Эволюция: Триумф идеи - Карл Циммер

Осторожно помещая пыльцу одного сорта на цветок другого, Мендель скрестил два сорта (с гладкими и сморщенными горошинами) и получил тысячи гибридных семян. Затем он высадил эти семена в монастырском саду и дождался цветения. Получив урожай и вышелушив стручки, он увидел, что все гибридные горошины получились гладкими. Признак сморщенности не наблюдался вообще. После этого Мендель скрестил полученные семена между собой и вырастил второе поколение. Здесь некоторые горошины вновь оказались сморщенными (и морщинки на горошинах были не менее глубокими, чем у их сморщенных предков). Получалось, что признак сморщенности не отсутствовал в гладком поколении; он как бы спрятался в гибридах и позже вновь проявился.

Число сморщенных горошин на каждом кусте было разным, но, проверив большое количество растений, Мендель получил следующее соотношение: одна сморщенная горошина на три гладких. Он проследил судьбу других признаков при скрещивании и получил тот же общий результат: одна зеленая горошина на три желтых, одна белая оболочка семени на три серых, один белый цветок на три фиолетовых.

Мендель понял, что обнаружил закономерность в запутанной проблеме наследственности, но ботаники того времени не обратили на его работу практически никакого внимания. Он умер в монастыре в 1884 г., так и не получив признания в ученом мире; коллеги считали, что Мендель растратил себя на пустяки. На самом же деле этот монах был настоящим первопроходцем в генетике — науке, которая возникла лишь через 16 лет после его смерти. Сегодня, после ста с лишним лет исследований, мы понимаем, почему горох у Менделя рос именно так.

Горох, как и любой другой организм на Земле, несет в каждой из своих клеток сборник молекулярных рецептов по строительству собственного тела. Молекулы — носители этой информации представляют собой дезоксирибонуклеиновую кислоту, более известную как ДНК. По форме они напоминают скрученную в спираль лесенку; информация заключена в «перекладинах» лестницы, каждая из которых состоит из пары химических структур, известных как азотистые основания. Именно основания служат буквами в рецептах жизни, но в отличие, к примеру, от 26 букв английского алфавита код ДНК записан всего четырьмя: это аденин, цитозин, гуанин и тимин.

Каждый ген — участок ДНК, обычно охватывающий несколько тысяч пар оснований, — представляет собой рецепт изготовления какого-нибудь белка. Для выработки этого белка наши клетки создают одноцепочечную копию гена (известную как РНК) и доставляют ее в нужное место. Белки, или протеины, — это длинные молекулярные цепочки, как ДНК и РНК, но состоят они не из оснований, а из соединений другой группы — аминокислот. Опираясь на информацию, заключенную в основаниях РНК, наши клетки подбирают нужные аминокислоты и соединяют их в цепочку; если кусок РНК пройден до конца, новый белок готов. Взаимное притяжение атомов свежесозданного белка заставляет его молекулу свернуться; этот процесс немного напоминает самопроизвольное складывание оригами. Белки могут принимать тысячи разных форм, и роли их не менее многообразны — они могут служить проводниками в клеточных мембранах, придавать жесткость ногтям или разносить кислород от легких по кровеносной системе.

Отношение 3:1, которое Мендель обнаружил при скрещивании гороха, объясняется особым механизмом, при помощи которого рецепты, заключенные в ДНК, передаются от одного поколения к другому. У растений и животных генные рецепты организованы в несколько томов, называемых хромосомами. К примеру, у нас, людей, 25 000 генов, объединенных в 23 пары хромосом. Хромосомы в паре могут иметь одинаковые версии каждого конкретного гена, а могут и разные. При делении обычной клетки каждая из двух дочерних клеток получает полный набор хромосом и, соответственно, генов. Но когда образуются половые клетки — сперматозоиды или яйцеклетки, — то каждая из них получает по одной хромосоме из каждой пары. Какую из двух половинок она получит — дело случая. Когда сперматозоид оплодотворяет яйцо, два набора хромосом сливаются в новые пары, образуя генетический код будущего организма.

Цвет растений гороха у Менделя, их текстура и остальные признаки, которые он регистрировал, контролировались различными генами. Представьте, что один из генов, которые наследовали его растения, существовал в двух различных вариантах; один из них делал горошины гладкими, другой — сморщенными. Сортовой горох с гладкими горошинами имел две одинаковые копии «гладкого» гена; сортовой горох со сморщенными горошинами — две копии гена, дающего сморщенность. Когда Мендель скрещивал два эти сорта, он получал гибриды, у каждого из которых было по одной копии гена «гладкости» и по одной — «сморщенности»; при этом все горошины у такого растения получались гладкими. Генетики до сих пор не до конца понимают почему, но гены, подобные гену «гладкости» гороха, способны доминировать над своими партнерами.

Но ген «сморщенности» в гибридах, хотя и молчит, никуда не исчез. Каждая из половых клеток — и женских, и мужских — такого гибрида получает лишь одну форму этого гена, так что их непосредственные отпрыски могут унаследовать один из родительских вариантов гена с вероятностью 50:50. Это соотношение приводит к тому, что четверть получит два гена сморщенности, четверть — два гена гладкости, а половина — по одной копии каждого типа. Поскольку новые гибриды (те растения, которым досталось по одной копии того и другого гена) опять дадут гладкие горошины, новом поколении отношение гладких горошин к сморщенным составит 3:1.

Наследование большинства признаков гораздо сложнее, чем то, что видел Мендель при скрещивании гороха. Очень часто вид может иметь не два варианта одного гена, а гораздо больше. И редко случается, чтобы за какой-то признак отвечал один-единственный ген. В большинстве случаев бывает задействовано множество разных генов. Род человеческий не делится на тех, кто несет в себе «ген высокого роста» и достигает двух метров роста, и тех, кто из-за «гена маленького роста» вырастает только до полутора метров. В формировании роста человека участвуют многие гены, так что замена одного из них даст совсем небольшую разницу. Если наша ДНК — это поваренная книга, то наше тело — это «шведский стол». Если использовать при выпечке хлеба соль вместо дрожжей, разница получится очень заметной, но если в соус чили по ошибке попадет тимьян вместо душицы, никто даже не заметит.

Разновидности, которые Дарвин наблюдал у своих голубей и усоногих рачков — и которые никак не мог объяснить, — возникают при изменении структуры ДНК. Вообще-то клетки способны воспроизводить ДНК почти безошибочно, но время от времени в процесс все же вкрадываются нарушения. Корректирующие белки находят и исправляют большую часть ошибок, но некоторые остаются. В основном такие редкие отклонения, известные как мутации, меняют всего лишь единственную букву в коде ДНК, но иногда они могут оказаться куда более радикальными. Бывает, что отдельные участки ДНК самопроизвольно «вырезают» себя из одного места и снова вставляются в другое, изменяя тем самым ген, в котором находят себе новый дом. Иногда при копировании ДНК во время деления клетки целый ген, а то и группа генов, случайно дублируется.

Еще в 1920-х гг. ученые начали осознавать, что мутации играют громадную роль в процессе эволюции и возникновении новых видов. Исследователи — в их числе британский математик Рональд Фишер и американский биолог Сьюэлл Райт — объединили естественный отбор и генетику, обеспечив Дарвиновой теории куда более прочное основание.

Когда ДНК мутирует, клетка, в которой это происходит, может просто потерять жизнеспособность и погибнуть, а может начать бешено размножаться и образовать опухоль. В любом из этих случаев со смертью организма-носителя мутация исчезнет. Но если мутация изменяет ДНК яйцеклетки или сперматозоида, она получает шанс на бессмертие. Она может попасть в гены детенышей, потом детенышей детенышей и т. д. От результата этой мутации — благоприятного, неблагоприятного или нейтрального — будет зависеть то, насколько часто она будет встречаться у будущих поколений. Мутации часто причиняют вред и даже убивают своего носителя раньше, чем он успеет родиться, — или сказываются на его способности к размножению. Если мутация заметно снижает шансы особи на репродуктивный успех, она постепенно исчезнет.

Но иногда вместо вреда мутация приносит некоторую пользу. Она может изменить структуру белков, сделав их более эффективными в переваривании пищи или разложении ядовитых веществ. Если действие мутации позволяет организму произвести на свет в среднем больше отпрысков, чем организмам, у которых ее не было, то постепенно она получит большое распространение в популяции. (Биологи сказали бы, что этот мутант более приспособлен, чем остальные.) Если потомство мутанта преуспевает, мутация, носителями которой они являются, получает большее распространение; иногда мутация оказывается настолько успешной, что прежняя версия гена просто исчезает. Естественный отбор, как показали Фишер и Райт, в значительной мере заключается в различной судьбе разных форм генов.