Наше время

От гороха до хромосом

В XX в. научный прогресс ускорился до невиданных ранее темпов, и исследователей эволюции больше стали интересовать не животные и растения в целом, а то, что происходит внутри их клеток. Именно там хранится ключ к пониманию механизма наследственности. Одновременно изучение эволюции, которое ранее основывалось главным образом на наблюдениях за поведением живых существ, перешло в основном в экспериментальную область. Однако иногда значение экспериментов становится понятным не сразу — либо потому, что о них мало кто знает, либо потому, что они не вписываются в рамки современной научной мысли, или по обеим причинам сразу, как в случае проведенных Грегором Менделем исследований наследственных признаков гороха.

Основой понимания эволюции, как догадались Дарвин и Уоллес, являлась идея, что подобное порождает подобное, но не в идеальной форме. У кота и кошки всегда рождаются кошки, а не канарейки, треска или ивы. «Перспективных монстров» не существует. Но ни один из потомков никогда не будет точной копией одного из родителей. Наследственный механизм этого несовершенного копирования сбивал с толку Дарвина, хотя он и пытался разгадать эту загадку в 1860-е и 1870-е гг.

Впервые Дарвин описал свою (ошибочную) модель наследственности в отдельной главе в конце книги «Изменение животных и растений в домашнем состоянии», вышедшей в 1868 г., а затем продолжил развивать ее в других трудах, в том числе в более поздних изданиях «Происхождения видов» (это одна из причин, почему первое издание лучше последующих). Он назвал свою модель «пангенезис», от греческих слов «пан» («все»), так как Дарвин считал, что этот механизм задействует все клетки организма, и «генезис» — в значении «воспроизводство». Суть идеи, которую в книге «Изменение…» он описал как «предварительную гипотезу или рассуждение», заключалась в том, что каждая клетка тела вырабатывает крошечные частицы — «геммулы», которые проникают в половые клетки (яйцеклетки и сперматозоиды) и передаются следующему поколению. В этой идее присутствовал элемент ламаркизма, потому что на производство геммул может оказывать влияние окружающая среда: например, если климат становится холоднее, геммулы изменяются, чтобы стимулировать рост меха у следующих поколений. Но, как и многие его современники, Дарвин также считал, что при наследовании каким-то образом смешиваются признаки обоих родителей. Если выбрать простой пример, такое смешивание приведет к тому, что у детей светловолосого мужчины и темноволосой женщины будут темно-русые волосы. Но это было бы очень неблагоприятно для эволюции, поскольку привело бы к исчезновению различий между особями, при помощи которых действует естественный отбор, — жуки-скакуны Уоллеса, например, в таком случае никогда бы не смогли приобрести окрас, идеального совпадающий с окружающей средой. В действительности дети светловолосого мужчины и темноволосой женщины могут быть блондинами, брюнетами или даже рыжими, совершенно непохожими на своих родителей. Именно объяснению этого аспекта наследования были посвящены эксперименты Менделя, которые он провел и даже опубликовал их результаты еще при жизни Дарвина. Но до начала XX в. о его открытии практически никто ничего не знал.

Мендель появился на свет в 1822 г., на шесть месяцев раньше Уоллеса, и прожил до 1884 г. Он родился в бедной крестьянской семье в Моравии, историческом регионе, в состав которого входили части современной Польши, Германии и Чехии. При крещении его назвали Иоганном. Он блестяще учился в школе, но единственным подходящим занятием для умного молодого человека его происхождения было священство. В 1843 г. он стал послушником в монастыре Августинского ордена в Брюнне (ныне Брно), а при постриге в монахи взял себе имя Грегор. Постепенно поднимаясь по церковной карьерной лестнице, Мендель стал школьным учителем, и настоятель монастыря отправил его в Венский университет, где он проучился с 1851 по 1853 г. Он был не «просто» священником, а еще и ученым. В этом не было ничего необычного: монастырь в Брюнне являлся не только религиозным центром, но и своего рода мини-университетом — среди его монахов были ботаник и астроном. Несмотря на то что Мендель в основном преподавал в местной школе и исполнял обязанности священника, у него оставалось достаточно времени на проведение экспериментов, направленных на изучение принципов наследственности. Он очень заинтересовался тем, как признаки передаются от одного поколения к другому, и сначала разводил мышей, но в 1856 г. занялся ботаникой, что в итоге привело его к знаменитым опытам с горохом.

Изучив несколько других растений, Мендель остановился на горохе по ряду важных причин. Он знал, что горох обладает четко различимыми признаками, которые образовывали чистые линии и которые можно было анализировать методами статистики. Статистический анализ играл ключевую роль в его исследованиях и являлся поистине передовым для того времени. Мендель изучал несколько признаков горошин, в том числе их гладкость или морщинистость, а также их цвета — желтый или зеленый. Его уникальным вкладом в науку являлось то, что он двигал вперед биологию как физик. Он проводил воспроизводимые эксперименты, вел подробные записи и использовал статистические методы для анализа данных. Из 28 000 кустов гороха он отобрал для детального исследования 12 835. Для каждого из растений Мендель составлял своего рода генеалогическое древо, регистрируя всех его потомков. Он знал «дедушек», «прадедушек» и даже более ранних предков каждого нового ростка. Это можно было сделать только благодаря тому, что он вручную опылял каждое из тысяч растений, перенося пыльцу с одного конкретного растения на цветки другого. Ухаживая за растениями, по мере их роста он описывал отличительные признаки каждого из них, а затем точно так же наблюдал за следующими поколениями. Семь лет ушло у Менделя на создание базы данных, которая позволила ему понять, как передаются признаки от одного поколения к другому.

Рассмотрим один пример, который покажет, что обнаружил Мендель, а именно наследование признака морщинистости или гладкости горошин. Мендель выяснил, что в растениях присутствует нечто, что передается от одного поколения к другому и определяет характер потомства. Сегодня мы называем это нечто «ген» или «набор генов»; Мендель не использовал этот термин и вместо этого говорил о «единицах наследственности» или «наследственных факторах», но мы будем использовать современную терминологию. Его статистический анализ показал, что исследуемые им свойства описываются парами признаков. В нашем примере это морщинистость (М) и гладкость (Г) семян. Каждое отдельное растение наследует по одному варианту гена (аллелю) от каждого из родителей, в результате чего потомок может обладать любой (но только одной) комбинацией: ММ, МГ или ГГ. Он передает один из аллелей следующему поколению. Растение ММ или ГГ, соответственно, всегда передает вариант М или Г, а растение МГ передает половине своего потомства вариант М, а другой половине — Г. Мендель выяснил, что у растений ММ всегда морщинистые семена. У растения ГГ всегда гладкие семена. Но скрупулезный статистический анализ показал, что у растений МГ признак М не проявляется и все их семена гладкие.

Мендель обнаружил это при скрещивании растений, которые всегда дают морщинистые семена (ММ), с растениями, которые всегда дают гладкие семена (ГГ). Все потомки в первом поколении имеют гладкие семена (МГ). Только у 25% потомства во втором поколении (то есть растений, полученных скрещиванием особей первого поколения) были морщинистые семена, а у 75% семена были гладкие. Мендель нашел этому единственное объяснение: хотя 25% потомства получают комбинацию ММ, а 25% — комбинацию ГГ и соответственно дают морщинистые или гладкие семена, остальные две группы получают комбинацию ГМ (25%) и МГ (25%), что в сумме составляет 50%, и обе они дают гладкие семена. Наиболее важным было тут то, что растения МГ и ГМ не дают 50% морщинистых и 50% гладких семян, а также не дают семян с промежуточными признаками. Сегодня мы говорим, что аллель Г доминантный, а аллель М рецессивный.

Результаты исследований Менделя были представлены Брюннскому обществу естествознания в феврале 1865 г. и опубликованы в сборнике научных трудов общества в 1866 г., но в то время это было малоизвестное издание, и их важность никто не оценил по достоинству. Сочетание ботаники и математики, столь обыденное сегодня, видимо, сбивало с толку даже тех немногих, кто прочел его статью. В 1868 г. Мендель был назначен настоятелем местного монастыря, и ему стало некогда заниматься научными исследованиями. Только в конце XIX в., когда другие исследователи самостоятельно открыли те же самые законы наследственности, его труды обнаружили заново, и он удостоился заслуженного признания. Вот пять ключевых выводов, к которым он пришел:

Каждому физическому признаку организма соответствует один наследственный фактор.

Факторы существуют парами.

Один, и только один фактор из каждой пары передается каждым родителем своему потомству.

Имеется равная (в строго статистическом смысле) вероятность того, что любой из двух факторов пары передастся любому отдельно взятому потомку.

Некоторые факторы являются доминантными, а некоторые рецессивными.

Открытые Менделем законы наследственности имеют ключевое значение для понимания теории эволюции путем естественного отбора. Во-первых, они объясняют, почему потомство не обладает свойствами, которые являются смесью признаков его родителей. Во-вторых, Мендель показал, что каждый признак наследуется независимо. То, что горошина морщинистая или гладкая, не зависит от того, зеленая она или желтая. Следующий шаг к пониманию механизма эволюции был сделан в начале XX в. Томасом Хантом Морганом (1866–1945). Но, чтобы поместить его достижения в надлежащий контекст, нам нужно ненадолго вернуться назад, к моменту, когда клетки признали простейшими элементами жизни.

Впервые слово «клетка» в биологическом контексте использовал в XVII в. Роберт Гук, чтобы описать структуры, которые он обнаружил, изучая под микроскопом срезы пробкового дерева. Они напомнили ему крошечные комнаты, или целлулы, в которых жили монахи. Структуры, которые мы сегодня называем клетками, даже меньше тех, которые изучал Гук, но, когда биологи в XIX в. рассмотрели устройство живых тканей при помощи более совершенных микроскопов, они продолжили использовать этот термин. Только в 1838 г. немецкий ботаник Маттиас Шлейден (1804–1881) предположил, что все ткани растений состоят из клеток, а год спустя его соотечественник Теодор Шванн (1810–1882) выдвинул гипотезу, что клетки составляют основу всех форм жизни — как растительных, так и животных. В 1840-е гг. они вдвоем развили идею, что клетки являются основными элементами жизни и что в отдельных клетках содержатся все атрибуты жизни, а в основе сложного строения более крупных организмов лежит клеточная структура. Впервые в истории яйцо и семя стали считать отдельными клетками, которые способны размножаться, порождая при помощи деления новые клетки, из которых состоит взрослый организм. Шлейден назвал организм «клеточным государством», где «каждая клетка является гражданином». До этого жизнь считали неким таинственным свойством всего организма; теперь же она стала свойством, которым обладают даже самые примитивные клетки.

Это привело к еще одному важнейшему открытию. В конце 1850-х гг. другой немец, Рудольф Вирхов (1821–1902), опираясь на работы Роберта Ремака (1815–1865), доказал, что клетки не появляются спонтанно. В 1858 г. (в том же году, когда была опубликована «совместная статья» Дарвина и Уоллеса) он писал, что если есть клетка, то должна была быть и предшествующая ей клетка. Подобно тому как у животных всегда есть родители, а растения вырастают только из семян других растений, клетки появляются только в результате деления других клеток. Жизнь на Земле не может возникать самопроизвольно. Все живые клетки происходят, в непрерывной последовательности, от далекого предка (или предков) из древнего геологического прошлого. Хотя Вирхов не решился заявить, что одна клетка в буквальном смысле является предком всей современной жизни на Земле, сегодня это считается наиболее вероятным объяснением сходства всей земной жизни на молекулярном уровне. Появление первой клетки по-прежнему остается загадкой; но после книги Вирхова источник жизни современных животных и растений загадкой уже не был.

Когда истинность всех этих открытий полностью признали, изучение жизни стало изучением клеток. В основе своей структура всех клеток одинакова; каждая из них является мешочком с густой жидкостью размером от 10 до 100 мкм (микрометров) в поперечнике, окруженным очень тонкой мембраной толщиной менее 0,01 мкм. Для целей этой книги нас больше всего интересуют клетки, из которых состоят животные и растения, и все они имеют центральное темное ядро — впоследствии физики позаимствовали этот термин, чтобы описать сердцевину атома. Хотя изолированные друг от друга клетки, подобно мыльным пузырям, принимают сферическую форму, объединяясь с другими клетками, они могут сжиматься и растягиваться, приобретая различные очертания. Клеточные мембраны сохраняют обособленность каждой клетки, как у кирпичей в кладке, но, в отличие от кирпичей, сквозь мембрану внутрь и наружу клетки могут по мере необходимости поступать определенные химические вещества.

Если рассматривать организм, подобный нашему, то загадка жизни состоит в том, как слияние большой клетки, яйцеклетки, с маленькой клеткой, сперматозоидом, приводит к образованию одной клетки, которая затем многократно делится посредством сложного многоступенчатого процесса, вследствие чего развивается взрослая особь. Изучая эти стадии развития под микроскопом, к середине XIX в. биологи поняли, что развитие живого существа происходит в соответствии с неким генеральным планом — внутри яйцеклетки не прячется миниатюрная версия взрослой особи, готовая просто вырасти в результате воздействия некого стимула. Но что это за генеральный план и в какой части клетки он спрятан? Поиск ответа на этот вопрос в итоге привел к открытию ДНК и признанию ее «молекулой жизни». История этого поиска началась с экспериментов, осуществленных в 1860-х гг. в Тюбингенском университете швейцарским биохимиком Фридрихом Мишером (1844–1895).

В 1866 г. немецкий биолог Эрнст Геккель (1834–1919) предположил, что факторы, которые передают наследственные признаки от родителей потомству, содержатся в клеточном ядре. К тому времени уже было известно, что белки являются самыми важными структурными веществами в организме, — этот факт отражен в их втором названии, «протеины», от греческого «протос», что означает «первичный, важнейший». Белки — это сложные вещества с молекулярной массой от нескольких тысяч до нескольких миллионов атомных единиц; такая единица равна одной двенадцатой массы атома углерода, что дает некоторое представление об их размере. Белки состоят из более мелких компонентов, аминокислот, которые в основном имеют молекулярную массу чуть больше 100 атомных единиц. Всего двадцать типов аминокислот соединяются друг с другом в сложных сочетаниях, иногда в очень большом числе, образуя разные типы белков, являющихся основой жизни. Сами аминокислоты состоят из атомов углерода, водорода, кислорода и азота (вместе известных как CHON) и реже атомов серы.

Мишер хотел определить, какие белки задействованы в химических процессах внутри клетки, и найти ключ к тайне жизни. Он собирал материал с пропитанных гноем повязок, которыми его снабжала близлежащая хирургическая клиника. Выделяя из гноя белые кровяные тельца, лейкоциты, он обнаружил, что заполняющая клетку густая жидкость действительно богата белками. Но потом он заметил кое-что новое. При обработке клеток слабым щелочным раствором применяемые им химические методы показали наличие другого вещества, которое не являлось белком. Изучая клетки под микроскопом, он увидел, что под воздействием щелочи ядро клетки набухает и лопается, из чего следовало, что обнаруженное им «новое» вещество содержится в ядрах. Ядра состоят не из белка, а из этого другого вещества, которое он назвал «нуклеин» (от слова nucleus, «ядро»). В нуклеине, как и в белке, содержалось много углерода, водорода, кислорода и азота, но также и фосфора, которого нет ни в одном белке. Мишер писал: «Я думаю, что данный анализ, каким бы неполным он ни был, показывает, что мы имеем дело не с какой-то случайной смесью, а… с химическим веществом или смесью очень близкородственных веществ». Но ему не удалось выяснить строение молекул нуклеина. В 1869 г. Мишер завершил первый этап работы, уволился из Тюбингенского университета и подготовил результаты исследования к публикации. Увы, из-за череды чрезвычайных обстоятельств, в том числе Франко-прусской войны, его работа была опубликована только в 1871 г. Во время дальнейших опытов Мишер обнаружил, что в молекулах нуклеина содержатся кислотные группы, и к концу 1880-х гг. для описания этого вещества стал применяться термин «нуклеиновая кислота».

К тому времени, отчасти благодаря этим исследованиям Мишера, произошел еще один важный прорыв в понимании устройства клеток. После того как клетки были признаны простейшими элементами жизни, предстояло разгадать главную загадку: как происходит деление и воспроизведение клеток. Цитологи — ученые, изучающие клетки, — использовали для выявления внутриклеточных структур различные красители. В 1879 г. немецкий биолог Вальтер Флемминг (1843–1905) обнаружил, что определенные красители очень прочно связываются с некими нитевидными структурами внутри клетки, которые особенно четко видны в ходе клеточного деления. Так как они хорошо окрашивались, эти нити получили название «хромосомы» (от древнегреческих слов «хрома» — «цвет», и «сома» — «тело»), а другие связанные с ними детали стали называться «хроматиды» и «хромопласты». Убивая клетки на разных стадиях процесса деления, окрашивая их красителями и изучая под микроскопом, Флемминг описал последовательность событий, происходящих в ходе того, что он назвал «митозом». Чтобы прояснить все подробности, потребовались годы, но общая суть процесса заключается в том, что хромосомы, которые обычно упакованы внутри ядра, копируются с помощью особого клеточного механизма, а затем один набор хромосом перемещается в одну часть клетки, а другой — в другую, после чего клетка делится, образуя две клетки с полным набором хромосом. Ни одна этих клеток не является «материнской» или «дочерней»; обе они — точные копии оригинала. Было ясно, что хромосомы важны для клетки, и вскоре ученые поняли, что именно в них содержится генеральный план или инструкция для работы клетки. Но также было ясно, что это далеко не все: что происходит, когда яйцеклетка и сперматозоид сливаются, чтобы заложить основу для развития нового организма? Почему у оплодотворенной яйцеклетки нет двойного набора хромосом?

На этот вопрос, пусть и в общих чертах, в 1890-х гг. ответил немецкий зоолог Август Вейсман (1834–1914) из Фрайбурга. В 1886 г. Вейсман предположил, что яйцеклетки и сперматозоиды (вместе они называются «половые клетки» или «клетки зародышевой линии») должны обладать неким важнейшим свойством, которое передается от одного поколения следующему. Затем он (верно) предположил, что этот материал наследственности должен содержаться в хромосомах. Он сделал вывод, что «наследственность осуществляется посредством передачи от одного поколения к другому субстанции, обладающей определенным химическим и, прежде всего, молекулярным составом», которая содержится в хромосомах. И он понял, что единственный способ избежать неконтролируемого накопления наследственного материала в клетках последующих поколений — это если бы половые клетки возникали в ходе особого процесса деления, который сегодня называется «мейоз» и который делит наследственный материал пополам. Детали этого процесса были изучены позднее, но имеет смысл упомянуть о них здесь. Сегодня мы знаем, что хромосомы существуют связанными между собой парами. При митозе каждая пара хромосом копируется и передается потомству в виде пары. Но при мейозе пары делятся. Происходит более сложный процесс деления клеток: сначала между членами каждой пары хромосом происходит обмен некоторыми фрагментами материала, затем образуются две дочерние клетки, каждая с полным набором только что перетасованных хромосом, после чего эти дочерние клетки еще раз делятся без копирования хромосом — и образуются четыре клетки, каждая из них содержит набор непарных хромосом. Когда яйцеклетка и сперматозоид сливаются, восстанавливается полный набор хромосом и соответствующие одинарные нити из каждой половой клетки объединяются в новые пары, причем, что очень важно, половина хромосом получена от одного родителя, а вторая половина — от другого.

За исключением деталей мейоза, такова была общая картина знаний на момент, когда законы наследственности, открытые Менделем, были обнаружены заново — причем не одним, а тремя действовавшими независимо друг от друга исследователями.

Когда выяснилось, что хромосомы существуют и, возможно, играют важную роль в процессе наследования признаков, ученые, естественно, начали проводить те же эксперименты, которые проводил Мендель, не зная, что он проделал это за четыре десятилетия до них. В конце XIX в. такими опытами занимались сразу несколько исследователей, причем некоторые из них тоже изучали горох — по тем же причинам, что и Мендель. Из этой новой плеяды первым опубликовал результаты своих исследований голландский ботаник Хуго де Фриз (1848–1935). В марте 1900 г. вышли две его статьи. В первой, написанной на французском, было краткое описание результатов экспериментов без упоминаний о Менделе. Во второй, написанной на немецком, был представлен более подробный отчет с упоминанием Менделя. О труде Менделя он писал: «Эта важная монография цитируется столь редко, что сам я ознакомился с ней лишь после того, как провел бо́льшую часть моих экспериментов и самостоятельно пришел к вышеупомянутым выводам», но как именно он узнал о работе Менделя, де Фриз не упомянул. Французская статья де Фриза произвела эффект разорвавшейся бомбы на немецкого ботаника Карла Корренса (1864–1933), который проводил похожие эксперименты, в том числе с горохом. Он, прежде чем опубликовать свои результаты, старательно изучил имеющуюся научную литературу и тоже наткнулся на статью Менделя. И вот, когда его статья была почти готова для печати, его в последний момент опередил де Фриз. С австрийским исследователем Эрихом Чермак-Зейзенеггом (1871–1962) произошло примерно то же самое. В итоге все трое согласились признать Менделя первооткрывателем, чтобы избежать неприятных споров о приоритете. Вскоре значимость их (и Менделя) открытий подтвердили исследования, проведенные в США, Англии и Франции. К концу 1900-х гг. Мендель и его законы наследственности заняли заслуженное место в истории науки.

Исследования, проведенные после уточнения роли хромосом в процессе наследования и признания законов наследственности Менделя, показали, что существует два типа нуклеиновых кислот — ДНК и РНК, о которых, или хотя бы об их названиях, сегодня знают даже люди, не имеющие отношения к науке. Оба эти типа молекул содержат четыре органических соединения, которые называют «азотистыми основаниями». В ДНК это аденин, гуанин, цитозин и тимин, которые обычно обозначаются по первым буквам: А, Г, Ц и Т. В РНК вместо тимина содержится урацил (У). Но, чтобы это выяснить, потребовалось много времени. Над «открытием» молекул жизни ДНК и РНК трудилось множество ученых на протяжении многих лет. Человеком, который придумал названия этим молекулам, был Фибус Левин (1869–1940), американский исследователь российского происхождения из Рокфеллеровского института медицинских исследований.

Левин начал экспериментировать с нуклеиновыми кислотами, которые он выделял из клеток дрожжей, через несколько лет после публикации работ де Фриза, Корренса и Чермака. Получаемое им вещество в примерно равном количестве содержало аденин, гуанин, цитозин и урацил, а также химический фрагмент, известный как фосфатная группа — по сути, атом фосфора, окруженный четырьмя атомами кислорода. В этом веществе также присутствовала углеводная группа — сложное соединение, состоящее из углерода, водорода и кислорода, но на момент начала исследований Левина не было известно, что это за углевод. В 1909 г. он сумел выделить его и идентифицировать как сахар рибозу. Молекулы таких сахаров строятся вокруг пятиугольных колец, каждое из которых состоит из четырех атомов углерода и одного атома кислорода. Эти структуры могут присоединяться к другим молекулам и образовывать более сложные конструкции. Левин установил, что компоненты нуклеиновой кислоты объединены в химические единицы, которые состоят из фосфорной кислоты, рибозы и азотистого основания, и он назвал эти индивидуальные блоки «нуклеотидами». Но никто не знал, как они соединяются друг с другом.

Левин предположил, что молекула нуклеиновой кислоты состоит из цепи последовательно соединенных нуклеотидов, подобно позвонкам в позвоночнике. В 1909 г. он назвал такую молекулу «рибозонуклеиновая кислота», что вскоре стали сокращать до РНК. Поскольку в РНК присутствует равное количество четырех оснований, он предположил, что каждая молекула представляет собой короткую цепочку из четырех нуклеотидов, по одному на каждое из четырех оснований. Если говорить только об основаниях, в результате получается масса идентичных молекул, которые можно описать как А-Ц-У-Г, А-Ц-У-Г, А-Ц-У-Г и т.д. Эта модель получила название «тетрануклеотидная гипотеза». Позже выяснилось, что она была ошибочной, но именно она определяла представления ученых о нуклеиновых кислотах на протяжении нескольких десятилетий. В частности, благодаря ей считалось, что по-настоящему важными «молекулами жизни» являются белки, а нуклеиновые кислоты служат лишь неким каркасом, к которому прикрепляются молекулы белков.

Прошло еще 20 лет, прежде чем в 1929 г. Левин обнаружил, что существует еще один тип нуклеиновых кислот. Выяснилось, что в материале, выделенном из клеток вилочковой железы, содержится другая углеводная группа, а также основание тимин вместо урацила. Поскольку в каждой углеводной группе тут было на один атом кислорода меньше, чем в соответствующей ей рибозе, Левин назвал ее «дезоксирибоза», а содержащую ее нуклеиновую кислоту соответственно «дезоксирибозонуклеиновая кислота», или ДНК. Эти названия теперь обычно немного сокращаются до «рибонуклеиновой» и «дезоксирибонуклеиновой» кислот. Левин по-прежнему полагал, что нуклеотиды в молекуле ДНК должны быть соединены в строго определенном порядке: например, А-Ц-T-Г, A-Ц-T-Г, A-Ц-T-Г и т.д. вместо А-Ц-У-Г и т.д. Но за год до того, как он открыл и назвал молекулу ДНК, уже были обнаружены первые свидетельства того, что нуклеиновые кислоты являются не просто каркасом. Чтобы рассказать об этом, нам нужно снова вернуться на несколько лет назад.

Ключевой шаг к пониманию того, как работает эволюция, сделали Томас Морган и его коллеги из Колумбийского университета во втором десятилетии XX в. Морган работал не с горохом, а с плодовой мушкой дрозофилой, но проводил, по сути, те же эксперименты, что и Мендель. Горох дает потомство только раз в год, а мушки не просто размножаются каждые две недели — их самки откладывают сотни яиц за раз, обеспечивая исследователям огромный массив данных для анализа. Пол особи у дрозофил определяется одной из хромосом, и оказалось, что ее очень легко определить. Существует два типа определяющих пол особи хромосом, которые по их очертаниям называются X и Y. У многих животных клетки самок всегда несут пару XX, а клетки самцов — пару XY. Потомство всегда наследует хромосому X от матери, а хромосому X или Y от отца. Если отпрыск наследует вторую хромосому X, то он будет самкой, а если Y, то самцом. Но Морган обнаружил, что это далеко не все, что определяют эти хромосомы.

Сначала Морган начал исследовать популяцию мух с красными глазами. Но в результате случайной мутации в 1910 г. среди тысяч таких мух был обнаружен самец с белыми глазами. Морган скрестил белоглазого самца с красноглазой самкой, чтобы выяснить, что произойдет. У всех потомков были красные глаза. Морган продолжил изучать их внуков и последующие поколения, как это делал Мендель с горохом. Во втором поколении родились самки с красными глазами, самцы с красными глазами и самцы с белыми глазами, но не было самок с белыми глазами. Проведя тщательный статистический анализ полученных данных, в 1911 г. Морган пришел к выводу, что мутация происходит под воздействием некого фактора, содержащегося в Х-хромосоме. У самок второго поколения, даже если они унаследовали одну Х-хромосому с мутацией белоглазости, информация все равно считывалась со второй, нормальной Х-хромосомы, и у них были красные глаза. Но у самцов не было второй Х-хромосомы, которая могла бы компенсировать эту мутацию. Дальнейшие эксперименты показали, что дрозофилы обладают и другими свойствами, которые также сцеплены с полом и потому должны содержаться в Х-хромосоме. Для обозначения менделевских «наследственных факторов» Морган позаимствовал термин «ген», придуманный датским ботаником Вильгельмом Йогансеном (1857–1927) в 1905 г., и выработал визуальный образ генов как бусин, нанизанных на нитевидные хромосомы.

Важно то, что, хотя каждый индивид наследует по одной копии любого гена от каждого родителя, эти две копии могут вести себя по-разному. Такие разные версии гена называются «аллели». Если обсуждать исследование Менделя, используя современную терминологию, то существует два варианта гена, определяющего цвет горошин: аллель зеленого цвета (обозначим его a) и аллель желтого цвета (A). Этот ген цвета расположен на одной из пар хромосом в клетках гороха, но аллели на каждой из двух нитей в паре не обязательно совпадают. Вот их возможные комбинации: AA, Aa, aA и aa. При комбинации аа все горошины будут зелеными, а при комбинации АА — желтыми. Но при комбинации Aa и aA горошины будут не полосатыми или с желто-зелеными пятнами, а всегда желтыми, потому что аллель A является доминантным. Задействуются только инструкции, заложенные в аллеле A, а инструкции в аллеле a игнорируются. То же самое наблюдается во многих других парах аллелей.

Дальнейшие эксперименты показали, как во время мейоза в результате перетасовки генов в половых клетках получаются новые комбинации. Как было уже сказано выше, парные хромосомы разрываются и обмениваются некоторыми своими участками друг с другом (этот процесс называется «кроссинговер»), а затем снова соединяются (происходит рекомбинация). Чем дальше гены расположены друг от друга на хромосоме, тем выше вероятность, что они будут разделены в ходе кроссинговера и рекомбинации; расположенные близко друг к другу гены, как правило, не разделяются. Благодаря этому факту и титаническим усилиям ученых удалось определить расположение генов на хромосомах некоторых видов. Поворотный момент, который окончательно утвердил менделевскую теорию наследственности и положил начало генетике, настал в 1915 г., когда Морган и его коллеги опубликовали свою знаменитую книгу «Механизм менделевской наследственности» (The Mechanism of Mendelian Heredity). Морган продолжил исследования в этой области, и в 1926 г. вышла его книга «Теория гена» (The Theory of the Gene), а в 1933 г. он получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине «за открытия, касающиеся роли хромосом в наследственности». К тому времени уже была заложена основа для слияния закона естественного отбора с законами наследственности. Позже результат этого слияния получил название «синтетическая теория эволюции»; впервые его использовал внук «бульдога Дарвина» Джулиан Хаксли в своей книге «Эволюция: современный синтез» (Evolution: The Modern Synthesis, 1942).

Парадоксально, но повторное открытие законов Менделя в начале XX в. поначалу рассматривалось как удар по теории естественного отбора Дарвина — Уоллеса. Эта теория подразумевает постепенность изменений; но в ходе своих экспериментов такие исследователи, как де Фриз, обнаружили внезапные изменения от поколения к поколению — изменения цвета, морщинистости и т.д. Это объяснялось тем, что Мендель и его последователи намеренно выбирали примеры, где были явно видны скачки от одного поколения к следующему, такие как желтый или зеленый цвет, морщинистая или гладкая поверхность. Большинство характеристик у большинства организмов не наследуются в соответствии с таким простым правилом — «или-или». Люди не просто высокие или низкие; они разного роста и телосложения, и эти разные фенотипы формируются в результате взаимосвязанного воздействия всего набора генов (генотипа). Чтобы изучить влияние нескольких аллелей одного и того же гена на конкретную характеристику организма, шведский генетик Герман Нильсон-Эле (1873–1949) изучал сорта пшеницы, скрещивая их, чтобы получить зерна пяти разных цветов; он обнаружил, что частота появления этих цветов точно описывалась статистическими законами менделевского наследования применительно к одновременной передаче двух пар аллелей, расположенных на двух разных хромосомах. Эдвард Ист (1879–1938) из Гарвардского университета провел похожие эксперименты с короткими и длинными цветками табака.

Все это побудило генетиков обратиться к математике. Они поняли, что в большой популяции особей, такой как популяция людей на Земле, у одного гена может иметься огромное число аллелей, распределенных по разным организмам. Каждая особь является носителем только двух аллелей, отвечающих за конкретный признак, но в клетках других особей присутствует множество других версий данного гена. Теоретически любые два из этих аллелей могут соединиться в следующем поколении. Если в результате каких-либо изменений в окружающей среде один конкретный аллель повышает приспособленность особи, то он быстро распространяется по популяции.

Например, сегодня люди рождаются с глазами разного цвета, и у голубых или карих глаз нет никакого явного эволюционного преимущества. Но если бы солнечное излучение вдруг изменилось таким образом, что голубоглазые люди стали бы лучше видеть и эффективнее находить пищу (не будем учитывать современные технологии), то аллель, отвечающий за голубой цвет глаз, распространился бы по популяции, и голубоглазые люди стали бы рождаться чаще. В 1920-х гг. четверо математиков решили провести расчеты того, насколько эффективно аллели могут распространяться в популяции. Это были Рональд Фишер (1890–1962) и Джон Холдейн (1892–1964) из Англии, Сьюалл Райт (1889–1988) из США и Сергей Четвериков (1880–1959) из СССР. В 1930 г. Фишер опубликовал книгу «Генетическая теория естественного отбора» (The Genetical Theory of Natural Selection), где описал мощь воздействия естественного отбора на виды с большим количеством разных аллелей среди особей. Его расчеты показали, что если новый аллель, появившийся в результате мутации, обеспечивает несущим его животным преимущество всего в 1% по сравнению с теми, у кого его нет, этот аллель распространится по всей популяции за сто поколений. Это достаточно медленно, чтобы соответствовать геологическим данным, но достаточно быстро, чтобы объяснить идеальный камуфляж жуков-скакунов. Даже самого незначительного индивидуального преимущества, которое практически невозможно обнаружить при изучении популяций животных или растений в дикой природе, достаточно, чтобы гарантировать успех мутировавшему гену. Хотя ученые и продолжали спорить о деталях, фактически синтетическая теория эволюции утвердилась в начале 1930-х гг. Дальше мы сосредоточимся на тех процессах, которые происходят на уровне хромосом, и на открытии роли ДНК в эволюции.

Отправить