Материя жизни

Если бы оба ваши родителя не вступили в связь именно в тот момент – возможно, в пределах секунды, даже наносекунды, – вас бы здесь не было. И если бы их родители не вступили в связь точно вовремя, вас тоже бы не было. Если бы не получилось подобным же образом и у родителей этих родителей и у тех, которые были до того, и так далее до бесконечности, то вас бы на этом свете не было.

Продвигайтесь сквозь время в обратном направлении, и эти обязательства перед предками будут возрастать. Вернитесь назад всего на восемь поколений, примерно во время, когда родились Чарлз Дарвин и Авраам Линкольн, и вы уже насчитаете более 250 человек, от своевременных совокуплений которых зависит ваше существование. Двигайтесь дальше, во времена Шекспира и первых переселенцев в Америку, и у вас будет не менее 16 384 предков, ревностно обменивавшихся генетическим материалом таким образом, что в результате, в конечном счете, чудесным образом появились вы.

Двадцать поколений назад количество лиц, производивших потомство ради вас, возрастает до 1 048 576 человек. Еще пять поколений до этого – и получаем 33 554 432 мужчин и женщин, от чьих любовных игр зависит ваше существование. К тридцати поколениям назад общее количество предков – имейте в виду, это не кузены, тетушки и другие второстепенные родственники, а только родители и родители родителей в родословной, неотвратимо ведущей к вам, – превышает миллиард (если точно, 1 073 741 824). Если дойдёте до 64 поколений, до времен римлян, число людей, от чьих совместных усилий в конечном счете зависит ваше существование, возрастает до 18 миллионов триллионов, что в несколько миллиардов раз превышает общее количество людей, когда‑либо живших на свете.

Очевидно, с нашей математикой что‑то не так. Ответ, если вам интересно узнать, заключается в том, что ваша родословная не является чистой. Вас бы не было, не будь некоторой доли кровосмешения – в действительности довольно значительной, хотя на генетически благоразумном отдалении. При таком множестве миллионов предков неизбежно наблюдалось обилие случаев, когда какой‑нибудь родственник по вашей материнской линии произвел потомство в паре с отдаленной кузиной, числившейся по отцовской линии. Фактически, если вы со своим партнером или партнершей одной расы и жители одной страны, у вас отличные шансы быть в той или иной степени родственниками. Вообще‑то если вы оглянетесь вокруг в автобусе, парке, кафе или другом людном месте, большинство окружающих вас людей, по всей вероятности, являются родственниками. Если кто‑нибудь похвастается, что он потомок Шекспира или Вильгельма Завоевателя, отвечайте не задумываясь: «Я тоже!» В самом буквальном, самом прямом смысле все мы – одна семья.

Мы также поразительно похожи. Сравните свои гены с генами любого другого человека, и в среднем они будут примерно на 99,9 % одинаковыми. Это то, что делает нас видом. Незначительные отличия в остающейся 0,1 % – «приблизительно одно нуклеотидное основание на тысячу», по оценке недавно удостоенного Нобелевской премии британского генетика Джона Салстона, – это то, что наделяет нас индивидуальностью. За последние годы много сделано для сбора по кусочкам полного генома человека. На самом деле такой вещи, как четко определенный геном человека, не существует. У всех людей геномы разные. Иначе все мы ничем не отличались бы друг от друга[334]. Именно бесчисленные рекомбинации наших геномов – каждый почти идентичен всем остальным, но не совсем – делают нас такими, какие мы есть, и как личности, и как вид.

Но что это за штука, которую мы называем геномом? И что, собственно говоря, такое гены? Хорошо, начнем снова с клетки. Внутри каждой клетки находится ядро, а внутри каждого ядра имеются хромосомы – 46 спутанных пучков, из которых 23 достались вам от матери и 23 от отца. За очень редкими исключениями каждая клетка вашего организма – скажем, 99,999 % – содержит один и тот же набор хромосом. (Исключением являются красные кровяные тельца, некоторые клетки иммунной системы, а также яйцеклетки и мужские половые клетки, которые по различным причинам строения несут неполный генетический набор.) Хромосомы содержат полный набор инструкций, необходимых для создания вас и поддержания вашего существования. Они сделаны из длинных нитей крошечного чуда химии, называемого дезоксирибонуклеиновой кислотой, или ДНК, – как говорят, «самой удивительной молекулы на Земле».

ДНК существует только ради одного – создавать еще больше ДНК, – и внутри вас их великое множество: почти во все клетки их втиснуто почти по 2 метра[335]. Каждая нить ДНК содержит 3,2 млрд знаков кодирования, достаточно, чтобы обеспечить 10^1900000000 возможных комбинаций, что, по словам Кристиана де Дюва, «гарантирует уникальность во всех мыслимых ситуациях». Это огромное количество возможностей – их число выражается единицей с 2 млрд нулей. «Чтобы напечатать это число, потребуется более 5 тысяч томов среднего формата», – замечает де Дюв. Поглядите на себя в зеркало, поразмыслите над тем, что перед вами 10 тысяч трлн клеток[336], почти каждая из которых содержит 2 метра плотно упакованной ДНК, и тогда до вас начнет доходить, сколько этого добра вы носите с собой. Если все ваши ДНК спрясть в одну тонкую нить, ее будет достаточно, чтобы протянуть от Земли до Луны и обратно, причем не раз и не два, а множество раз. Всего же, согласно подсчетам, внутри вас уложено ни много ни мало как 20 трлн км ДНК[337].

Короче говоря, ваш организм очень любит вырабатывать ДНК, без нее вы не смогли бы жить. Но сама ДНК не живая. Все молекулы неживые, но у ДНК это особенно выражено. По словам генетика Ричарда Левонтина[338], она «относится к числу самых химически инертных молекул живого мира». Потому‑то при расследовании убийств ее можно извлечь из давно высохшей крови или спермы или же при определенном терпении добыть из костей древнего неандертальца. Этим также объясняется, почему ученым потребовалось так много времени, чтобы разгадать, каким образом столь интригующе пассивное – другими словами, безжизненное – вещество может находиться в самой сердцевине жизни.

О существовании ДНК известно дольше, чем вы могли бы подумать. Ее открыл еще в 1869 году швейцарский ученый, работавший в Тюбингенском университете в Германии, Иоганн Фридрих Мишер. Разглядывая под микроскопом гной на перевязочном материале, Мишер обнаружил неизвестное ему вещество, назвав его нуклеином (потому что оно находилось в ядрах клеток). В то время Мишер всего лишь отметил его существование, но нуклеин явно оставался в его памяти, потому что двадцать три года спустя в письме своему дяде он поднял вопрос о возможности того, что такие молекулы могли бы стоять за механизмом наследственности. Это было поразительное озарение, но настолько обогнавшее научные потребности времени, что предположение не привлекло ни малейшего внимания.

Большую часть первой половины следующего столетия предположение сводилось к тому, что это вещество – теперь называвшееся дезоксирибонуклеиновой кислотой, или ДНК, – играло в вопросах наследственности самую второстепенную роль. Она была слишком простой, имела всего четыре основных ингредиента, названных нуклеотидами, все равно что алфавит из четырех букв. Как можно было изложить историю жизни посредством такого зачаточного алфавита? (Ответ состоит в том, что это во многом напоминает составление сложных сообщений в виде точек и тире азбуки Морзе – путем их комбинирования.) Можно сказать, ДНК была не у дел. Просто торчала в ядре, возможно, каким‑нибудь образом связывала хромосому, или немного увеличивала по сигналу кислотность среды, или выполняла какую‑то другую пустячную задачу, о которой пока никто не думал. Считалось, что необходимой сложностью обладают только находящиеся в ядре белки.

Но списывание со счетов ДНК порождало пару проблем. Во‑первых, ее было так много – почти по 2 метра в каждом ядре, – что клетки явно придавали ей большое значение. Ко всему прочему, она, словно подозреваемый в неразгаданном убийстве, неизменно обнаруживалась в экспериментах, особенно в двух исследованиях: одном, связанном с пневмонококковой бактерией, и другом, где изучались бактериофаги (вирусы, заражающие бактерии). Тем самым ДНК невольно обнаруживала свое значение, которое можно было объяснить только тем, что она играет более существенную роль, чем позволяло считать господствовавшее мнение. Факты подсказывали, что ДНК каким‑то образом вовлечена в создание белков – важнейший для жизни процесс, но было также ясно, что белки создаются вне ядра, на порядочном расстоянии от ДНК, которая предположительно управляет их сборкой.

Никто был не в состоянии понять, каким образом ДНК вообще могла передавать сообщения белкам. Ответом, как теперь мы знаем, является РНК, или рибонуклеиновая кислота, служащая между ними переводчиком. Это удивительная странность биологии: ДНК и белки не говорят на одном языке. Почти четыре миллиарда лет они служат выдающимся примером двустороннего взаимодействия в живом мире, и тем не менее они отзываются на несовместимые коды, как если бы одна сторона говорила на испанском, а другая на хинди. Для общения они нуждаются в медиаторе в виде РНК. Работая совместно с химическим секретарем, называемым рибосомой, РНК переводит информацию клеточной ДНК на язык белков[339].

Однако к началу 1900‑х годов, откуда возобновляется наш рассказ, мы были очень далеки от понимания этого и, в сущности, почти от всего остального, связанного с запутанным вопросом наследственности.

Ясно, что возникла необходимость во вдохновенном и умном экспериментировании, и, к счастью, время выдвинуло молодого ученого, обладавшего необходимыми качествами. Его звали Томас Хант Морган. В 1904 году, через четыре года после своевременного переоткрытия результатов экспериментов Менделя с горохом и почти за 10 лет до появления слова «ген», он целиком отдался исследованию хромосом.

Хромосомы были случайно открыты в 1888 году[340]и получили такое название потому, что легко впитывали красители и тем самым были хорошо видны под микроскопом. К концу столетия появились обоснованные предположения, что они принимают участие в передаче наследуемых свойств, однако никто не знал, каким образом, да и действительно ли это так.

Объектом изучения Морган избрал дрозофилу, маленькую нежную плодовую мушку, официально называемую Drosophila melanogaster. Дрозофила известна большинству из нас как хрупкое бесцветное насекомое, которое, кажется, так и тянет утонуть в нашей выпивке. Как лабораторный материал они обладали определенными, довольно важными преимуществами: их почти ничего не стоило содержать и кормить, можно было размножать миллионами в молочных бутылках, от зарождения до половой зрелости им требовалось десять дней или меньше, и у них было всего четыре хромосомы, что заметно упрощало дело.

Работая в маленькой лаборатории (получившей известность как Fly Room – «мушиная комната») в корпусе им. Шермерхорна Колумбийского университета в Нью‑Йорке, Морган со своей группой принялся за программу методичного разведения и скрещивания миллионов мушек (один биограф называет миллиарды, хотя это, вероятно, преувеличение), каждую из которых нужно было брать пинцетом и через ювелирную лупу изучать малейшие изменения в наследственности. Шесть лет они пытались вызывать мутации всеми способами, какие только приходили в голову – подвергали мушек радиоактивному и рентгеновскому облучению[341], выращивали на ярком свету и в темноте, слегка поджаривали в термостатах, бешено крутили в центрифугах, – но ничто не действовало. Морган уже готовился было бросить это занятие, когда вдруг неожиданно появилась воспроизводимая мутация – мушка с белыми, а не красными, как обычно, глазами. После этого успеха Морган со своими ассистентами получили возможность вызывать полезные уродства, позволяющие проследить новое свойство в последующих поколениях[342]. Таким путем они смогли определить взаимосвязь между конкретными признаками мушек и отдельными хромосомами и в конечном счете более или менее убедительно доказать, что в основе наследственности лежат хромосомы.

Проблема, однако, оставалась на следующем уровне биологического лабиринта: загадочные гены и составляющая их ДНК. Выделить их и разобраться в них было куда более хитрым делом. Даже в 1933 году, когда Морган за свои труды удостоился Нобелевской премии, многие исследователи все еще не были убеждены даже в существовании генов. Как заметил в то время Морган, не было согласия «о том, что такое гены – нечто реально существующее или же чистый вымысел». Может показаться удивительным, что ученым приходилось бороться за признание физического существования чего‑то важного для жизнедеятельности клетки, но, как пишут Уоллес, Кинг и Сэндерс в книге «Биология: Наука о жизни» (редчайшая вещь: приятный для чтения учебник), сегодня мы во многом в таком же положении относительно умственных процессов, таких как мысль и память. Разумеется, мы знаем, что они у нас есть, однако не знаем, в какую физическую форму они облечены, если такая форма вообще есть. Так очень долго было с генами. Мысль, что можно выдернуть один из них из вашего тела и забрать с собой для исследования, многим коллегам Моргана казалась такой же нелепой, как и мысль, что сегодня ученые могли бы взять первую попавшуюся мысль и исследовать ее под микроскопом.

Вполне достоверно было известно лишь то, что существует нечто, связанное с хромосомами, что управляло самовоспроизведением клеток. Наконец в 1944 году после пятнадцатилетних усилий группа ученых Рокфеллеровского института на Манхэттене во главе с блестящим, но нерешительным канадцем Освальдом Эвери успешно провела крайне сложный эксперимент, в ходе которого безвредный штамм бактерий был превращен в устойчиво заразный путем переноса чужой ДНК. Тем самым было доказано, что ДНК – это нечто большее, нежели пассивная молекула, и почти определенно она является активным фактором наследственности. Позднее биохимик Эрвин Чаргафф, уроженец Австрии, совершенно серьезно высказывался в том смысле, что открытие Эвери заслуживало двух Нобелевских премий.

К сожалению, против Эвери выступил один из его собственных коллег по институту, Альфред Мирски, упрямый, с тяжелым характером, приверженец идеи белка, сделавший все, что было в его силах, для дискредитации труда Эвери, включая, как говорили, давление на руководство Королевского института в Стокгольме, чтобы Эвери не присуждали Нобелевской премии. Эвери к тому времени было 66 лет, и он устал. Не в силах терпеть стрессы и споры, он оставил свой пост и больше не возвращался в лабораторию. Однако эксперименты в других местах безоговорочно подтвердили его выводы, и скоро началась гонка в поисках строения ДНК.

Если бы вы были любителем держать пари в начале 1950‑х годов, то почти наверняка поставили бы на то, что ключ к структуре ДНК подберет выдающийся американский химик Лайнус Полинг из Калифорнийского технологического института. Полингу не было равных в определении строения молекул, он был пионером в области рентгеновской кристаллографии, техники, которая окажется решающей, когда потребуется заглянуть в сердцевину ДНК. За свою блистательную карьеру он удостоится двух Нобелевских премий (за достижения в области химии в 1954 году и премии мира в 1962 году), но что касается ДНК, он был убежден, что ее структура представляет собой не двойную, а тройную спираль, и так и не пошел по верному следу. Вместо него победа неожиданно досталась четверке ученых из Англии, которые не работали вместе, мало общались и большей частью были новичками в данной области.

Из этих четверых обычному представлению об ученом более всего соответствовал Морис Уилкинс, который значительную часть Второй мировой войны участвовал в создании атомной бомбы. Двое других, Розалинд Франклин и Фрэнсис Крик, выполняли правительственные задания – Крик занимался минами, Франклин работала в области добычи угля.

Самым необычным из всей четверки был Джеймс Уотсон, американский вундеркинд, который еще в детстве получил известность как участник очень популярной радиовикторины The Quiz Kids (и таким образом хотя бы отчасти явился прототипом героев «Франни и Зуи» и других книг Дж. Д. Сэлинджера) и в возрасте всего 15 лет поступил в Чикагский университет. В 22 года получил степень доктора философии и теперь работал в знаменитой Кавендишской лаборатории в Кембридже. В 1951 году он был неуклюжим 23‑летним малым с поразительно живописной шевелюрой – впечатление такое, словно волосы притягивал расположенный за рамкой фотографии мощный магнит.

Крик был на 12 лет старше и еще без докторской степени, менее косматый и чуть небрежнее в одежде. Уотсон описывал его хвастливым, шумным, горячим спорщиком, нетерпеливым в разговоре с медлительным собеседником и постоянно куда‑то спешившим. Ни у того, ни у другого не было специальной подготовки в области биохимии.

Они предположили – как оказалось, правильно, – что если определить форму молекулы ДНК, то можно было бы понять, как она делает свое дело. Они, казалось, надеялись достичь этого, работая как можно меньше, кроме как головой, и не делая ничего, кроме самого необходимого. Как игриво (хотя и чуть неискренне) заметил в своей автобиографической книге «Двойная спираль» Уотсон, «я надеялся, что загадку гена можно было распутать и без того, чтобы изучать химию». По существу, им никто не поручал работать с ДНК, а одно время было приказано прекратить эту работу. Уотсон вроде бы осваивал искусство кристаллографии; Крик, считалось, завершал диссертацию о дифракции рентгеновских лучей в крупных молекулах.

Хотя почти все заслуги в решении загадки ДНК в популярных описаниях отводятся Крику и Уотсону, их успех в решающей степени зависел от экспериментальных работ их конкурентов, результаты которых, по тактичному выражению историка Лайзы Жарден[343], были добыты «по счастливой случайности». Крика и Уотсона далеко обогнали, по крайней мере, вначале, двое научных сотрудников из Королевского колледжа в Лондоне, Уилкинс и Франклин.

Уроженец Новой Зеландии Уилкинс был крайне застенчив и скромен. В 1998 году в передаче американской общественной телекомпании Пи‑би‑эс об открытии структуры ДНК – блестящем достижении, за которое он разделил в 1962 году с Криком и Уотсоном Нобелевскую премию, – ухитрились полностью обойти его вниманием.

Самой загадочной фигурой из всех них была Франклин. Далеко не лестно изображая ее в «Двойной спирали», Уотсон характеризует Франклин как недалекую, замкнутую, необщительную от природы женщину и – что, кажется, особенно раздражало его – чуть ли не вызывающе непривлекательную. Он допускал, что она «была недурна собой и могла бы выглядеть довольно шикарно, прояви она каплю интереса к одежде», но здесь она не оправдывала никаких надежд. Она даже не пользовалась губной помадой, удивлялся он, хотя в одежде «полностью демонстрировала вкус, присущий английским инфантильным "синим чулкам"»*.

–

* (В 1968 году издательство «Гарвард юниверсити пресс» отказалось печатать «Двойную спираль», после того как Крик и Уилкинс высказали недовольство характеристиками упоминавшихся там лиц, которые Лайза Жарден назвала «необоснованно оскорбительными». Цитируемые выше описания приводятся в выражениях, употреблявшихся Уотсоном после того, как он смягчил свои замечания.)

Однако у нее были действительно самые лучшие из имевшихся изображений возможной структуры ДНК, полученные методом рентгеновской кристаллографии, техники, которую усовершенствовал Лайнус Полинг. Кристаллография успешно применялась для определения положений атомов в кристаллах (отсюда «кристаллография»), но молекулы ДНК были куда более капризным предметом. Одной Франклин удавалось получать хорошие результаты, но, к постоянному раздражению Уилкинса, она отказывалась делиться добытыми ею сведениями.

Но если Франклин и не горела желанием делиться своими находками, ее не следует судить строго. В 1950‑х годах на женщин‑ученых в Королевском колледже смотрели с таких холодным высокомерием, которое подавило бы добрые чувства у любого современного человека (да и у любого человека вообще). Какое бы высокое положение они ни занимали, какой бы квалификацией ни обладали, их не допускали в профессорскую колледжа, и потому им приходилось столоваться в зале попроще, который даже Уотсон именовал «грязной дырой». К тому же на нее постоянно нажимала – порой довольно настойчиво – мужская троица, требуя поделиться результатами. Их безудержное желание взглянуть на плоды ее трудов редко уравновешивалось более располагающими проявлениями, скажем, уважительным отношением. «Боюсь, что мы всегда относились к ней… скажем, свысока», – вспоминал впоследствии Крик. Двое из этих мужчин были из соперничавшего учреждения, а третий более или менее открыто был на их стороне. Вряд ли стоит удивляться, что она держала свои результаты под замком.

То, что Уилкинс и Франклин не ладили между собой, похоже, было на руку Уотсону с Криком. Хотя эти двое довольно бесцеремонно вторгались на территорию Уилкинса, он все больше вставал на их сторону – неудивительно, что и Франклин стала вести себя явно странно. Хотя ее результаты свидетельствовали, что ДНК определенно имела форму спирали, она везде упорно утверждала, что это не так. Летом 1952 года, видимо, чтобы напугать и смутить Уилкинса, она расклеила на физическом факультете шуточное объявление, в котором говорилось: «С глубоким прискорбием извещаем о кончине в пятницу, 18 июля 1952 года, спирали ДНК… Выражается надежда, что с памятным словом о покойной спирали выступит доктор М. Г. Ф. Уилкинс».

Кончилось тем, что в январе 1953 года Уилкинс показал Уотсону снимки Франклин, «по‑видимому, без ее ведома или согласия». Сказать, что это ему очень помогло, значит ничего не сказать. Много лет спустя Уотсон признал, что «это было ключевым моментом… это придало нам сил». Получив представление об общей форме молекулы ДНК и некоторые важные данные о размерах ее элементов, Уотсон с Криком удвоили усилия. Казалось, все складывалось в их пользу. Одно время Полинг отправился было на конференцию в Англию, на которой он, по всей вероятности, встретился бы с Уилкинсом и узнал бы от него достаточно, чтобы поправить некоторые из своих неверных представлений, из‑за которых он пошел по неправильному пути. Но это было время маккартизма, и Полинга задержали в нью‑йоркском аэропорту Айдлуайлд и отобрали паспорт в связи с тем, что его слишком либеральные настроения были сочтены препятствием для выезда за границу. Крику с Уотсоном повезло не меньше: сын Полинга тоже работал в Кавендишской лаборатории, и он наивно держал их в курсе всех новостей о результатах и неудачах работ в его стране.

Все еще оставаясь перед лицом опасности быть в любой момент обойденными, Уотсон с Криком лихорадочно торопились завершить работу. Было известно, что ДНК состоит из 4 химических компонентов: аденина, гуанина, цитозина и тиамина, – и что эти компоненты определенным образом соединяются в пары. Вертя вырезанные по форме молекул кусочки картона, Уотсон и Крик сумели определить, как они подгоняются друг к другу. Подобно детскому конструктору они создали из них модель, – пожалуй, самую знаменитую в современной науке, – состоявшую из свинченных в спираль металлических пластинок, и пригласили взглянуть на нее Уилкинса, Франклин и остальной мир. Любой знающий человек мог сразу видеть, что проблему они решили. Нет никакого сомнения, что это был блестящий образец детективной работы, независимо от того, подтолкнуло ли их к этому добытое у Франклин изображение или нет.

Вышедший 25 апреля 1953 года номер журнала Nature содержал заметку Уотсона и Крика на 900 слов, озаглавленную «Строение дезоксирибозной нуклеиновой кислоты». Она сопровождалась отдельными статьями Уилкинса и Франклин. Это было богатое событиями время – Эдмунд Хиллари[344]вот‑вот должен был забраться на вершину Эвереста, а Елизавете II вскоре предстояло короноваться на престол, так что открытие тайны жизни в основном прошло незамеченным. О нем кратко сообщила газета «Ньюс кроникл», а другие издания не обратили внимания.

Розалинд Франклин не получила Нобелевской премии. Она умерла от рака в 1958 году, за 4 года до присуждения награды. Нобелевские премии посмертно не присуждаются. Рак почти наверняка был следствием постоянного рентгеновского облучения в ходе ее работы. Его можно было избежать. В удостоившейся многих похвал ее биографии Бренда Мэддокс отмечает, что Франклин редко надевала свинцовый фартук и неосторожно становилась под лучи. Освальд Эвери тоже так и не получил Нобелевской премии и в значительной мере остался незамеченным последующими поколениями, но, по крайней мере, получил удовлетворение от того, что дожил до подтверждения своего открытия. Умер он в 1955 году.

В действительности открытие Уотсона и Крика не находило независимых подтверждений до 1980‑х годов. В одной из своих книг Крик писал: «Потребовалось больше 25 лет, чтобы наша модель ДНК из довольно правдоподобной стала весьма вероятной… а потом фактически совершенно корректной».

Но, даже несмотря на постепенность признания, после выяснения строения ДНК развитие генетики пошло быстрыми темпами, и к 1968 году журнал Science мог опубликовать статью, озаглавленную «Это была молекулярная биология…», в которой высказывалось предположение – это покажется невероятным, но это так, – что работа в области генетики почти завершена.

Разумеется, в действительности она только начиналась. Даже теперь нам едва понятно очень многое из того, что относится к ДНК, не в последнюю очередь то, почему значительная ее часть, как представляется, остается не у дел. 97 % вашей ДНК не содержат ничего, кроме длинных последовательностей бессмысленного «мусора», или «некодирующих фрагментов», как предпочитают выражаться биохимики. Только в отдельных местах каждой нити то тут, то там находятся участки, управляющие жизненными функциями и организующие их. Это и есть те удивительные и долго ускользавшие от обнаружения гены.

Гены – это не больше (и не меньше), чем инструкции по синтезу белков. И эту функцию они осуществляют с неизменной тупой точностью. В этом смысле они довольно похожи на клавиши фортепьяно: каждая издает одну ноту, и больше ничего, что, разумеется, немного монотонно. Но комбинируйте гены, как вы комбинируете фортепьянные клавиши, и тогда вы можете творить бесконечное разнообразие аккордов и мелодий. Соедините все эти гены, и получите (продолжим сравнение) великую симфонию жизни, известную как геном человека.

Более привычно уподоблять геном своего рода руководству по обеспечению функционирования организма. Если смотреть под этим углом, хромосомы можно представить как главы книги, а гены как отдельные инструкции по производству белков. Слова, которыми написаны инструкции, называются кодонами, а буквы известны как основания. Основания – буквы генетического алфавита – это четыре нуклеотида, упоминавшихся страницей или двумя выше, – аденин, тиамин, гуанин и цитозин. Несмотря на важность того, чем они занимаются, в этих веществах нет ничего необычного. Гуанин, например, это вещество, которое в большом количестве содержится в гуано, откуда и происходит его название.

Как всем известно, молекула ДНК формой походит на винтовую лестницу или на скрученную веревочную лесенку: знаменитая двойная спираль. Вертикальные элементы этой структуры состоят из разновидности сахара, носящей название дезоксирибоза, а вся спираль представляет собой нуклеиновую кислоту – отсюда название «дезоксирибонуклеиновая кислота». Перекладины (или ступеньки) образуются соединяющимися в промежутках двумя основаниями, причем они соединяются только двумя способами: гуанин всегда соединяется с цитозином, а тиамин – всегда с аденином. Последовательность, в которой эти буквы появляются, если двигаться вверх или вниз по лестнице, составляет генетический код; его точным считыванием занят международный проект «Геном человека».

А самая яркая особенность ДНК заключается в способе ее самовоспроизведения. Когда приходит время создавать новую молекулу ДНК, обе нити расходятся, подобно молнии на куртке, и половинки разделяются, чтобы образовать новую компанию. Поскольку каждый нуклеотид соединяется только с одним парным ему нуклеотидом, каждая нить служит матрицей для создания новой подходящей ей в пару нити. Имея всего одну нить собственной ДНК, довольно просто воссоздать парную ей вторую нить, подобрав нужные партнерства: если верхняя ступенька на одной нити из гуанина, тогда известно, что верхняя ступенька другой нити должна быть из цитозина. Пройдите вниз по лесенке, подбирая пары ко всем нуклеотидам, и в конце будете иметь код новой молекулы. Именно так происходит в природе, только в природе это совершается очень быстро – за считанные секунды, что можно назвать вершиной проворства.

По большей части наша ДНК самовоспроизводится со строжайшей точностью, но изредка – примерно один раз из миллиона – буква становится не на то место. Эти явления известны как однонуклеотидный полиморфизм, или SNP. Биохимики немного фамильярно называют их «снипами»[345]. Они обычно теряются в некодирующих звеньях ДНК и не вызывают заметных последствий для организма, но порой оказываются важными. Они могут сделать вас предрасположенным к какому‑нибудь заболеванию, но в равной мере могут даровать какое‑нибудь небольшое преимущество, например более эффективную защитную пигментацию или способность вырабатывать больше красных кровяных телец, эритроцитов, у кого‑нибудь, обитающего на высокогорье. Со временем эти небольшие изменения накапливаются и в индивидуумах, и в популяциях, способствуя отличию тех и других.

Равновесие между точностью и ошибками при самовоспроизведении весьма деликатное. Слишком много ошибок – и организм не может функционировать, слишком мало – и он поступается приспособляемостью[346]. Подобное же равновесие должно быть в организме между устойчивостью и изменчивостью. Рост числа красных кровяных телец может помочь человеку или группе людей, живущих на больших высотах, легче двигаться и дышать, потому что с ростом числа эритроцитов кровь может переносить больше кислорода. Но дополнительные эритроциты также делают кровь более вязкой. Добавьте их слишком много, и, пользуясь сравнением антрополога Темпльского университета Чарлза Вейтца, она станет «густой, как нефть». Это большая нагрузка на сердце. Таким образом, те, кто приспособлен жить на высоте, лучше дышат, но платят за это повышенным риском заболеваний сердца. Таким путем Дарвинов естественный отбор заботится о нас. Он также помогает объяснить, почему мы все так похожи[347]. Эволюция просто не даст вам слишком сильно измениться – во всяком случае, без того, чтобы стать новым видом.

Разница в 0,1 % между вашими и моими генами объясняется тем самым полиморфизмом наших нуклеотидов[348]. А если вы сравните свою ДНК с ДНК кого‑то третьего, соответствие тоже будет составлять 99,9 %, но полиморфизм будет в большинстве случаев проявляться в других звеньях. Возьмите для сравнения еще больше людей, и вы получите еще больше примеров полиморфизма, однако в еще большем количестве звеньев. На каждое из 3,2 млрд ваших оснований где‑то на планете найдется человек или группа людей с иным кодом в этом месте[349]. Так что неправильно говорить не только о каком‑то определенном, едином для всех геноме человека, но, в известном смысле, даже вообще о геноме человека. Их насчитывается 6 млрд. Все мы на 99,9 % одинаковы, но в равной мере, по словам биохимика Дэвида Кокса[350], «вы могли бы утверждать, что между всеми представителями рода человеческого нет ничего общего, и это было бы тоже верно».

Но нам все еще надо объяснить, почему такая малая часть ДНК имеет какое‑то ощутимое предназначение. Хотя от этого становится несколько не по себе, но, похоже, цель жизни действительно состоит в том, чтобы обеспечивать вечное существование ДНК. 97 % в наших ДНК, обычно называемых «мусором», по большей части состоят из наборов букв, как говорит Мэтт Ридли, «существующих по одной простой причине – они хорошо умеют воспроизводиться»*.

–

* (Вообще‑то «мусорная» часть ДНК используется. Ее задействуют в «генной дактилоскопии». Применимость в криминалистике была случайно открыта ученым из Лестерского университета Алеком Джеффрисом. В 1986 году Джеффрис расшифровывал последовательности ДНК для выявления генетических маркеров, связанных с наследственными заболеваниями, когда к нему обратились из полиции и попросили помочь установить причастность одного подозреваемого к двум убийствам. Он подумал, что его методика должна идеально подходить для раскрытия преступлений – так оно и получилось. Молодой пекарь Колин Питчфорк за убийства был приговорен к двум пожизненным срокам тюремного заключения.)

Другими словами, большая часть вашей ДНК преданно служит не вам, а самой себе: вы для нее, а не она для вас. Жизнь, как вы помните, просто хочет быть; это как раз и делает ДНК.

Даже когда ДНК включает инструкции по созданию белков, или, как говорят ученые, кодирует их, – это не обязательно ради гладкого функционирования данного организма. Один из самых распространенных генов, который есть у нас, служит для синтеза белка, называемого обратной транскриптазой, не выполняющего никакой известной полезной функции для человека. Единственное, что он делает, так это дает возможность ретровирусам, таким как ВИЧ, проникать незамеченными в человеческий организм.

Другими словами, наши организмы прилагают значительные усилия для производства белка, который не приносит никакой пользы, а порой вредит нам. У них нет другого выбора, потому что так приказывают гены[351]. Мы – сосуды для их прихотей. В общем, почти половина человеческих генов – самая большая доля среди всех изученных организмов – не делает, можно сказать, ничего, кроме собственного воспроизводства.

Все организмы в некотором смысле рабы своих генов. Потому‑то лососи и пауки и, можно сказать, бесчисленное множество других существ готовы умереть при спаривании. Страстное желание плодиться, рассеивать свои гены – самый могучий импульс в природе. Как пишет Шервин Б. Нуланд: «Рушатся империи… создаются великие симфонии, и за всем этим стоит безотчетный инстинкт, требующий удовлетворения». С эволюционной точки зрения секс, – это всего лишь награда, поощряющая нас к передаче своего генетического материала.

Ученые только‑только освоились с поразительным известием, что большая часть наших ДНК ничего не делает, как стали происходить еще более неожиданные открытия. Сначала в Германии, потом в Швейцарии исследователи провели ряд довольно странных экспериментов, которые дали совершенно неожиданные и весьма интересные результаты. В одном из них взяли ген, управляющий развитием глаза мыши, и ввели его в личинку плодовой мушки. Думали, что в результате получится что‑то гротескное. На деле же ген мышиного глаза не только создал у мухи жизнеспособный глаз, но это был мушиный глаз. Налицо были два существа, не имевшие общего предка 500 миллионов лет, тем не менее способные обмениваться генетическим материалом, словно родные сестры.

То же самое наблюдалось всюду, куда заглядывали исследователи. Они обнаружили, что можно ввести ДНК человека в определенные клетки мух – и мухи примут ее как свою собственную. Оказывается, более 60 % человеческих генов в основном те же, что найдены в плодовых мушках. По меньшей мере 90 % на том или ином уровне соотносятся с генами, найденными у мышей. (У нас даже есть гены для создания хвоста, если бы только они включались в работу). В одной области за другой исследователи обнаруживали, что с каким бы организмом они ни работали – будь то черви‑нематоды или люди, – они часто изучали одни и те же гены. Жизнь, казалось, была создана по одному набору чертежей.

Дальнейшие исследования привели к открытию существования группы мастер‑генов, каждый из которых руководит развитием части тела; их окрестили гомеотическими (от греческого, означающего «подобный»). Эти гены дали ответ на давно ставивший в тупик вопрос: каким образом миллиарды эмбриональных клеток, все появляющиеся из одной оплодотворенной яйцеклетки и содержащие одинаковую ДНК, знают, куда направляться и чем заниматься – той надо стать клеткой печени, этой вытянуться в нервную клетку, этой стать частицей крови, а этой – частицей блестящего в крыле перышка. Вот эти гены и дают им указания и делают это во многом одинаково во всех живых организмах.

Интересно, что количество генетического материала и его организация не обязательно отражают, даже, как правило, не отражают, степень сложности содержащего его живого существа. У нас 46 хромосом, а некоторые папоротники насчитывают более 600. У двоякодышащей рыбы, одного из наименее эволюционировавших среди сложных животных, в сорок раз больше ДНК, чем у нас. Даже обыкновенный тритон генетически куда богаче нас – примерно в 5 раз.

Ясно, что важно не количество генов, а то, что вы с ними делаете. Это очень хорошо, потому что в последнее время с числом генов у людей произошли крутые изменения. До недавнего времени считалось, что у людей по крайней мере 100 тысяч генов, а возможно, значительно больше, однако эта цифра была коренным образом урезана после первых результатов, полученных по программе «Геном человека», которая назвала число ближе к 35–40 тысячам генов[352]– столько же, сколько насчитали в траве. Это явилось полной неожиданностью и вызвало разочарование.

От вашего внимания, наверное, не ускользнуло, что гены обычно бывают причастны к целому ряду человеческих слабостей. Ученые в разное время с ликованием провозглашали, что нашли гены, ответственные за ожирение, шизофрению, гомосексуализм, склонность к преступлениям и насилию, алкоголизм, даже за воровство в магазинах и бродяжничество. Пожалуй, высшей (или низшей) точкой этой непоколебимой веры в биодетерминизм была работа, опубликованная в 1980 году в журнале Science, в которой утверждалось, что женщины генетически менее способны к математике. На самом деле, как теперь известно, почти ничего, что касается человека, нельзя определить так легко и просто.

Это достойно сожаления в одном важном аспекте, потому что если бы у вас были отдельные гены, определяющие рост, предрасположенность к диабету или к облысению или какое‑либо другое отличительное свойство, было бы легко – во всяком случае, сравнительно легко – выделить их и попытаться починить. К сожалению, 35 тысяч функционирующих независимо генов даже близко недостаточно для создания такого сложного существа, каким является человек. Некоторые болезни – например, гемофилия, болезнь Паркинсона[353], болезнь Хантингтона и кистозный фиброз (муковисцидоз) – вызываются одиночными нарушенными генами, но, как правило, вредоносные гены выпалываются естественным отбором задолго до того, как они начнут причинять систематический ущерб виду или популяции. По большей части наша судьба и наше благополучие – и даже цвет глаз – определяются не отдельными генами, а группами генов, действующих объединенными усилиями. Потому‑то так трудно разобраться, как все это стыкуется, и потому мы еще не скоро будем производить на свет младенцев по заказу.

В сущности, чем больше мы узнаем в последние годы, тем более сложные возникают вопросы. Оказывается, что даже размышления влияют на характер работы генов. Скорость, с какой растет борода у мужчины, например, отчасти зависит от того, как много он думает о сексе (потому что мысли о сексе вызывают выброс тестостерона). В начале 1990‑х годов ученые сделали еще более значительное открытие, когда обнаружили, что могут изъять из эмбрионов мыши гены, которые предположительно считались жизненно важными, и тем не менее мыши часто рождались не только здоровыми, но порой более здоровыми, чем их братья и сестры, которых не трогали. Оказалось, что когда уничтожались отдельные важные гены, их место занимали другие, закрывая брешь. Это отличная новость для нас как живых организмов, но не такая хорошая для понимания того, какже все‑таки работают клетки, поскольку она добавляет еще один уровень сложности к явлению, в котором мы только‑только начали разбираться.

В значительной степени из‑за этих усложняющих факторов вдруг оказалось, что мы только начинаем понимать геном человека. Геном, по выражению Эрика Ландера[354]из Массачусетского технологического института, это вроде сборочного листа человеческого тела: в нем говорится, из чего мы сделаны, но ничего нет о том, как мы функционируем. Теперь нам требуется руководство по эксплуатации – указания, как его запустить. Нам до этого еще очень неблизко.

А теперь стоит задача расшифровать протеом человека – это понятие настолько новое, что самого термина «протеом» десяток лет назад еще не было в помине. Протеом – это библиотека, содержащая информацию, по которой строятся белки. «К сожалению, – отмечал журнал Scientific American весной 2002 года, – протеом намного сложнее генома»[355].

И это еще мягко сказано. Белки, как вы помните, это рабочие лошадки всех живых организмов. В любой клетке в любое время могут быть заняты делом целых 100 млн белковых молекул. Уйма дел, в которых надо попробовать разобраться. Хуже того, поведение и деятельность белков зависят не только от их химии, как у генов, но и от их формы. Чтобы функционировать, белок должен не только состоять из надлежащим образом собранных химических компонентов, но, кроме того, должен уложиться в строго определенную форму. Термин «укладка» немного дезориентирует, поскольку наводит на мысль о геометрической аккуратности, чего на самом деле нет. Белки перекручиваются, сворачиваются в петли и спирали, сминаются, принимая замысловатые сложные формы. Они скорее походят на бешено скомканные проволочные плечики для одежды, нежели на сложенные полотенца.

Более того, белки (если мне будет позволено воспользоваться уместным здесь архаизмом) можно назвать распутниками биологического мира. В зависимости от настроения и положения с обменом веществ они среди всего прочего позволяют себе фосфорилироваться, гликозилироваться, ацетилироваться, убиквитинироваться, сульфатироваться и цепляться к гликофосфатдилинозитоловым якорям. Привести их в движение часто бывает сравнительно легко. Выпейте бокал вина, замечает журнал Scientific American, и тут же во всем организме существенно изменится количество и характер белков. Это приятно для пьющих, но далеко не помогает генетикам, пытающимся разобраться в том, что же происходит.

Все это может показаться невероятно сложным, и в некоторых отношениях действительно невероятно сложно. Но за всем этим также скрывается простота, в основе которой лежит единый характер жизнедеятельности. Все эти незаметные искусные химические процессы, дающие жизнь клеткам, – совместные усилия нуклеотидов, транскрипция ДНК в РНК, – развились лишь единожды и с тех пор оставались довольно устойчивыми во всей природе. Как полушутя заметил покойный французский генетик Жак Монод[356]: «Все, что верно в отношении Е. coli (кишечной палочки), верно и в отношении слонов, разве что в большей степени».

Все живые существа – это реализации одного первоначального плана. Как человеческие существа мы всего лишь надстройка – каждый из нас представляет собой заплесневелый архив приспособленностей, адаптации, модификаций и удачных переделок, уходящих в глубь времен на 3,8 млрд лет. Как ни удивительно, мы довольно близкие родственники фруктов и овощей. Около половины химических процессов, протекающих в бананах, принципиально те же самые, что протекают внутри вас. Не будет лишним чаще повторять: все живое едино. Это есть, и, я полагаю, будет всегда, самая глубокая из существующих истин.

VI

Date: 2016-01-20; view: 310; Нарушение авторских прав