасение, что трансформация – единичный курьез и не имеет отношения к высшим организмам. Эта точка зрения была не совсем безосновательна. Единичное изолированное свидетельство, сколь угодно впечатляющее, всегда оставляет место для сомнений. Убедительным может быть только схождение нескольких различных рядов данных.

Иногда утверждают, будто работу Эвери и его коллег не признали и оставили без внимания. Естественно, их выводы вызвали пестрый спектр реакций, но трудно сказать, что они остались никому не известными. Например, высокочтимая и довольно консервативная организация – Лондонское королевское общество – наградила Эвери в 1945 г. медалью Копли, сославшись именно на его работу о трансформирующем факторе. Хотел бы я знать, кто выписывал для них цитату!

И все же, даже если оставить в стороне все возражения и оговорки, тот факт, что трансформирующий фактор состоял из одной ДНК, сам по себе не доказывал, что только ДНК служит наследственным материалом у пневмококка. Можно было выдвинуть вполне логичное утверждение, что ген состоит и из ДНК, и из белка, что каждый компонент несет свою долю наследственной информации и что по чистой случайности измененная ДНК-составляющая оказалась носителем информации, изменяющей полисахаридную оболочку. Возможно, при другом эксперименте нашелся бы белок, тоже способный дать наследуемые изменения оболочки или других признаков клетки.

Как бы ни интерпретировать данные, благодаря этому эксперименту и накопившимся знаниям о химической природе ДНК появилась возможность допустить, что только из ДНК гены и состоят. Между тем основной сферой интересов команды в Кавендишской лаборатории оставалась трехмерная структура белков, таких как гемоглобин и миоглобин.