Тимо Зибер, Хельга Хофманн-Зибер

Дикие гены. О скрытой жизни внутри нас

Посвящается Майке и Адриану

Перевод с немецкого выполнил С. Э. Борич по изданию:

WILDE GENE / Vom verborgenen Leben in uns)

Timo Sieber, Helga Hofmann-Sieber, 2016.

Издание осуществлено при содействии ИП Владимир Сивчиков

Иллюстрации Олега Карповича

© 2016 by Rowohlt Verlag GmbH

© Перевод. Издание. Оформление. ООО «Попурри», 2017

Введение

Здесь мы развенчиваем все предрассудки, даем советы насчет здорового образа жизни и застегиваем ремни безопасности, отправляясь в путешествие к диким генам.

Итак, вы держите в руках эту книгу, и вам хотелось бы знать, о чем в ней пойдет речь. Она случайно подвернулась вам на полке в книжном магазине? Или в результате хитроумных размышлений вы пришли к выводу, что она прекрасно соответствует тем философским темам, которые вы на прошлой неделе обсуждали в социальных сетях? А может быть, вам протянул ее друг или подруга со словами: «Вот, прочти. Эта книга перевернула всю мою жизнь!» Неважно, как она к вам попала. Возможно, она не вызовет потрясений в вашей жизни. Прочитав ее, вы не станете стройнее или счастливее. Это не медицинская литература, из которой можно почерпнуть рекомендации о здоровом образе жизни. В ней нет ни одного такого совета. Хотя так уж и быть: курить и пить вредно, постарайтесь не переедать, отводите достаточное время на сон и старайтесь время от времени смеяться. Пожалуй, этого достаточно.

* * *

Вы все еще здесь? Хорошо. Тогда переходим к сути: эта книга расскажет вам, какой вы замечательный человек. Да-да, именно вы! Вы и все остальные живые существа на этой планете – от бактерий и каких-нибудь крошечных червячков до того самого вредного слона из зоопарка, выплюнувшего овощи, которые вы ему так заботливо нарезали. Все они – живое чудо. Об этом и пойдет речь – о жизни и в первую очередь о генах, которые скрытно ею управляют.

Эта книга представляет собой путешествие к тайнам жизни, в котором вы не раз встретитесь с ордами диких генов. Вы проникнете внутрь ДНК, будете меняться в результате ошибок и переходить из одного питейного заведения в другое, словно на мальчишнике перед свадьбой. Звучит несколько хаотично? Но именно это и необходимо, чтобы процесс продвижения вперед по пути эволюции не останавливался. Однако во всей этой кутерьме гены чудесным образом организуются и создают сложные формы жизни, неукоснительно придерживаясь одного-единственного правила, которое гласит: «Все, что можно испробовать, будет испробовано!» Ну, во всяком случае, почти все.

Если вы благополучно переживете встречу с прыгающими генами, передайте книгу своему другу и скажите ему что-нибудь вроде «Вот, прочти. Эта книга перевернула всю мою жизнь!».

Глава 1

Дорогая, у тебя, оказывается, есть ДНК…

История начинается с рассказа о нахальных джентльменах со странными галстуками, которые становятся знаменитыми, обокрав даму. Попутно совершается открытие ДНК, расшифровывается ее структура, а Супермен и Кларк Кент объясняют, как действует ген.

У нас нежданные гости. Как гром среди ясного неба., нагрянула тетушка Хедвиг. Мы с женой молча переглядываемся. «Ты знала?» – тихо цежу я сквозь зубы. Но в ответ вижу легкую панику в ее глазах и едва заметное подрагивание уголка рта.

А тетушка наносит очередной неожиданный удар. Она ловко протискивается мимо меня с огромным чемоданом и, обращаясь к нашему наследнику, говорит: «Господи! Как вырос-то!» Хедвиг взъерошивает ему волосы и теребит за щеку. «Весь в отца! Прямо не отличить! Вот что значит гены. Ну да ладно, может, еще перерастет… Поцелуй тетю. Теперь мы будем много времени проводить вместе…» И пока я пытаюсь стряхнуть с себя оцепенение от шока, до меня вдруг доходит: она приехала надолго.

То, что родственники нередко бывают похожими друг на друга (как хорошими, так и плохими чертами), давно известно каждому. Но что это за таинственные гены, из-за которых все происходит?

Все началось в 1854 году, когда монах и помощник учителя Грегор Мендель (учителем он так и не стал, поскольку не сдал соответствующий экзамен) вдруг задумался, каким образом наследуются различные свойства. Правда, «задумался» – это слишком мягко сказано. Он высаживал тысячи ростков гороха, скрещивал и исследовал их. Свои наблюдения Мендель отразил в статистической форме. Сегодня его считают отцом генетики. (Возможно, попутно он сделал открытие, что употребление в пищу большого количества гороха в монастырских стенах имеет свои недостатки, отравляя атмосферу, но история о таких деталях умалчивает.)

Менделю удалось доказать, что наследование отдельных свойств, например оттенка цветков и высоты ростков, подчиняется строгим законам. Складывалось впечатление, что в каждом растении содержалась в двух копиях некая таинственная запись о наследуемых качествах. Родительские растения отдавали по одной копии своим потомкам. Кроме того, выяснилось, что это таинственное «нечто» представляет собой не единое целое, а состоит из частей, каждая из которых отвечает за определенный признак. Но Мендель не имел ни малейшего представления, как могут выглядеть эти единицы наследственности.

В конце концов он опубликовал свои труды, изложив на бумаге совершенно новые, революционные мысли. И как это часто бывает с основополагающими идеями, их поначалу не признали. Ученый мир не заинтересовался открытиями монаха. Но Мендель был твердо уверен в том, что нашел нечто важное. До нас дошли его слова: «Мое время еще придет!» И оно пришло. Спустя 30 лет после публикации. В 1900 году его труды были «заново открыты» и перепроверены тремя ботаниками, которые поняли их истинное значение. Менделя это, безусловно, порадовало бы, но, к сожалению, он к тому времени был уже давно мертв. И все-таки стартовый выстрел для генетики прозвучал именно в монастырском дворе.

Термин «ген» появился лишь в 1909 году. Датчанин Вильгельм Иогансен произвел его от греческого слова genos (род, семья). Возможно, ему хотелось, чтобы термин, обозначающий единицу наследственности, был коротким и запоминающимся. Правда, для него самого ген был не реальной материальной частицей, а, скорее, некой концепцией. В то время так думали многие ученые.

Относительно природы генов сразу возникло два больших вопроса. Во-первых, каким образом свойства организма, например белый цвет лепестков, передаются от одного поколения другому? Во-вторых, почему вообще возникают различные свойства? Почему цветок гороха белый? Как растение создает этот цвет?

Чтобы раскрыть природу свойств организмов, можно было, подобно Менделю, работать с достаточно крупными растениями или животными. Но тут сразу возникли бы трудности, потому что такие исследования продолжаются слишком много времени и потому что у сложных организмов свойства тоже носят сложный характер. К счастью, есть живые организмы с намного более простыми качествами. К таким качествам можно, например, отнести способность дрожжей производить алкоголь из сахара. Это простая химическая реакция преобразования одного вещества в другое (вообще-то даже в два других, потому что попутно образуется двуокись углерода). Для таких преобразований живые организмы нуждаются в ферментах. Если организм располагает определенными ферментами, происходит реакция. Если нет, то нет. Таким образом, наличие фермента – это наименьшая возможная единица свойств.

С 1926 года известно также, что представляют собой ферменты. Это белки. Белки – настоящее чудо природы! Они состоят из 20 различных «кирпичиков» – аминокислот, которые могут образовывать самые разные сочетания, складываясь в длинные цепочки. Эти цепочки имеют трехмерную структуру и могут выполнять самые разные функции. (Вообще-то это поражает воображение. Если кто-то сомневается, пусть сам попробует завязать на веревке множество различных узелков, чтобы из нее получились, например, ножницы или модель Эйфелевой башни.) В наших клетках используется большое количество белков практически для всех жизненных потребностей. Белки – это рабочие лошадки жизни.

Когда стало ясно, что фермент служит средством передачи одного простого признака, в 1941 году было высказано предположение, что ген представляет собой структуру, определяющую, каким будет этот фермент. Гипотеза получила название «Один ген – один фермент». Таким образом, в названии содержалась ее суть. Но прожила эта гипотеза недолго. Уже вскоре было обнаружено, что существуют белки, не являющиеся ферментами и выполняющие другие функции. Например, белки способны без труда образовывать весьма крупные структуры (наши волосы почти полностью состоят из белка кератина). Поэтому гипотезу переименовали в «Один ген – один белок». Поначалу она всех устраивала. Но несколько лет спустя выяснилось, что зачастую белки состоят не из одной цепочки аминокислот (так называемого полипептида), а из нескольких. Пришлось выдумывать для гипотезы новое имя. Уже догадались какое? «Один ген – один полипептид». Давайте сразу предвосхитим события: это был еще далеко не конец истории.

Сегодня мы знаем, что белки задают определенные признаки организма, но нам до сих пор не известно, каким образом эти признаки наследуются и что на самом деле представляют собой гены. Первые идеи о природе генов появились уже вскоре после 1900 года, когда при наблюдении через микроскоп за делением клеток были обнаружены крупные волокнистые структуры – хромосомы, которые поровну распределяются между дочерними клетками. Это наводило на мысль, что именно хромосомы являются хранилищем наследственной информации клеток. При более подробном исследовании выяснилось, что они состоят из белка и ДНК – дезоксирибонуклеиновой кислоты.

Но какое из этих двух веществ несет в себе наследственную информацию? Поначалу никто даже не думал, что это может быть ДНК. О ее существовании было известно уже достаточно давно, но конкретных сведений имелось мало. Она просто находилась в составе клеток и, похоже, ничего не делала. Кроме того, она состояла из очень немногих оснований – Г, А, Т и Ц (гуанина, аденина, тимина и цитозина), а также из фосфата и сахара.

По сравнению с белками, в составе которых насчитывается 20 аминокислот, это были сущие пустяки. Вдобавок белки могли быть ферментами и выполнять самые разнообразные задачи. Почему бы не наделить их еще и функцией хранения информации? Эта идея получила распространение и прожила достаточно долго. Лишь когда в середине 40-х годов было доказано, что при переносе ДНК от одной бактерии к другой передавались и различные свойства, мнение ученых начало меняться. Поначалу медленно. Понадобилось еще почти десять лет, прежде чем ДНК стала общепризнанным носителем наследственной информации. У Альберта Эйнштейна есть прекрасное высказывание: «Легче расщепить атом, чем разрушить устоявшееся мнение».

Представьте себе, что началось после того, как был сделан этот решающий шаг. Вы, ничего не подозревая, ложитесь вечером спать, а наутро за завтраком открываете газету – и там черным по белому: у вас есть дезоксирибонуклеиновая кислота! И эта чертовщина, которую и выговорить-то невозможно, каким-то образом связана с тем, что ваши дети так похожи на вас.

Подобные открытия в одночасье меняют мир. Ученые почуяли: здесь пахнет Нобелевской премией! Всем было ясно, что следующим шагом должно стать определение структуры ДНК. Как выглядит эта молекула? Началась гонка, в которой должен был победить тот, кто первым ответит на данный вопрос. В ней приняли участие самые выдающиеся умы. А победу одержали двое ученых, на которых вряд ли кто из букмекеров стал бы принимать ставки, – Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик.

Хотя сегодня их признают величайшими светилами в области биологии, в то время почти никто не верил в их успех. Англичанин Фрэнсис Крик был по специальности физиком и в годы Второй мировой войны конструировал морские мины. После войны он занялся биологией и без особых успехов работал в Кембридже над докторской диссертацией, пытаясь выяснить структуру белка гемоглобина, отвечающего за транспортировку кислорода. Научный руководитель считал его бездельником, от которого ничего толкового, кроме пустой болтовни, не дождешься.

Но в один прекрасный день судьба столкнула Крика с молодым американцем Джеймсом Уотсоном. Тот был вундеркиндом, который уже в пятнадцать лет поступил в университет, чтобы изучать зоологию. Ко времени встречи ему исполнилось двадцать два года, он защитил диссертацию и получил стипендию для продолжения работы в Великобритании. Между Криком и Уотсоном сразу возникла симпатия, и они решили совместными усилиями разгадать загадку ДНК. Это было смелое решение, потому что ни один из них не являлся специалистом в данной области. На самом деле им были поручены совсем другие проекты, но Крик и Уотсон занимались ими постольку поскольку.

По-настоящему все завертелось в 1951 году. На одной из конференций Уотсон сидел в задних рядах, чтобы без помех почитать газету, и почти не слушал докладчицу. А ею была Розалинд Франклин из Лондона, рассказывавшая о своих последних достижениях. Она считалась ведущим специалистом в области рентгеноструктурного анализа. Но когда Уотсон задумался о том, что ей стоило бы поработать над своей внешностью, речь в докладе зашла о последних данных относительно структуры ДНК. Ее рентгенограммы оказались самыми качественными из всех, которые когда-либо доводилось видеть. Только не думайте, что на этих снимках ДНК представала в том виде, который сегодня известен всем. Это были всего-навсего темные размытые пятнышки, и разглядеть в них какой-то смысл могли лишь немногие посвященные. Уотсон моментально насторожился: Франклин располагала рентгеновскими снимками и данными математического анализа, но у нее не было модели молекулярной структуры. Уотсону было ясно, что ДНК должна иметь правильную спиралеобразную структуру, похожую на винтовую лестницу. В этот момент соперничество за право первым расшифровать структуру ДНК вышло на финишную прямую! Уотсон вместе с Криком лихорадочно принялись за работу.

Конечно, их работа состояла не в том, чтобы самим проводить какие-то эксперименты. Нет, они только использовали известные факты и обрывки информации, почерпнутые Уотсоном из доклада коллеги. При этом было понятно, что они охотятся в чужих угодьях, и начальник Уотсона Джон Кендрю настоял на том, чтобы они представили созданную ими модель Розалинд Франклин и ее коллеге Морису Уилкинсу.

Франклин не высказала восторга от увиденного, так как получившаяся модель ДНК совершенно не выдерживала критики. Уотсон и Крик потерпели жестокое фиаско. Руководитель института, которому эта история тоже не понравилась, вызвал их на следующий день к себе и заявил, что их работа над ДНК прекращается! Этим должны заниматься Франклин и Уилкинс в Лондоне, а Уотсона и Крика ждут другие задачи, в частности незаконченная докторская работа.

Это могло бы стать концом всей истории, но произошло другое. Крик и Уотсон не сдались. В следующем, 1952 году в Кембридж приехал выдающийся американский химик австрийского происхождения Эрвин Чаргафф, также занимавшийся анализом ДНК, в частности ее четырьмя основаниями А, Г, Ц и Т. До сих пор было не ясно, как они располагаются в молекуле. Однако Чаргафф постоянно наблюдал, что содержание основания Г в молекуле всегда равно содержанию Ц, а содержание А, в свою очередь, совпадает с Т. Крик и Уотсон настояли на беседе с ним и вновь опозорились по полной программе. Они делали непрофессиональные замечания и проявили себя как люди, совершенно не разбирающиеся в химии. Позднее Чаргафф говорил о них как о клоунах в науке, которые берут свое апломбом и нахрапом.

Но и это не остановило двух молодых людей. Немного позже Уотсон вновь посетил лабораторию Франклин и Уилкинса. После того как Франклин со скандалом вышвырнула Уотсона (он попытался показать ей неопубликованную и, следовательно, конфиденциальную научную работу конкурента), он обратился к Уилкинсу. Отношения с ним были лучше, потому что Уотсон и Крик не отказывали себе в удовольствиях и закатывали вечеринки, на которые регулярно приглашали Уилкинса. Тот с удовольствием показал Уотсону последние разработки и данные Франклин, в которых структура ДНК просматривалась яснее, чем когда-либо ранее.

С этой новой информацией Уотсон вернулся в Кембридж, и они с Криком без промедления начали работать над новой моделью ДНК. Утром 28 февраля 1953 года загадка в конце концов была разгадана!

Чуть позже напористые друзья опубликовали свою модель в виде коротенького текста на одну страничку и небольшого эскиза двойной спирали (нарисованного женой Крика Одиль) и в одночасье стали звездами в научном мире. Правда, они одной фразой отметили вклад Франклин и Уилкинса, указав, что «их результаты и идеи послужили стимулом в работе». Это яркий пример того, что в мире науки почести и слава зачастую распределяются не по справедливости. Однако Франклин и Уилкинсу было все же позволено опубликовать данные, приведшие к великому открытию, в том же журнале, где Уотсон и Крик описали двойную спираль ДНК.

Дополнительный горький привкус этой истории придает то обстоятельство, что Розалинд Франклин, без рентгеновских анализов которой открытие вообще не состоялось бы, умерла от рака в возрасте всего 37 лет. Вполне возможно, что именно опасная работа с рентгеновскими лучами стоила ей жизни, одновременно прославив Уотсона и Крика. В 1962 году они вместе с Уилкинсом получили Нобелевскую премию. Розалинд Франклин осталась без награды, так как эта премия присуждается только при жизни.

В каком свете предстают перед нами Уотсон и Крик? С одной стороны, они самостоятельно не провели ни одного эксперимента и только манипулировали данными других ученых, что явно противоречит строгой английской морали и научному кодексу чести. Вся эта история считается в наши дни классическим примером не самого достойного поведения в науке. С другой стороны, они проявили упорство и не позволили сбить себя с пути. Они по-разному комбинировали имевшуюся в их распоряжении информацию, которая в конце концов сложилась в модель ДНК. Вне всякого сомнения, это было выдающимся интеллектуальным достижением, на котором последующие поколения ученых строили наше сегодняшнее понимание жизни. Так считать ли их героями? Приговор за вами.

Но вернемся к нашей знаменитой двойной спирали. Модель Уотсона и Крика выглядит словно перекрученная веревочная лестница. Оба боковых «каната» представляют собой цепочки прочно связанных между собой компонентов ДНК и нуклеотидов. Этими компонентами являются сахара и фосфаты, образующие достаточно прочные связи. Но самое интересное – это «ступеньки». Они образованы соединением оснований, отходящих от боковых нитей. Если А встречается с Т, а Г – с Ц, то они взаимно притягиваются (это явление называется «парностью оснований Уотсона и Крика»). При других сочетаниях этого не происходит. Силы, действующие между основаниями, значительно слабее, чем те, которые удерживают боковые нити. Это напоминает застежку-липучку: для того, чтобы разделить обе ее части, нужны относительно небольшие усилия.

Все это прекрасно, но почему открытие структуры ДНК считается в генетике таким же значимым событием, как высадка на Луну? Потому, что теперь окончательно стало ясно, как ДНК хранит информацию. Это происходит в длинных цепочках оснований. Все дело – в их последовательности. Если известно, в какой последовательности располагаются буквы в книге, ее можно прочесть. Если же последовательность не определена, мы имеем дело с бессмысленным набором, как в пакете с макаронными изделиями в виде букв. Это, может быть, и аппетитно, но с содержательной точки зрения равно нулю.

Однако благодаря открытию структуры удалось понять и еще кое-что. Для того чтобы установить полную последовательность, достаточно всего одной цепочки. Зачем же нужна вторая? Дело в том, что они зависят друг от друга. Если в одной цепочке имеется основание А, то в другой на этом месте должно быть Т. Таким образом, вторая нить – зеркальная копия первой. Уотсон и Крик сразу поняли, для чего нужно это двойное повторение: одна нить служит образцом для изготовления второй. Если в молекуле ДНК отделить одну нить от другой (что не так уж трудно сделать, как видно на примере застежки-липучки), то из полученных частей можно образовать две новые молекулы и так далее. Таким образом, структура позволила понять, каким образом осуществляется передача наследственной информации при размножении.

Итак, настал великий момент. Все чудесно! Тайна жизни разгадана! Наука шумно праздновала грандиозную победу.

Но уже на следующее утро пришло отрезвление. Да, теперь было известно, как в принципе выглядит ДНК. Но что значит АГТТЦГАТЦЦААГТЦТ? Ведь из этой мешанины непонятно, почему у тети Хедвиг крепкое здоровье, а у ее соседа выпадают волосы. Короче говоря, ученые теперь знали, как устроена ДНК, но не имели ни малейшего понятия о том, как хранящаяся в ней информация используется в клетках. Особенно их интересовало, с помощью каких кодов в ДНК записываются инструкции по синтезу белков. Ведь к тому времени было уже известно, что белки выполняют в клетках множество важных функций. Итак, ученым пришлось опять облачиться в лабораторные халаты, вытряхнуть остатки конфетти из волос и, превозмогая похмелье, отправиться по своим лабораториям.

Чтобы расшифровать эти коды, биологам пришлось немало поломать голову. Представим себе, например, как Джеймс Уотсон сидит в одиночестве в полумраке гостиничного бара, склонив голову над стаканом виски, и бормочет: «Надо взломать этот чертов код… Но как? Как?» «Извините, – вмешивается скрипучий голос с русским акцентом, – вы, кажется, что-то говорили про взламывание кодов?» Этот голос принадлежит Георгию Гамову, русско-американскому физику, который в то время как раз искал доказательства теории Большого взрыва. Правда, одновременно его внимание привлекла загадка генетического кода, и он решил всерьез взяться за это дело совместно с Уотсоном. Но не просто всерьез, а еще и с шиком! Поэтому в 1954 году они основали «Клуб галстуков РНК». В этот джентльменский клуб вошли научные тяжеловесы того времени.

Данная организация поставила перед собой цель выяснить, как кодируется информация в ДНК, то есть каким образом с ее помощью синтезируются белки и какое отношение к этому имеет РНК (если вообще имеет). Минуточку, а причем здесь РНК? Мы совершенно упустили этот момент из виду, но немедленно исправим допущенную ошибку. РНК звучит похоже на ДНК, да и во многих других отношениях схожа с ней. По своей структуре это сестры. С химической точки зрения они отличаются друг от друга лишь двумя вещами. В РНК используется сахар под названием рибоза, а в ДНК – дезоксирибоза. Поэтому РНК и расшифровывается как рибонуклеиновая кислота, а не дезоксирибонуклеиновая. Кроме того, основание Т (тимин) заменено в ней на У (урацил). Но, как это часто бывает у сестер, они при всей своей похожести ведут себя совершенно по-разному. Если ДНК представляет собой длинную спираль с двумя нитями, то РНК, как правило, существует в виде множества коротких фрагментов, состоящих всего из одной нити. К тому же она отличается очень коротким сроком жизни (что и по сей день приводит биологов в отчаяние). В то время об этой неустойчивой сестре ДНК было известно очень мало, но высказывались предположения, что она имеет какое-то отношение к производству белков.

«Клуб галстуков РНК» был особым миром. Это учреждение отличалось от нынешних научных организаций примерно так же, как сходка завсегдатаев пивной от собрания акционеров Telecom. С сегодняшней точки зрения это было просто сборище взбалмошных чудаков. Клуб (или «Галстучное братство», как его порой именовал Гамов), состоял из 20 индивидуально отобранных членов, каждый из которых отвечал за одну из аминокислот. Себе Гамов выделил первую по алфавиту аминокислоту – аланин (Ala). Уотсону досталась Pro (пролин, что, впрочем, могло расшифровываться и как «профессионал»…). Разумеется, Крик тоже не остался в стороне и получил аббревиатуру Туг (тирозин, а также имя древнегерманского бога войны). Аналогичным образом были распределены и все остальные аминокислоты. Затем в состав клуба вошли еще четыре почетных члена, которые символизировали четыре основания ДНК. Каждому члену джентльменского клуба был вручен именной галстук (черный, с изображением желто-зеленой спирали, стоимостью 4 доллара за штуку) и заколка к нему с соответствующей аббревиатурой. Не менее изящно выглядела структура клуба и распределение обязанностей в нем. Так, например, официально существовали должности клубного пессимиста (Крик) и оптимиста (Уотсон). Как это выглядело на практике? Возможно, так:

Крик: Мой стакан опять наполовину пуст…

Уотсон: Прекрасно. Значит, туда можно долить воды!

Для обмена информацией члены клуба писали друг другу письма и встречались два раза в год. Под сигары, виски и пиво шел оживленный обмен хорошими и плохими, но, как правило, не вполне зрелыми идеями.

Поскольку Уотсон и Крик уже добились огромных успехов в спекулировании чужими данными, они с восторгом продолжили эту деятельность. За пару лет существования клуба Фрэнсис Крик сформулировал несколько идей. Самой знаменитой из них была гипотеза о том, что информация может переноситься с одних нуклеиновых кислот на другие (то есть на РНК или ДНК) и использоваться для синтеза белков, в то время как сами белки источником информации не являются. Эту гипотезу он назвал «центральной догмой» молекулярной биологии. В последующие годы почти все ее положения подтвердились. Наследственная информация в виде небольших фрагментов переносится на короткоживущие молекулы РНК (так называемые матричные или информационные РНК) и служит как бы инструкцией для производства белков. Путь выглядит следующим образом: от ДНК через РНК к белку (существует несколько исключений, но об этом позже).

Но как информация записывается в ДНК? С помощью каких кодов? Все, что было известно об этом в 1954 году, могло без труда уместиться на картонной подставке под пивную кружку: 20 аминокислот описываются с помощью четырех оснований ДНК. Это не подлежало сомнению. В остальном же информации для размышлений было очень мало. Однако все дискуссии, проходившие в веселой обстановке за выпивкой, сводились к тому, что генетический код должен представлять собой нечто великолепное, совершенное и логичное. Ведь жизнь, которая на нем основывается, завоевала даже самые неподходящие для этого уголки мира – от океанских глубин, куда не проникает свет, до вечных льдов на самых высоких горных вершинах. Если удастся выяснить, какой самый лучший и самый логичный код может быть передан с помощью ДНК, то он и окажется кодом жизни. Какая многообещающая предпосылка! Члены клуба с энтузиазмом взялись за работу. Их девизом стало высказывание Макса Дельбрюкка: «Умри, но сделай, а иначе и не пытайся!»

Гамов предположил, что для кодирования 20 аминокислот необходимы минимум три позиции ДНК. Под одной позицией понимается сочетание четырех различных оснований, что дает четыре варианта кода. Две связанные между собой позиции могут дать 16 комбинаций (4 х 4), а три – 64 комбинации (4x4x4). Сидней Бреннер (также член клуба) впоследствии доказал, что три следующие друг за другом позиции

ДНК, которые он назвал «кодоном», и составляют код аминокислоты. Но почему аминокислот насчитывается только 20, хотя существует 64 возможных кода? Гамов и его коллеги исходили из того, что для этого есть какая-то причина. Ее просто не может не быть. Согласно одной из теорий, значение имеет только сочетание оснований в кодоне, а не их последовательность. Таким образом, все кодоны, в которых, к примеру, содержатся основания А, Г и Ц (АГЦ, АЦГ, ЦГА, ЦАГ, ГАЦ и ГЦА), должны кодировать синтез одной и той же аминокислоты. Но если так, то количество вариантов кодирования сокращается с 64 до 20. Вуаля! Просто несокрушимая логика. Гамов и его клуб придумали еще много всяких теорий – в большинстве своем весьма впечатляющих и сложных, но, к сожалению, неверных.

Разгадали тайну опять-таки люди, от которых этого никто не ждал: Маршалл Ниренберг и Генрих Маттеи, работавшие в Национальных институтах здравоохранения США. Разумеется, они не были участниками клуба. В своей работе Ниренберг и Маттеи не стали концентрироваться на сверхсложных моделях кодирования, а с помощью элегантного эксперимента показали, что кодон РНК УУУ кодирует аминокислоту фенилаланин (кстати, это произошло 15 мая 1961 года в три часа ночи, то есть, как и в большинстве научных открытий, здесь не обошлось без большого количества кофе).

В августе того же года Ниренберг представил свои работы на крупном конгрессе в Москве. В ту пору ему было тридцать с небольшим лет, и он еще не мог похвастаться особо выдающимися достижениями. Он был никому не известен и сам никого не знал. Поэтому его доклад прозвучал перед небольшой группой, состоявшей из 30 ученых, да и те не проявили к нему жгучего интереса (Ниренберг впоследствии рассказывал, что публика была «абсолютно мертвой»). Вполне могло случиться, что это великое открытие так и пропало бы, не удостоившись ничьего внимания. Но, как это часто бывает, накануне Ниренберг встретился с Уотсоном и сообщил ему о своих достижениях. Уотсон отнесся к ним скептически, но должность «оптимиста клуба» обязывала его проявить внимание, и он попросил одного знакомого взглянуть на доклад. Тот доложил, что данные производят весьма солидное впечатление, и Уотсон передал эту информацию Крику, который попросил организаторов конференции дать Ниренбергу возможность повторить свой доклад на следующий день. На этот раз перед почти тысячей слушателей, которые аплодировали ему стоя.

Разумеется, этот успех послужил стартовым выстрелом для новой научной гонки, целью которой теперь являлась расшифровка остальных кодонов. И Ниренберг наверняка проиграл бы эту гонку более крупным и уважаемым лабораториям, если бы многочисленные коллеги из его института не проявили готовность отложить в сторону свою работу, чтобы помочь ему. Порой коллегиальность свойственна даже ученым.

Только пять лет спустя, в 1966 году, удалось понять значение всех 64 кодонов. И знаете, что еще произошло в 1966 году? Впервые по телевизору был показан сериал «Звездный путь». Как, по-вашему, отреагировал бы его персонаж Спок на расшифровку генетического кода? «Потрясающе» или «Это не логично»? Возможно, и то и другое, потому что по сравнению с элегантными моделями «Клуба галстуков РНК» этот код выглядел неуклюже и совсем нелогично. Он никак не объяснял, почему аминокислот только двадцать. В нем не прослеживалось логической связи между кодонами и отдельными аминокислотами. Все объяснялось простой случайностью. Гамов и его коллеги наверняка были сильно разочарованы банальностью своего наследственного материала. Крик говорил впоследствии, что в основе кода лежит случай, происшедший в самом начале зарождения жизни, да так и сохранившийся с тех пор в ДНК.

Но перейдем к деталям. Из 64 кодонов 61 используется для кодирования аминокислот. Для одних кислот требуется до шести кодонов, для других хватает и одного. Если для кодирования одной аминокислоты нужно несколько кодовых слов, такой код называют вырожденным (звучит не очень-то приятно). Остальные три кодона не используются в производстве аминокислот, а служат так называемыми стоп-кодонами, которые сигнализируют: «На этом синтез белка заканчивается. Пожалуйста, больше не добавляйте новые аминокислоты». О начале сборки белка сигнализирует кодон, который одновременно отвечает за синтез аминокислоты метионина.

Итак, теперь мы знаем, как выглядит план синтеза белков, с чего он начинается, как кодируются аминокислоты и чем все заканчивается.

Это уже неплохо, но одной только инструкции недостаточно. Представьте себе следующую ситуацию: у вас есть план сооружения западни для тигра. В ней написано: «Вырой яму, прикрой ее тонкими ветками и положи аппетитную приманку». Вы берете лопату и принимаетесь за работу. Через несколько часов, когда вы стоите перед готовой западней, утирая пот и грязь со лба, к вам вдруг на всех парах несется мать вашего лучшего друга и кричит: «Ну где тебя носит? Свадебная церемония уже начинается. И зачем ты поставил торт посреди дороги-и-и

и

и

и

и?!»

Вы поняли, в чем проблема? План прекрасно сработал (о чем свидетельствует гневный голос, доносящийся из ямы), но время и место были выбраны неправильно. То же самое и с генами. Здесь тоже чрезвычайно важно, в каких клетках и с какой интенсивностью они начнут работать. Каким образом происходит регулирование генных функций, было показано в 60-е годы с помощью так называемого лактозного оперона.

Если предложить бактериям (в данном случае кишечным бактериям Escherichia coli – любимцам молекулярных биологов) питательный раствор с виноградным сахаром (глюкозой) и молочным сахаром (лактозой), то сначала перерабатывается весь виноградный сахар, поскольку он питательнее и легче усваивается. Только после этого бактерии принимаются за молочный сахар.

На генном уровне это выглядит следующим образом: лактозный оперон содержит план по синтезу белка, который отвечает за усвоение бактериями молочного сахара. Контроль за запуском этого плана и его интенсивностью осуществляется так называемым промотором – участком ДНК, который находится в непосредственной близости от места сборки белков. Он берет на себя функции центра управления. Если в клетке нет молочного сахара, центр управления заблокирован. За это отвечает лактозный репрессор – белок, который присоединяется к ДНК и мешает считывать инструкции. Это можно сравнить с ситуацией, когда вы в какой-то день решили ответить на все послания по электронной почте, но, как назло, постоянно звонит телефон и мешает вам. На одно-два письма вы еще как-то сможете ответить, но об эффективной работе можно забыть.

То же самое происходит и с лактозным опероном. Несмотря на помехи репрессора, он все же производит небольшое количество белков, но до тех пор, пока имеется виноградный сахар, эти белки не активизируются. И только когда вся глюкоза заканчивается, в клетку начинает поступать молочный сахар. Там он присоединяется к репрессору, который после этого отделяется от ДНК. Теперь лактозный оперон активизируется и начинает полным ходом производить белки до тех пор, пока не закончится весь молочный сахар. Затем репрессор вновь присоединяется к промотору и отключает его.

Если процесс переработки молочного сахара показался вам слишком скучным, у нас есть еще один пример генного регулирования. Это ген под названием Супермен, играющий важную роль в развитии мужских половых признаков цветка Arabidopsis thaliana (еще одного любимого объекта для биологических экспериментов). Небиологи пренебрежительно называют его сорняком. Активность Супермена сдерживается белком, за кодирование которого отвечает ген Криптонит. Кстати, существует и ген, обладающий очень большим сходством с Суперменом, но не столь сильный. Его название – Кларк Кент[1].

Вырисовывается такая картина: фрагмент ДНК производит короткую РНК (матричную, или мРНК), которая, в свою очередь, кодирует синтез белка. А белок отвечает за какой-то признак (возможно, малосущественный). Все очень точно и целенаправленно… Но жизнь совсем не так проста. Наша биология отличается креативностью и изобретательностью. Если что-то вообще способно функционировать, то оно обязательно будет воплощено в жизнь. Может ли существовать функция, которая возлагается не на белок, а непосредственно на РНК? А почему бы и нет? А что, если слегка видоизменить мРНК, чтобы она производила другой вариант белка? Так тому и быть! И перечень подобных возможностей можно продолжать до бесконечности.

Но как же звучит официальное определение понятия «ген»? Если вам сразу не приходит на ум идеальная формулировка, не огорчайтесь. Это не так просто. Ведь стоит только кому-то решить, что найдено хорошее определение, как какой-то живой организм тут же демонстрирует исключение из правил. В 2006 году 25 ученых собрались на два дня, чтобы отыскать современное определение. У них получилось следующее: «Ген представляет собой локализованный участок генетического материала, который соответствует единице наследственности, связанной с регулирующими, транскрибирующими и/ или другими функциональными последовательностями».

Звучит не слишком складно, но это наверняка еще не последнее определение. Нам же пока достаточно знать, что ген – это единица наследственной информации, необходимая для выполнения какой-то определенной функции. Но не теряйте бдительности. Кто знает, что еще может придумать природа, чтобы опровергнуть этот постулат…

Можно с уверенностью утверждать, что ДНК является носителем информации, а белки – оперативными единицами, на которых строится вся жизнь на нашей планете. Поддержку им оказывает РНК – своего рода мальчик на побегушках, выполняющий все посреднические функции между ДНК и белком, а также способный хранить информацию и самостоятельно выступать в роли фермента.

Но откуда, собственно, берутся РНК, ДНК и белки? Как они складываются в великую картину жизни?

Глава 2

Кометы, РНК и кухня жизни

В этой главе перед нами встанет вопрос, что было в начале: курица, яйцо или нечто совершенно другое? Кроме того, речь пойдет о лотерейных выигрышах и о том, не забыли ли инопланетяне свой мусор на нашей планете.

Да забери же у меня вещи в конце концов, – тетя Хедвиг небрежно сует мне свой тяжеленный чемодан, промокшее пальто с цветочным узором и шляпку из тех, что можно увидеть только в романтических английских фильмах. Затем она проходит в комнату и осматривает ее оценивающим взглядом.

– Та-а-ак, чем бы это нам сегодня заняться?

Все присутствующие знают, что это чисто риторический вопрос. Некоторое время спустя мы все вместе сидим на диване, и Хедвиг раскрывает старый фотоальбом. Сухо шелестят страницы. Я украдкой бросаю взгляд на часы, а затем на два альбома, которые еще лежат в чемодане. Это затянется надолго. Я оцениваю привезенные Хедвиг кексы. На вид они похожи на те, что были в прошлом году. В тот раз я не нашел в них ничего особенного и по вкусу они напоминали пыль прошедших десятилетий. Я думаю о том, как при первой же удобной возможности сплавить их в мусорку. Интересно, не нанесут ли они ущерб окружающей среде?

– Не стесняйся, угощайся, – говорит Хедвиг, перехватив мой взгляд.

Все взоры обращаются ко мне. Мои руки моментально становятся потными. Черт возьми! Я беру кекс и отправляю его в рот. Надо бы соврать и сказать, что очень вкусно, но изо рта доносится только что-то похожее на сдавленный кашель. Это действительно прошлогодние кексы…

– А вот, взгляни: это ты совсем маленький без штанов… А тут тебя воспитательница держит под мышкой, потому что ты надул на ковер.

Я слушаю, не в силах произнести ни слова, так как пытаюсь собрать во рту достаточное количество слюны, чтобы как-то проглотить кекс. Когда мне это в конце концов удается и я вновь могу ворочать языком, Хедвиг, углубившись в историю черно-белой эры., уже рассказывает всякие неприятные истории о людях, к степени родства которых приходится добавлять приставки пра- и прапра-.

Время идет, и к тому моменту, когда солнце садится за горизонт, я уже испытываю благодарность за то, что в каменном веке не было фотографии, иначе мы сидели бы до бесконечности и слушали бы что-то вроде «А это Горрк и его тетя Уругу. Однажды ночью он ни с того ни с сего с криком выбежал из своей пещеры и его тут же сцапал саблезубый тигр…».

Оглядываясь на прошлое, мы неизбежно задумываемся о происхождении жизни (а значит, и о происхождении генов, в том числе самого первого из них). Если подходить с научной точки зрения, можно попытаться провести мысленный эксперимент: «Предположим, я брошу в бочку лопату угольного порошка, добавлю туда флакон нашатырного спирта, залью горячей водой и сдобрю какими-нибудь экзотическими солями. Насколько велика вероятность того, что в бочке что-то забурлит и из нее вылезет мокрый Томас Андерс?»

Разумеется, вероятность этого очень невелика, потому что человек – очень высокоорганизованное существо, которое вряд ли само по себе возникнет из смеси компонентов. (Если бы было иначе, мы на каждом шагу выигрывали бы в лотерее по 500 евро. Что же касается «настоящего» Томаса Андерса, то лучше исходить из того, что он появился на свет более традиционным путем.) Скачок в степени сложности настолько велик, что его можно сравнить с прыжком с земли на крышу небоскреба. Если отбросить в сторону волшебство, то здесь поможет только лестница. Вот в лестнице-то все и дело! Если разложить грандиозный скачок на мелкие шаги, то он оказывается посильным.

Если говорить о химическом составе, то в человеке нет ничего особенно сложного. В основном он состоит из водорода и кислорода, большая часть которых находится в форме воды, а также углерода и азота. Сюда можно добавить еще немного кальция, хлора, фосфора, калия, серы, натрия и магния.

Давайте продолжим размышления. Оторвемся от прекрасного вида, который открывается с небоскреба эволюции, и пойдем вниз по лестнице. Каждая ступенька возвращает нас на предыдущий этап развития. Мы становимся ниже ростом (и обрастаем шерстью…). У нас появляется насущная потребность влезть на дерево. Но парой этажей ниже это желание проходит. Мы ползком возвращаемся к полосе прибоя безымянного моря. В какой-то момент в толще океана пропадает свет и мы оказываемся в полной темноте. Мы достигли той точки, когда еще не было глаз. Это подходящий момент, чтобы сделать небольшую передышку и задуматься о глазах.

Появление глаз долгое время оставалось загадкой. Для подъема на новую ступень эволюции требуется случайное изменение, которое приносит пользу и может быть унаследовано. На первый взгляд трудно представить себе, как это может привести к возникновению глаза. С одной стороны, этот орган настолько сложен, что вряд ли мог сформироваться сразу. А с другой стороны, если сначала появился какой-то «полуфабрикат» глаза, то в чем могло заключаться его эволюционное преимущество? Над этой проблемой ломал голову еще британский естествоиспытатель Чарлз Дарвин, а критики теории эволюции долгое время использовали ее в качестве своего любимого аргумента.

Сегодня мы лучше разбираемся в ситуации и имеем представление о том, какими могли быть ступени развития. В качестве первого этапа на поверхности тела какого-то организма, видимо, появились отдельные клетки, способные воспринимать свет. С их помощью можно было отличить свет от темноты (нечто подобное и сегодня встречается у морских

звезд). Казалось бы, мелочь, но в мире, где все остальные живые организмы абсолютно слепы, такое «ясновидение» дает огромное преимущество. Если на вас вдруг падает тень проплывающего хищника, вы можете попробовать сбежать или спрятаться прежде, чем он до вас доберется.

На следующем этапе клетки, воспринимающие свет, начинают собираться на коже группами. Возникают плоские глаза, которые можно встретить, например, у медуз. Такими глазами можно очень и очень приблизительно оценить, где находится источник света или угрожающая тень. Если же плоский глаз оказывается не совсем плоским, а размещается в углублении кожи, наступает очередной этап. Теперь в зависимости от угла, под которым падает свет, не все светочувствительные клетки будут освещаться равномерно, и это позволит еще лучше определять направление.

Следующим шагом было маленькое изменение, имевшее колоссальные последствия. Углубление стало глубже, а отверстие на коже – меньше. Это впервые дало возможность получения пусть и не четкого, но все же изображения окружающей обстановки (тот же принцип используется в камере-обскуре). Подобные глаза без хрусталика сегодня можно встретить только у наутилуса – древнего родственника каракатиц. Правда, эта конструкция не лишена некоторых проблем: чем меньше отверстие, тем четче картинка, но при этом на светочувствительные клетки попадает меньше света и изображение становится темнее. Чтобы этого избежать, глазу требуется линза, которая фокусирует свет и делает изображение еще более четким. Предполагается, что она развилась из прозрачной пленки, защищавшей глаз от грязи.

Долгое время было неясно, развивались ли самые разнообразные типы глаз – от фасеточных у мух до громадного глаза гигантского кальмара диаметром 27 см – совершенно независимо друг от друга или у них был какой-то общий предшественник. Однако тот факт, что развитие глаз у разных видов живых организмов управляется очень схожими группами генов, позволяет говорить об общности происхождения.

Итак, мы преодолеваем последние ступени, спускаемся на нижний этаж (уже без глаз) в виде мифического самого первого одноклеточного организма и останавливаемся перед дверью, ведущей наружу. Она является разделительной чертой между живой и мертвой материей (так сказать, между жизнью и смертью). Там, за дверью, те же химические элементы, из которых построено все на свете. Но скачок между этими элементами и одноклеточным организмом поистине колоссален. Существуют ли какие-то промежуточные ступени?

Над вопросом возникновения жизни ломал голову еще Чарлз Дарвин. Первого февраля 1871 года он так описывал ход своих мыслей одному из друзей: в самом начале на пока еще мертвой Земле появился «небольшой теплый пруд», в котором простые химические соединения под действием света, тепла, электричества и других факторов соединились, образовав первую жизненную форму. Однако уже вскоре он отказался от этой идеи и написал, что все это чушь и что на данном этапе развития науки не имеет смысла всерьез размышлять об истоках жизни.

Даже почти сто лет спустя, когда наши познания в биологии существенно углубились, этот момент по-прежнему оставался загадкой. Что было ступенью, непосредственно предшествовавшей жизни? Она еще не могла быть столь сложной, как собственно жизнь, строящаяся на ДНК, РНК и белках, но все же должна была обладать способностью к размножению и развитию. Базовое построение клетки представляет собой настоящий гордиев узел. Для размножения ДНК клетке требуются РНК и белки. Чтобы производить белки, нужны ДНК и РНК. А РНК создается при считывании информации с ДНК с помощью белковых механизмов. И все это находится в неразрывной связи. Ни одно из звеньев не может быть опущено. Где же искать начало этого круговорота?

Решающим шагом к развязыванию узла стало исследование группы коротких молекул транспортных РНК, или тРНК. Эти молекулы играют крайне важную роль в синтезе белков. Они располагают нужными аминокислотами и могут распознавать кодоны мРНК. Это делает их центральными промежуточными элементами между генетическим кодом и белком. Такая их способность объясняется специфической структурой. Они состоят из одной нити, которая складывается таким образом, что отдельные участки РНК соединяются сами с собой, образуя короткие двойные нити. Благодаря этому осуществляется фиксация тРНК в сложной трехмерной форме с удвоением некоторых участков. Поэтому молекулы тРНК выглядят совершенно не так, как монотонная правильная двойная спираль ДНК. Фрэнсис Крик, считающийся открывателем двойной спирали, придал этой структуре огромное значение: «Молекула тРНК выглядит так, словно природа пытается возложить на нее задачи, присущие белкам!» Таким образом, тРНК стала доказательством того, что РНК не довольствуется ролью чистого передатчика информации. Благодаря перекрещиванию нити она, подобно белку, образует особые структуры и берет на себя активные функции.

Эти наблюдения стали источником вдохновения для трех ученых. В 1967–1968 годах они независимо друг от друга высказали идею, позволяющую разрешить проблему. Это были Фрэнсис Крик, американец Карл Вёзе (с ним мы подробнее познакомимся в 4-й главе) и англичанин Лесли Илизер Орджел. Орджел, являвшийся, между прочим, одним из участников «Клуба галстуков РНК», был ученым до мозга костей. Любовь к химии проявилась у него еще в подростковом возрасте, когда Лесли увлеченно изготавливал взрывчатку и применял ее на практике… Поэтому, если малолетняя шпана пытается взорвать ваш гараж, подумайте о том, что вы, возможно, имеете дело с научной элитой завтрашнего дня!

Исходя из свойств тРНК, все трое предположили, что в прошлом мог существовать такой механизм синтеза белков, при котором не требовалось брать за основу уже существующий белок. Для образца использовалась мРНК, в качестве передатчика кода выступала тРНК, а машина РНК производила белок. У сегодняшних живых организмов (это было известно уже в то время) такой машиной является рибосома – большой белковый комплекс, содержащий встроенные нити РНК, так называемые рибосомные РНК, или рРНК. Может, это реликт прежних времен?

Но раз уж ученые зашли в своих предположениях так далеко, то эту идею можно довести до логического конца: если для производства первых белков требовалась только РНК, следовательно, РНК появилась раньше белка. А поскольку РНК может одновременно выступать в роли носителя информации и активной синтезирующей структуры, то она древнее ДНК. Короче говоря, был сделан вывод о том, что в неразрывной на первый взгляд троице первой появилась РНК!

Идея была очень привлекательной, но недостаточно обоснованной. В конце концов, она строилась лишь на предположении, что РНК в состоянии выполнять функцию энзима. К сожалению, все известные на тот момент энзимы были белками. И даже если сам мистер Крик считал, что молекула тРНК выглядит как молекула белка, это еще не могло считаться доказательством. Нобелевская премия за двойную спираль была тут слабым аргументом.

Все последующие годы ситуация оставалась в подвешенном состоянии, но в 80-е годы случилось нечто невероятное: удалось обнаружить молекулы РНК, которые действительно работали как энзимы. Во-первых, был открыт комплекс из РНК и белка РНКаза Р, в котором главную работу выполняла как раз РНК, а не белковая часть. Во-вторых, было сделано наблюдение, что молекулы рРНК, встроенные в рибосомы одноклеточных организмов, могут сами разделять себя на части и затем вновь соединяться (позднее ученые узнали, что то же самое может происходить и с различными молекулами тРНК и мРНК). Такие РНК-энзимы получили короткое и прагматичное наименование рибозимов.

В канун нового тысячелетия добавился еще один решающий аргумент: было установлено, что сердцевина рибосомы (та самая структура, в которой аминокислоты фактически превращаются в белки) состоит только из РНК. Все эти открытия настолько уверенно подкрепили шаткую доселе идею, что она стала господствующей (если не единственной) из всех, что описывали время до зарождения жизни, и получила звучное название «гипотезы мира РНК».

Необходимо еще раз подчеркнуть: речь идет о гипотезе, и, если даже в ее пользу говорит сегодня очень многое, полной уверенности до сих пор нет. Кроме того, существуют весьма разнообразные мнения относительно того, как в реальности мог выглядеть мир РНК. Вы хотите в него заглянуть? Хорошо. Тогда мы откроем входную дверь и выйдем наружу, в мир РНК.

Чтобы гипотеза мира РНК была обоснованной, в прошлом должна была существовать РНК, способная к размножению. Лучшим доказательством было бы обнаружение древнего экземпляра такой РНК. На сегодняшний день мы им не располагаем, но ученые уже с 1980-х годов пытались создать такую РНК в процессе искусственной эволюции в пробирке. В 2013 году им это удалось. Был получен рибозим, состоящий из 202 фрагментов и способный синтезировать РНК из 206 фрагментов. Не все последовательности РНК удалось соблюсти, и полученный рибозим не мог самостоятельно размножаться, но это открытие весьма ощутимо подкрепило гипотезу мира РНК. Продолжаются поиски варианта, который действительно сможет воспроизводить сам себя.

От нашего времени этот мир отделяет примерно 3,8 миллиарда лет. Землю бомбардирует поток метеоритов. Вулканы бурлят и выплевывают в ядовитую атмосферу дым и лаву. Под плотными облаками древние моря обрушивают волны на обрывистые прибрежные скалы. Где-то в этих водах плавают крошечные круглые и нитевидные структуры, состоящие из тонкой мембраны, образованной жирными кислотами, и коротких молекул РНК, обладающих необычной способностью – работать как рибозимы и размножаться, копируя нити РНК.

Протоклетки добывали строительные материалы из окружающей среды через мембрану. Возможно, среди них были такие, которые размножались успешнее других. В результате их популяция была более многочисленной, и это стало началом эволюции. Но до совершенства было еще очень далеко. Процесс размножения шел так себе. Какое-то продолжение рода обеспечивалось, но не более того. Разумеется, РНК осуществляли химические реакции, но их перечень был весьма ограничен. Поэтому в какой-то момент на первый план вышли белки, ведь 20 аминокислот – это более разнообразный строительный материал и с их помощью можно эффективно решать большее количество задач, чем с РНК.

Необходимо ясно представлять себе, что генетический код, о котором так много говорят, появился, скорее всего, спустя миллионы лет после возникновения генетической информации. РНК способна хранить два различных вида информации. Во-первых, это генетический код для синтеза белков, а во-вторых, прямая информация о последовательностях собственной структуры, благодаря которым она приобретает трехмерную форму и производит рибозимы.

Если говорить о продолжительности хранения наследственной информации, то РНК не была идеальным решением, поскольку она очень уязвима и подвержена спонтанному распаду. Решением этой проблемы стала ДНК. Ее важнейшим отличием от РНК было наличие в составе несколько иного сахара, который не столь охотно вступает в химические реакции и делает молекулу ДНК более стабильной. О том, что ДНК возникла в ходе развития РНК, говорит и то обстоятельство, что ее компоненты создаются на основе сахаров, образованных из прекурсоров РНК.

На самом деле в гипотезе мира РНК остается нерешенным один из главных вопросов: какие условия должны были сложиться, чтобы первые молекулы РНК достаточно долго сохраняли стабильность и имели возможность размножаться? Как они вообще появились? Здесь идеи становятся весьма расплывчатыми. Однако мы уже знаем, что случайные последовательности РНК могут спонтанно образовываться из собственных строительных материалов в ходе двух (в значительной мере искусственных) сценариев. Во-первых, это может происходить на поверхности глинистого минерала монтмориллонита (названного в честь французского округа Монморийона, где в 1847 году он был обнаружен и описан), а во-вторых, в замерзающей воде.

Правда, некоторые ученые (в том числе и один из основателей мира РНК Лесли Орджел) сомневаются в том, что нестабильная и обладающая довольно сложным химическим составом РНК действительно была самым первым носителем информации. Возможно, до нее существовала другая, более простая и стабильная молекула, исчезнувшая к настоящему времени, на смену которой впоследствии пришла РНК. Такая молекула могла стать первопроходцем, а РНК заняла ее место лишь после того, как в ходе эволюции сложились условия для ее возникновения, а также для более быстрого и эффективного размножения. Но независимо от того, была ли РНК первой или у нее были химические предшественники, функция самого первого гена (если понимать под ним содержательную единицу информации в молекуле-носителе) была чисто эгоистической – размножать самого себя!

Но здесь вопросы о происхождении жизни не заканчиваются, потому что даже короткий фрагмент РНК (или чего-то похожего) представляет собой весьма сложную структуру.

Чтобы она появилась, нужны подходящие строительные материалы. Кроме того, мембраны в мире РНК состояли из жирных кислот, которые тоже должны были откуда-то взяться. Сегодня жирные кислоты, аминокислоты и компоненты РНК и ДНК производятся сложными клеточными механизмами, но как это происходило до возникновения жизни? Ответ на данный вопрос представляет собой последнюю ступеньку крыльца, по которому мы спускаемся на улицу. Давайте сделаем этот шаг.

История поистине захватывающая. У ее истоков стояли русский биохимик Александр Иванович Опарин и английский биолог Джон Холдейн. В 1920-е годы оба предполагали, что на ранних стадиях развития Земли атмосфера состояла из очень агрессивных газов: метана, аммиака и водорода. Под воздействием ударов молний и ультрафиолетового излучения из них получались многочисленные органические вещества, которые накапливались в древних океанах и реагировали друг с другом, образовывая горячий «суп» сложных химических веществ, из которых в конце концов возникли первые живые организмы (Холдейну, кстати, принадлежит аппетитный термин «первичный бульон»).

Подобно бульону, гипотеза Опарина-Холдейна некоторое время варилась сама по себе, пока на сцену не вышел никому прежде не известный молодой ученый по имени Стэнли Миллер. Вообще-то называть его ученым в то время было рановато. Его время пришло немного позже. Стэнли родился в 1930 году в Калифорнии. У него с ранних лет проявилась склонность к естественным наукам. Одноклассники считали его гением химии. Окончив в 1931 году университет в Беркли, он перевелся в Чикагский университет для работы над докторской диссертацией. На одном из семинаров лауреат Нобелевской премии Гарольд Юри выступил с докладом, в котором изложил свои взгляды на возникновение жизни. Он рассказал о первичном бульоне и химических реакциях, происходивших на ранних стадиях существования Земли, а также объяснил, почему атмосфера в то время состояла главным образом из водорода, аммиака и метана. Кроме того, Юри упомянул о том, что до сих пор почти не проводились эксперименты, воссоздающие указанные условия для изучения возможности возникновения жизни. Миллера захватила данная тема, но к тому времени он уже начал работать под руководством физика Эдварда Теллера над докторской диссертацией о возникновении атомных ядер в звездах. Правда, вскоре эта работа была признана бесперспективной.

В сентябре 1952 года Миллер прервал работу над диссертацией и связался с Юри. Он выказал желание «доварить» первичный бульон и провести эксперимент по производству органических веществ из описанной в докладе смеси газов в условиях отсутствия жизни. Юри счел эту идею неудачной и посоветовал Миллеру подыскать себе другую тему с большими шансами на успех. Он даже предложил альтернативный проект, но Миллер проявил упрямство и демонстративно надел на себя поварской фартук. Юри пришлось сдаться.

В конце концов Миллеру удалось воссоздать условия ранней фазы развития Земли. В систему из стеклянных трубок подавались метан, водород и аммиак. Под ними в большой колбе бурлила вода, символизировавшая первичный океан. Водяной пар и газы проходили сквозь камеру, через которую пропускался электрический разряд (молния в миниатюре). После этого пар охлаждался, образуя конденсат, стекавший обратно в «океан». Сначала эксперимент проводился в течение двух дней, потом его продлили на целую неделю. Вода в установке постепенно становилась все более мутной и приобретала необычный цвет. Когда Миллер прервал эксперимент и исследовал полученную жидкость, в ней обнаружились аминокислоты – основные элементы белков. Сенсация! До этого никто не мог продемонстрировать ничего подобного.

Юри был впечатлен. Он посоветовал Миллеру опубликовать результаты эксперимента в солидном американском научном журнале Science и сам связался с издателем. Миллер подготовил рукопись, которая заняла менее двух страниц, но стала настоящей бомбой! Он хотел указать Юри в качестве соавтора, но тот отказался (что было уже не совсем обычно), объяснив это тем, что тогда его, лауреата Нобелевской премии, неизбежно сочтут главной движущей силой проекта и Миллер лишится заслуженного признания. Вот так Миллер несколько неожиданно для себя оказался единственным автором. Опубликование работы затянулось. Эксперты, которым Science выслал рукопись для проверки, сочли, что изложенные данные слишком хороши, чтобы быть правдой. На протяжении нескольких недель ничего не происходило. В конце концов обеспокоенный Юри написал в журнал письмо с жалобой. Вновь никакой реакции. Тогда у Юри лопнуло терпение и он направил второе письмо с требованием вернуть рукопись, чтобы ее можно было предложить другому журналу! Вскоре после этого издатель сообщил Миллеру (не Юри), что в ближайшее время рукопись будет опубликована. Это произошло 15 мая 1953 года. Тот год был вообще отмечен большими событиями. Менее чем через месяц после опубликования статьи Миллера появилась работа Уотсона и Крика о разгадке тайны структуры ДНК. Кроме того, прошла коронация королевы Елизаветы II, впервые был покорен Эверест, а в Касселе открыта первая в Германии пешеходная зона.

Как и ожидалось, отношение к открытию Миллера было противоречивым. В частности, ему задавали вопрос, откуда он знает, что на Земле действительно существовали условия, которые он создал в своей колбе. Поначалу Миллер не знал, что сказать, но ему на помощь пришел Юри, дав не слишком научный, но остроумный ответ: «Если Бог не создал таких условий, то он упустил отличную возможность!»

Сегодня мы немного больше знаем об условиях, царивших на Земле почти четыре миллиарда лет назад. Предполагается, что они были не совсем такими, как их представляли себе Юри и Миллер. Однако, даже если состав газовой смеси немного отличался от использованного в их эксперименте, в ходе многих повторных опытов ученые добивались схожих результатов, используя самое разное соотношение газов – при условии, что в них содержатся азот, водород и углерод. Сегодня мы исходим из того, что сложные органические соединения могли возникнуть во многих местах океана (например, вблизи гидротермальных источников) и в атмосфере. Однако существует еще один источник основных компонентов жизни, и он громко заявил о себе в 1969 году.

Эдвард Теллер, «отец водородной бомбы» и, кстати, тоже член «Клуба галстуков РНК», на протяжении многих лет являлся ведущим специалистом американской атомной программы, внесшим решающий вклад в создание атомной и водородной бомбы. Впоследствии он прославился главным образом своей увлеченностью проектами, необходимость и возможность реализации которых были весьма сомнительными. В частности, Теллер выступал за использование ядерного оружия в мирных целях (да, вы не ослышались), например для строительства громадной глубоководной гавани на Аляске за счет целенаправленного подрыва нескольких водородных бомб. Этот проект действительно долгое время обсуждался, но в конце концов был отклонен по причине нерентабельности (гавань была бы покрыта льдом на протяжении девяти месяцев в году) и негативного влияния на здоровье.

Один из руководителей Теллера писал: «Огромный энтузиазм, с которым Эдвард относился к этой идее, позволял сделать вывод о том, что из нее ничего не получится». В научных кругах бытовала шутка, что именем Теллера названа единица абсолютно необоснованного оптимизма. При этом «один теллер» представлял собой настолько большую величину, что нормальный уровень оптимизма оценивался в одну миллиардную теллера, то есть нанотеллер.

Мирный австралийский городок Мерчисон, 11 часов утра. Люди только начинают задумываться, что бы съесть на обед, но тут небо озаряет яркая вспышка. За ней следует нарастающий рев, и большой метеорит, прочертив огненный след по небу, взрывается с оглушительным грохотом. Сверху сыплется дождь осколков. Люди переглядываются, забывают об обеде и отправляются посмотреть, что произошло. Прямо на улице они подбирают куски серо-коричневой массы (всего их оказалось больше 100 килограммов). Этот метеорит, получивший впоследствии название мерчисонского, стал огромной удачей для науки. Его возраст, оцененный в 4,5 миллиарда лет, совпадал по времени с зарождением Солнечной системы. В то время Солнце и планеты находились еще в стадии становления, поэтому метеорит позволил получить ценные сведения о том, на что была похожа юность Солнечной системы.

Но настоящей сенсацией стал тот факт, что внутри осколков было обнаружено более 15 различных аминокислот (а при последующем анализе еще больше), в том числе и те, которые были получены в ходе экспериментов, проведенных на Земле. Кроме того, ученые нашли и другие важные кирпичики жизни: жирные кислоты и урацил, входящий в состав РНК. Каким же образом возникли эти соединения?

Сегодня мы знаем, что космическое излучение способно в условиях космоса создавать сложные органические соединения из более простых молекул. Этот процесс вполне может носить универсальный характер. Так, например, уже получены данные о наличии органических соединений в межзвездных пылевых облаках, а в 2012 году астрономы даже обнаружили одну из разновидностей сахаров в зарождающейся звездной системе, удаленной от нас на 400 световых лет. Предполагается, что сложные органические вещества образуются в молодых звездных системах еще до возникновения планет. Поэтому можно представить себе, что и на заре нашей Солнечной системы такие вещества могли попасть на Землю с кометами и астероидами и сыграть таким образом важную роль в возникновении жизни.

По времени все совпадает, так как примерно в промежутке между 4,1 и 3,8 миллиарда лет тому назад наступила фаза, во время которой внутренние планеты (Меркурий, Венера, Земля и Марс) регулярно сталкивались с большими и малыми космическими телами. Условия были просто адскими. Этот период иногда называют «большой бомбардировкой», и хотя шрамы, полученные Землей, почти полностью исчезли в результате эрозии и движения тектонических плит, мы можем получить представление о действовавших в то время силах, взглянув ясной ночью на изрытое оспинами лицо Луны. Большинство видимых на ней громадных кратеров образовалось именно тогда.

Идиллический «маленький теплый пруд», который представлял себе Дарвин, был похож, скорее, на ядовитый ад. Однако он стал источником таких органических веществ, как сахара, жирные кислоты и аминокислоты, являющиеся сегодня строительным материалом для всех живых организмов. Правда, картина до сих пор еще не полная и многие вопросы остаются без ответа.

А невыясненные вопросы создают почву для спекуляций! Простой вопрос «А что, если?..» нередко приводил к зарождению империй, разрушению браков и созданию кулинарных шедевров. В данном случае вопрос звучит так: «А что, если жизнь вообще не возникла на ранней стадии развития Земли, потому что условия не отвечали этому на сто процентов?»

На первый взгляд это может показаться абсурдным. Ведь мы же существуем. Откуда мы в таком случае взялись? Но кто знает, может, мы все инопланетяне. Возможно, жизнь возникла не на Земле, а где-то в другом месте Вселенной, а потом была импортирована сюда. Подобные идеи высказываются в рамках так называемой гипотезы панспермии (от греч. pan – всё и sperma – семя), и наука исследует их самым серьезным образом.

Поскольку многие органические соединения обнаруживаются в самых дальних уголках Вселенной, вполне можно представить себе, что существуют планеты или их спутники, которые так же хорошо, как и Земля (или даже лучше), подходят для зарождения жизни. Во всяком случае, в последние годы открыто несколько планет земного типа в далеких звездных системах, на которых может существовать вода в жидкой форме.

Но как потенциальная жизнь перемещается в космическом пространстве? Сторонники гипотезы ненаправленной панспермии исходят из того, что в результате бомбардировки астероидами и кометами планет, на которых существует жизнь, микроорганизмы могут выбрасываться в космос. Отдельные ничем не защищенные микроорганизмы вряд ли смогут выжить в таких условиях. Жесткое излучение сильно повредит их наследственный материал. Но если они находятся глубоко внутри камней (а на Земле такое встречается), то шансы существенно возрастают. Нам известно, что такие камни перемещаются внутри нашей Солнечной системы от одного космического тела к другому. На Земле уже найдено более сотни метеоритов, попавших к нам с Луны и Марса. Точно также подсчитано, что за последние 3,5 миллиарда лет, то есть с тех пор, как на Земле существует жизнь, на Венеру с нашей планеты могло попасть около 26 миллионов камней диаметром более трех метров, на Марс – 360 тысяч, а на Юпитер – 83 тысячи. Остальные обломки рассеяны где-то по Солнечной системе и могли попасть, к примеру, на спутники Юпитера Но и Европу или на спутник Сатурна Титан, где также возможна примитивная жизнь.

Обсуждается также возможность целенаправленной панспермии, в ходе которой жизнь активно доставляется в другие миры. Да, вы не ослышались. Речь идет об инопланетянах и космических кораблях – все по полной программе.

Эта идея не относится к числу центральных. Говорить о ней всерьез – это, пожалуй, самый быстрый способ заслужить репутацию чудака. Чтобы противостоять насмешкам окружающих, надо иметь сильный характер. Не повредит и диплом лауреата Нобелевской премии в шкафу. У Фрэнсиса Крика было и то, и другое. В 1973 году он совместно с Лесли Орджелом написал работу о целенаправленной панспермии. В ней оба автора пришли к выводу, что сознательное «засевание» нашего мира жизнью со стороны инопланетян вполне возможно. Правда, они сделали оговорку, что имеющиеся в их распоряжении данные не позволяют оценить степень вероятности такого сценария.

Особенно причудливо выглядит побочная гипотеза космического мусора, сформулированная в I960 году американским астрофизиком Томасом Голдом. В общих чертах она сводится к тому, что инопланетяне в древние времена посетили Землю и оставили на ней мусор, зараженный микроорганизмами, из которых впоследствии и развилась вся жизнь на нашей планете. Не слишком аппетитная идея. Но в 2012 году почти такая же история в действительности произошла на Марсе. Только инопланетянами в данном случае были мы сами. Марсоход «Кьюриосити» нечаянно занес на своем корпусе бактерии на Марс.

Но независимо от того, зародилась ли жизнь самостоятельно в адской кухне древней Земли или была откуда-то занесена, следует исходить из того, что все началось с некой функциональной единицы наследственного материала, которая смогла себя воспроизвести, – то есть с первого гена.

Глава 3

Ошибочная эволюция

Рассказ о 10 тысячах способов, которые не действуют, о девочке, упавшей с пони, о нескольких сотнях морских свинок и ошибках в ДНК, которые заставляют нас двигаться вперед.

Капля пота спускается по моему лбу между бровями, на какой-то момент задерживается на кончике носа и с тихим шлепком падает на острие сабли, которую бородач держит возле моего горла. «Это была твоя ошибка, каналья /» – орет он, вынуждая меня сделать еще шажок по доске, выступающей за борт. Балансируя над грязной водой портовой акватории, я вынужден в какой-то мере признать его правоту. Да, сегодня я действительно совершил ряд промахов.

Проснувшись утром от звонка будильника, я сразу вспомнил, что меня ждут нелегкие испытания, так как у Хедвиг сегодня день рождения. И как всегда, когда она отмечала его у нас в Гамбурге, этот день совпадал с праздником в порту. Значит, нам в очередной раз предстоит путешествие на прогулочном теплоходе и кофе с вишневым тортом. И никаких возражений. Я застонал. Каждый раз одно и то же.

Не успел я еще выбраться из постели, как жена озабоченно поинтересовалась: «А ты билеты на теплоход купил?»

Конечно же нет, черт возьми! «Ну разумеется, дорогая. Не беспокойся». И почти искренняя улыбка в придачу. Теперь мне мог помочь только Калле из администрации порта. Пока готовился завтрак, я заперся в туалете. «Билеты на теплоход? Сегодня? В праздничный день? Да ты свихнулся/» – доносилось из мобильника. Пять минут я отчаянно умолял и давал самые абсурдные обещания. В конце концов мне удалось добиться от Калле, что он «поговорит с нужными людьми».

Пока за завтраком звучали дежурные поздравления в адрес Хедвиг, которая принимала их с обычным стоическим видом, телефон пискнул, давая сигнал о поступлении СМС: «11:30, “Кровавая Лиза”». Хедвиг взглянула на меня. Не дай Бог, онаузнает, что я забыл про ее день рождения. «Дорогая Хедвиг, в этот радостный день мы, как всегда, приглашаем тебя на теплоходную прогулку. Но в этот раз мы поплывем не на “Фризии” а на “Кро…”, ну, в общем, на “Лизе”. Это тоже замечательный корабль».

Потратив целую вечность на то, чтобы протиснуться через толпы туристов, мы наконец добрались до нужного причала. «Кровавая Лиза» оказалась небольшим и довольно потрепанным одномачтовым парусником, глядя на который с трудом верилось, что во время прогулки будут еще подавать и кофе. Все семейство с тревогой посмотрело на меня.

«Я слышал, что капитан готовит изумительный вишневый торт по рецепту из Шварцвальда», – импровизировал я, ведя всех к трапу. Хедвиг молча оглядела парусник, повертела в руках красный зонтик от солнца и взошла на борт. Едва мы успели подняться, кто-то крикнул: «Все на борту!»

«Хорошо, – проворчал коренастый мужчина, который стоял на палубе спиной к нам, широко расставив ноги. – Отдать концы! Да пошевеливайтесь вы, тухлые макрели!» Босоногие матросы, головы которых украшали треуголки и платки, втащили трап на палубу. Капитан повернулся к нам. Положив левую руку на эфес сабли, он спросил: «Это вы те самые сухопутные крысы, о которых мне говорил четырехпалый Калле?» Когда он говорил, сквозь спутанные черные усы и бороду поблескивал золотой зуб.

О Господи! Похоже, эту посудину зафрахтовали ребята из клуба розыгрышей, в котором состоял Калле, а мы попали сюда за компанию. Я бросил взгляд на Хедвиг. Она стояла со скрещенными на груди руками и, приподняв одну бровь, рассматривала капитана. Я сделал последнюю попытку предотвратить надвигавшуюся катастрофу: «Давайте оставим все эти пиратские штучки и побудем просто нормальными взрослыми людьми. Для разнообразия это тоже неплохо…»

Но договорить до конца я не успел. Лицо капитана Свена (по прозвищу Кровавая Рука) налилось кровью, и вокруг нас сомкнулось кольцо головорезов, которые были на удивление хорошо вооружены для офисных клерков. Как я уже говорил, это была моя ошибка…

«Ступай поздоровайся с рыбами! – рявкнул капитан (в обычной жизни продавец мебельного магазина), загоняя меня на доску. Его золотой зуб блестел в предвкушении развлечения, но тут со стороны тети Хедвиг послышалось: «Слушай, парень, если кто поднимет руку на мою семью, ему придется иметь дело со мной!» Свен недоуменно оглянулся. В это мгновение тетушка зацепила его ногу рукояткой зонта и сильно толкнула в грудь. Он пошатнулся и плюхнулся в воду.

Когда команда вновь вытащила его на палубу, ему оставалось только убедиться в том, что корабль полностью перешел под командование Хедвиг. Она стояла за штурвалом и отдавала команды, направляя парусник на «Фризию», где публика на палубе наслаждалась кофе и солнечной погодой. Вся семья собралась вокруг нее, укоризненно поглядывая на меня.

«Извините, я просто забыл вовремя заказать билеты…» – бормотал я себе под нос.

Хедвиг долго смотрела на меня, а потом произнесла: «Ошибки случаются у каждого, мой мальчик. Главное – это уроки, которые мы из них извлекаем. А теперь я хочу получить свой торт, треска ты сушеная! Приготовиться к абордажу!»

На мачте взвился черный флаг. На «Фризию» полетели абордажные крючья. Свен, с которого по-прежнему стекали капли воды, стал ловко взбираться по канату вместе с тремя радостно вопящими программистами. Похоже, зарождалась новая традиция праздновать день рождения, и она нравилась мне куда больше. Я улыбнулся и, зажав в зубах лопаточку для торта, тоже отправился за добычей.

Давайте взглянем фактам в лицо: допустить ошибку может каждый – и вы, и я, и королева Англии, и Чак Норрис. Человеку свойственно ошибаться, и это совершенно нормально. Не забывайте, что ошибки тоже приносят пользу. Ну если честно: когда вы сидите вечером с друзьями и травите всякие байки, то самые интересные из них обычно начинаются с того, что кто-то где-то сел в лужу. Мы все время стараемся сделать все как можно лучше, но перфекционизм далеко не всегда является частью нашей натуры. Отказывая себе и другим в праве на ошибку, мы пытаемся выдать желаемое за действительное, а это ведет только к разочарованиям.

Наука не является исключением. В ней тоже случаются ошибки. А если уж совсем по-честному, то здесь они нужнее всего! Ведь самые лучшие учителя – это ошибки, заблуждения и неожиданности. Поэтому неудавшийся эксперимент не менее важен, чем совершенный план.

В лабораториях царит конкретика. У вас есть научная проблема, вы придумываете подходящую теорию и хотите быстро и убедительно ее доказать. Но уже через некоторое время оказываетесь с разбитой вдребезги теорией и кучей новых вопросов на руках. Однако зачастую именно эти вопросы ведут к прогрессу. Русский писатель-фантаст и биохимик Айзек Азимов однажды сказал: «В науке самым распространенным словом является не “эврика!” а “странно…”».

Хороший пример такой странности продемонстрировал нам в 1928 году бактериолог Александр Флеминг. Изучая болезнетворные стафилококки, он в один прекрасный день сделал их очередной посев в чашках Петри. Возможно, в тот день Флеминг был более рассеян, чем обычно, потому что ему предстояло несколько дней отдыха. В такой ситуации каждый может допустить ошибку. Расставив чашки на столе, он отправился в короткий отпуск, а когда вновь вернулся в лабораторию, обнаружил в чашках не только бактерии, но и плесень. Видимо, первым делом Флеминг сказал: «Вот дерьмо!» – или что там говорят в таких случаях шотландцы. Скорее всего, во время проведения опыта он не соблюдал правила стерильности, поэтому в чашки проникли плесневые грибки.

Подобная ошибка может загубить весь эксперимент. Флемингу следовало бы выбросить все образцы и забыть о неудаче, но он поступил по-другому: еще раз внимательно рассмотрел результаты, наморщил лоб и пробормотал: «Странно…» Бактерии довольно равномерно распределились по питательной среде, но вокруг плесени их не было. Выходит, плесень мешает размножению бактерий?

Флеминг исследовал эту проблему и обнаружил, что плесневые грибки вида Penicillium выделяют вещество, убивающее определенные виды бактерий, но безвредное для человеческих клеток. Он назвал это вещество пенициллином. Но путь от неудавшегося эксперимента до, пожалуй, самого знаменитого медикамента в истории оказался очень длинным, и Флемингу не удалось его пройти. Дело сдвинулось с мертвой точки лишь после того, как несколько американских ученых в поисках антибактериальных средств наткнулись на работы Флеминга. Первые испытания нового лекарства на людях были проведены только в 1941 году.

Результаты оказались потрясающими! Состояние здоровья пациентов улучшилось практически сразу же после введения пенициллина. Правда, в связи с трудностями производства лекарство было настолько дефицитным, что даже предпринимались попытки повторно добывать его из мочи пациентов. Чтобы наладить широкое применение пенициллина в лечении, надо было найти способы увеличения его производства. Наряду с попытками усовершенствовать производство велись и поиски нового штамма пенициллиновых грибков, который позволил бы увеличить выпуск.

С привлечением Военно-воздушных сил США по всему земному шару собирались образцы почвы, которые затем исследовались в научной лаборатории Иллинойса. Но находка была сделана буквально под носом. Сотрудница лаборатории Мэри Хант в поисках плесени регулярно обходила местные продуктовые лавки. В один прекрасный день 1943 года она с гордым видом притащила слегка подгнившую дыню. Проба была подвергнута исследованию, и оказалось, что этот штамм плесени – Penicillium chrysogenum – является ключом к масштабному производству пенициллина. Остатки легендарной дыни были съедены персоналом лаборатории. В 1944 году Александру Флемингу за ошибку, вызванную небрежностью в работе, был пожалован дворянский титул. Спустя год он получил Нобелевскую премию.

Но ошибки допускают не только биологи. Наш наследственный материал тоже постоянно борется с их последствиями. По сегодняшним оценкам, в каждой человеческой клетке каждый день происходит 10 тысяч событий, способных повредить ДНК. Некоторые ученые доводят эту цифру до 50 тысяч. Это чрезвычайно много. Такое развитие событий очень быстро свело бы нас в гроб, если бы клетки не занимались постоянно ремонтом механизма наследственности. Это поистине сизифов труд, постоянная борьба. Наш геном использует более 160 различных генов для противодействия внешним влияниям (например, ультрафиолетовому и рентгеновскому излучению и вредным химическим веществам). Но самая большая опасность исходит от фактора, возникшего на ранней фазе зарождения жизни. Пожалуй, величайшим убийцей в истории планеты следует считать… сине-зеленые водоросли.

Согласен, в наши дни это выглядит как некое преувеличение, но в свое время сине-зеленые водоросли натворили немало дел. По-видимому, это выглядело следующим образом: примерно два с половиной миллиарда лет назад наша планета была уже в достаточной степени заселена, правда только одноклеточными организмами. И вот однажды у одного из видов бактерий (предшественника сегодняшних сине-зеленых водорослей), плавающего в океане, развилась способность эффективно добывать огромное количество энергии из солнечного света. Единственной загвоздкой во всей этой истории было то, что в качестве отходов выделялся свободный кислород, который в такой форме в атмосфере тогда практически отсутствовал. Поначалу это не представляло особой проблемы, поскольку он быстро вступал в реакцию с ионами железа и органическими соединениями, содержавшимися в окружающей среде. В связи с этим свободный кислород исчезал так же быстро, как и появлялся.

В течение первой пары миллионов лет все шло замечательно, и производители кислорода просто процветали благодаря своему прогрессивному способу получения энергии. Но подобное загрязнение окружающей среды должно было когда-нибудь сказаться, и однажды условия резко изменились. Почему? На этот счет существует несколько теорий, но, скорее всего, были исчерпаны запасы веществ, вступавших в реакцию с кислородом. Как бы то ни было, он начал накапливаться сначала в воде, а потом и в атмосфере. Сегодня это считается положительным фактором, но для тех времен подобное явление означало катастрофу. Ведь, попадая в живую клетку, этот газ образует в ней агрессивные соединения (например, перекись водорода, применяемую для обесцвечивания волос), которые начинают реагировать со всем, что только попадается на пути. При этом разрушаются мембраны клеток, ферменты и ДНК.

Ситуация осложнялась еще и тем, что кислород был не просто ядом. Ко всему прочему он изменил состав атмосферы, на 300 миллионов лет ввергнув мир в ледниковый период. Разразилась «великая кислородная катастрофа». Считается, что в то время погибла большая часть всех живых организмов. Пожалуй, это было величайшее массовое вымирание в истории планеты. Если бы этот эпизод вошел в кинофильм, мы увидели бы, как последние задыхающиеся микробы толпятся в нише скалы и в отчаянии смотрят на завывающую снежную бурю. После этого очертания пейзажа расплываются… затемнение на экране. Конец фильма.

Но на самом деле все было несколько иначе. Мы до сих пор живы, а это значит, что микробы все-таки сумели справиться с бедой. Но как? Выжили не только те, кто прятался в местах, недоступных для кислорода, но и те, кто научился переносить этот новый яд и даже извлекать из него пользу.

Так, например, кислород позволяет очень эффективно добывать энергию из пищи. Если дрожжи растут без доступа кислорода, то выход энергии просто ничтожен и в ходе процесса брожения виноградный сахар превращается в алкоголь и углекислый газ. Если же в реакции участвует кислород, то дрожжевые грибки получают в пятнадцать раз больше энергии. На выходе остаются только углекислый газ и вода, как будто сахар полностью сгорел в огне. Сегодня клетки всех высших живых организмов вынуждены иметь дело с кислородом. В них, как и прежде, в качестве побочного продукта обмена веществ образуются агрессивные соединения. Особой производительностью отличаются митохондрии – сложные структуры, разлагающие питательные вещества с помощью кислорода и при этом добывающие большое количество энергии. Митохондрии обычно называют «электростанциями» клеток. Но им больше подошло бы название «атомных электростанций», поскольку они имеют дело с очень опасным веществом (кислородом) и оставляют огромное количество вредного мусора.

Чтобы выжить, клеткам пришлось найти способы, позволяющие защититься от негативных воздействий. В нашем организме есть ряд ферментов, задача которых заключается в нейтрализации агрессивных соединений. Насколько это важно для выживания, можно понять хотя бы по тому, что в данную группу входит, пожалуй, самый эффективный из всех известных ферментов – каталаза, – которая «обезвреживает» пять миллионов молекул перекиси водорода в секунду, разлагая их на воду и кислород. Но стопроцентной защиты не бывает, поэтому порой агрессивные соединения все-таки повреждают ДНК в клетках.

Как это может происходить? В данной связи ученые охотно цитируют один из законов Мерфи: «Если что-то может пойти не так, то это обязательно случится». Иными словами, любое негативное воздействие на наследственный материал, которое вы только можете себе представить, может быть оказано в действительности. Но давайте рассмотрим ежедневную деятельность по ремонту ДНК поближе, так сказать изнутри.

Осмотревшись в клеточном ядре, мы обнаружим большое количество белков, которые, подобно слизнякам, ползают по ДНК и методично проверяют каждую «ступеньку» на предмет повреждений. Наткнувшись на участок, подвергшийся химическим изменениям и не подлежащий считыванию, они вырезают его. Такие повреждения случаются постоянно, например, в результате взаимодействия с агрессивными соединениями кислорода, о которых мы уже рассказывали. Когда первая партия ремонтных белков, выполнив свою работу, продолжает двигаться дальше, в последовательности ДНК остается пустое место. Это опасно, но уже через короткое время сюда прибывают другие ремонтные белки и заделывают его.

Обычно все протекает гладко и без проблем. Но иногда случается так, что в ходе ремонта или копирования наследственного материала при делении клетки в структуру ДНК незаметно внедряется неправильный фрагмент, и между обеими нитями возникают разногласия, так как неизвестно, какая информация является истинной. Но и на этот случай в клетке предусмотрено решение. Ее ремонтные системы в состоянии определить, чем является спорный фрагмент – оригиналом или плохой копией. В соответствии с этим вносятся коррективы. Итак, пока все идет хорошо.

Углубимся дальше в ядро клетки и понаблюдаем за тем, как взаимодействуют белки, РНК и ДНК. Внезапно мы видим вспышку света. Очевидно, человек решил позагорать и ультрафиолет, входящий в состав солнечного света, попал на ДНК и намертво склеил два соседних основания Ц таким образом, что считать с них информацию уже невозможно. Но ремонтная бригада ДНК готова и к такому развитию событий. Поврежденное место быстро обнаруживается и вырезается, а недостающая последовательность оснований восстанавливается с помощью неповрежденной второй нити спирали. Клетка легко справляется с этим, если только не возникает необходимость одновременного ремонта сразу большого количества повреждений, как, например, при сильном солнечном ожоге. В этом случае клетки, на которые падает такая чрезмерная нагрузка, просто отмирают.

Для устранения повреждений, вызванных ультрафиолетовым облучением, существует еще одна, более практичная ремонтная система. Речь идет о так называемых ДНК-фотолиазах.

Они находят поврежденные места и обращают вспять реакции, приведшие к дефектам. При этом ничего не удаляется и не воссоздается заново. Особую элегантность данному процессу придает тот факт, что необходимая для ремонта энергия добывается непосредственно из солнечного света. Таким образом, мы имеем дело с энзимами, работающими на солнечной энергии. Они вступают в работу именно тогда, когда повреждения вызываются ультрафиолетовыми лучами. Плохо лишь одно: этот чрезвычайно практичный механизм отсутствует у людей и вообще у млекопитающих, хотя наши далекие предки им обладали. Почему мы его лишились, не совсем понятно, но одно из возможных объяснений заключается в том, что во всем виноваты динозавры! Первые млекопитающие обычно выполняли роль закуски для динозавров, поэтому отваживались покидать свои норы и укрытия только по ночам. Жизнь в темноте оставила свои следы, и до сих пор глаза у млекопитающих приспособлены к яркому свету хуже, чем у птиц и рептилий. Зато, как правило, лучше развиты слух, обоняние и осязание. Как видно, эффективная ремонтная система, работавшая на солнечной энергии, была абсолютно бесполезна для существ, ведущих ночной образ жизни, поэтому они навсегда лишились ее.

Наряду с ультрафиолетовым облучением нашим клеткам приходится бороться и с другими лучами, обладающими куда более высокой энергией. Настолько высокой, что они способны выбивать электроны из атомов и за счет этого создавать заряженные и очень агрессивные частицы – ионы. Эти лучи приходят к нам из глубин космоса или возникают в результате распада радиоактивных элементов в непосредственной близости от нас (или даже внутри тела).

Желающие могут увидеть следы такого излучения в так называемой камере Вильсона (инструкцию по ее конструированию вы найдете в интернете). Камера заполняется влажным переохлажденным воздухом, в котором заряженные частицы высоких энергий оставляют хорошо заметные следы конденсата. Это зрелище очень впечатляет, но вместе с тем и пугает. Однако не стоит слишком сильно переживать: даже если вы постоянно подвергаетесь бомбардировке такими лучами, ваши клетки к этому готовы.

Когда заряженная частица попадает в клетку, она оставляет след, в котором возникают высокоактивные соединения, способные повредить ДНК и другие клеточные структуры. При точном попадании в ДНК излучение может даже разделить обе нити и двойная спираль распадется. Все повреждения, о которых мы говорили до этого, затрагивали только одну нить генетической лестницы и могли приводить лишь к незначительным изменениям в отдельных генах. Но повреждение двух нитей сразу – это полная катастрофа. Хромосома распадается на две части, и отделившийся кусок может запросто потеряться, прихватив с собой сотни генов. Скорее всего, это означает смерть клетки. Но пока дело до этого не дошло, ремонтные бригады все равно включаются в работу, стараясь любой ценой устранить повреждения.

В самом удачном случае, когда поблизости находится вторая целая хромосома (а в человеческой клетке содержится два набора по 23 хромосомы в каждом), она может послужить образцом для ремонта поврежденного участка. Но, если такой образец вблизи отсутствует, клетка начинает импровизировать. Поврежденные концы, которые невозможно соединить друг с другом, удаляются. При этом, естественно, теряется часть информации. Кроме того, соединенные «зачищенные» концы, возможно, не имеют никакого отношения друг к другу, так как принадлежат разным фрагментам. Установить это невозможно. Ремонт получается грубым и неточным, но для клетки это единственное спасение.

Ремонтные механизмы клеток день за днем совершают невероятную работу и, несмотря на все трудности, умудряются сохранять наш наследственный материал в целости. Однако время от времени в нем все же происходят изменения – как незначительные, так и довольно серьезные (это может наблюдаться, в частности, при копировании). Виды мутаций разнообразные. Они могут заключаться в том, что отдельные фрагменты ДНК меняются местами, теряются или добавляются со стороны. В некоторых случаях довольно крупные участки ДНК переселяются с одной хромосомы на другую.

Но не все ошибки смертельны. Наша наследственность отличается поразительной устойчивостью. Если, к примеру, один фрагмент ДНК меняется местами с другим, то последствия могут оказаться самыми разными. Во-первых, ошибка необязательно происходит в гене или другом важном фрагменте наследственного материала, но даже если и так, то генетический код в значительной степени способен компенсировать ее (вспомните: для многих аминокислот существует более одного кодона, таким образом, если, к примеру, ЦЦЦ превратится в ЦЦА, все равно будет синтезироваться пролин). Но, если даже изменится тип белка, все еще может закончиться благополучно, поскольку не все его части имеют одинаковую значимость и измененный белок зачастую функционирует так же (или почти так же), как оригинал. В конце концов, если в «Ламборгини» установить зеркало заднего вида от «Лады», оно тоже будет выполнять свое предназначение. Даже если дело зайдет настолько далеко, что вследствие мутации будет заменен и двигатель (что, конечно, существенно снизит мощность), то в клетке имеется второй набор хромосом, в котором, возможно, хранится целая копия гена. Если какой-то ген поврежден или уничтожен, то второй копии зачастую достаточно, чтобы избежать больших проблем. (Исключением является ситуация, когда речь идет о мужчине и мутация происходит в X- или Y-хромосоме, потому что они имеются у него в единственном экземпляре. Если здесь что-то пошло не так, исправить положение вряд ли удастся. Поэтому некоторые наследственные заболевания встречаются у мужчин заметно чаще, чем у женщин.) Таким образом, количество мутаций, ведущих к серьезным последствиям, в том числе смерти, относительно невелико.

Но не стоит забывать о том, что не каждое изменение вредно. Некоторые имеют нейтральный характер или даже дают определенные преимущества. Эти «полезные ошибки» являются двигателем эволюции и дальнейшего развития наших генов. С их помощью жизнь до сих пор справлялась со всеми препятствиями, встававшими на ее пути, включая астероиды-убийцы и коварные сине-зеленые водоросли.

Но каков путь от случайной полезной мутации до возникновения совершенно нового биологического вида? Другими словами, как выглядит связь между мутациями и эволюцией? Если сегодня мы довольно хорошо знаем, как происходит данный процесс, то благодарить за это надо главным образом Джона Бёрдона Сандерсона Холдейна, который с помощью математических методов соединил эволюционную теорию Дарвина с законами наследственности Менделя. Он был не единственным ученым, работавшим над тем, чтобы придать эволюционным процессам некоторую предсказуемость, но именно ему удалось стать движущей силой и одним из основоположников современной эволюционной генетики.

Об эволюции он начал задумываться уже в раннем возрасте. Холдейн, которого все звали Джеком, родился в 1892 году в Эдинбурге и в восемь лет начал помогать в научных экспериментах отцу – знаменитому физиологу. В 1901 году отец разрешил ему присутствовать на докладе, посвященном трудам Менделя, и это произвело на Холдейна-младшего неизгладимое впечатление. Всегда ли действуют принципы, открытые Менделем в ходе статистических подсчетов, или они годятся только для гороха? И что все это может значить?

Еще будучи подростком, Холдейн с 1908 года начал активно искать ответы на эти вопросы. Стартовым выстрелом для его работ стал глухой звук падения, с которым его одиннадцатилетняя сестра Наоми свалилась с пони. В результате у нее начисто пропала любовь к лошадям и она переключилась на морских свинок. С этого все и началось. Джек совместно с Наоми, которая научилась различать своих питомцев по писку, решили выяснить, применимы ли законы наследственности Менделя к грызунам, продемонстрировавшим такую тягу к размножению, что уже через несколько месяцев их поголовье выросло с одной пары до 300 особей. И надо же: они действовали и в данном случае! Для полной уверенности Джек и Наоми повторили эти эксперименты на мышах и уже вскоре опубликовали свою первую научную работу.

Позднее Джек изучал математику и классическую филологию в Оксфорде. В 1914 году он с отличием окончил университет, но диссертацию так и не защитил. Все познания в биологии он получил за счет самообразования. Однако отсутствие формального образования не помешало ему стать одним из величайших биологов своего времени. Юный Джек с годами превратился в Дж. Б. С. Холдейна и приобрел импозантный внешний вид: стал высоким и широким, словно шкаф, и вдобавок отрастил усы, как у Сталина. Он был известным упрямцем и спорщиком, а также марксистом, гуманистом и атеистом. Ни за какие деньги Холдейн не соглашался держать язык за зубами и всегда высказывал свою точку зрения. Короче говоря, он был ярким примером того, как проще всего потерять друзей и обзавестись врагами среди влиятельных людей. Об успешной карьере не могло быть и речи, поскольку для этого требовались такие качества, как тактичность в общении с людьми и определенная склонность к консерватизму. К счастью, его мало интересовала карьера в классическом понимании. Единственное, чего он хотел, – это чтобы его оставили в покое и дали возможность заниматься наукой.

С помощью математики Холдейн определенным образом упорядочил многие области биологии, пребывавшие до этого в хаотическом состоянии, и постоянно занимался проблемами эволюции. В частности, ему не давала покоя загадка талассемии, или средиземноморской анемии, – особого вида малокровия. Причиной этого заболевания являются мутации в генах гемоглобина – белка, отвечающего за транспортировку кислорода в красных кровяных тельцах. Если ребенок получал дефектные гены от обоих родителей, заболевание могло оказаться смертельным. Если же был поражен только один набор хромосом, то последствия были значительно мягче и иногда почти не сказывались на здоровье. Но почему эти опасные вариации генов встречались так часто? И почему они были сосредоточены в средиземноморском регионе? Если эта мутация смогла закрепиться, то в чем ее преимущества для выживания людей?

У Холдейна возникла идея на этот счет, и в 1948 году он представил ее общественности. По его мнению, все дело было в малярии. В последние тысячелетия она сильно распространилась в регионе Средиземного моря, унося тысячи жизней, и перед эволюцией встала насущная задача по выработке стратегии, позволяющей избежать если уж не самой болезни, то, по крайней мере, ее самых тяжелых последствий. Генетическое изменение, создававшее устойчивость к малярии, давало такие преимущества, которые перевешивали все побочные эффекты. Именно в этом, по предположению Холдейна, заключалось значение талассемии: болезнь изменяла красные кровяные тельца, то есть как раз те клетки, в которых размножались возбудители малярии. Если талассемия позволяет уберечься от малярии, то становится понятным, почему эта мутация получила такое распространение, несмотря на все негативные эффекты.

Спустя несколько лет выяснилось, что Холдейн прав. То, что на первый взгляд представлялось непростительной ошибкой в генетическом материале, на самом деле оказалось преимуществом (хотя и купленным дорогой ценой). Сегодня малярия истреблена во многих местах распространения, а там, где это пока не сделано, применяются профилактические меры. Кроме того, ее научились лечить. Теперь недостатки, возникшие вследствие мутации гемоглобина, уже перевешивают былые преимущества, и можно ожидать, что в будущем эта генетическая ошибка станет встречаться реже или вообще исчезнет.

Таким образом, ошибки и возможные мутации, вносимые в наследственный материал, играют большую роль в выживании вида. Но при этом очень важно соблюдать баланс. Если ошибок возникает слишком много, то погибает большое количество особей, а если слишком мало, то популяция недостаточно быстро приспосабливается к условиям окружающей среды.

Благодаря своим работам, посвященным эволюции и другим темам, Холдейн быстро приобрел международную известность. В то время он был одним из немногих ученых, умеющих доходчиво доносить до общественности научные истины в своих докладах, статьях и книгах. Холдейн был яркой фигурой и не стеснялся время от времени наступать кому-нибудь на мозоли. При этом неизбежно возникали скандалы, и он стал персонажем нескольких из них. В 1924 году Холдейн влюбился в молодую замужнюю журналистку Шарлотту Берге. Они хотели пожениться, но для этого ей сначала нужно было развестись, что в то время было не так просто. В конце концов пара наняла частного детектива, который зафиксировал факт, что они вместе провели ночь в отеле. План сработал, и развод состоялся, но последовавший скандал в прессе едва не стоил Холдейну места в Кембридже. Его поведение сочли аморальным. В конце концов Джон и Шарлотта поженились и прожили вместе 20 лет. В 1945 году они расстались, после чего Холдейн в том же году женился на Хелен Спервей, которая писала под его руководством научную работу и была на 25 лет моложе его. Во время Суэцкого кризиса Холдейн вместе с Хелен уехал в Индию, так как не мог больше переносить английских порядков и называл Великобританию «преступной страной». Там он продолжил свои исследования и больше никогда не возвращался на родину.

Мутации, двигающие эволюцию вперед, очень важны для выживания, но несут с собой риски. В связи с этим возникает вопрос: какое количество мутаций следует считать «правильным»? Ответ во многом зависит от того, с каким видом живых организмов мы имеем дело. Если для вида характерен большой геном, а количество особей невелико, то ему (виду) приходится прилагать большие усилия, направленные на сохранение генома. Каждая особь при этом будет на счету. Поэтому клетки человека работают намного точнее, чем бактерии, которых насчитывается так много, что потеря миллионов или даже миллиардов пройдет незамеченной. Это делает бактерии намного более гибкими в генетическом плане. Но частоту мутаций определяют не только особенности организма, но и окружающая среда.

Если живой организм очень хорошо адаптирован к окружающей среде, то шанс на то, что случайное изменение приведет к дальнейшему улучшению, слишком мал. Поэтому для него важнее избегать ошибок и производить как можно больше потомства с неизменными свойствами. Если же организм не слишком хорошо справляется с вызовами окружающей среды, то для него приобретает важность повышенная частота мутаций, поскольку в результате изменений возрастает шанс на выигрыш.

И действительно, мы наблюдаем, что микроорганизмы, которые живут в условиях, далеких от оптимальных, целенаправленно активизируют «аварийные» программы, повышающие частоту мутаций и ускоряющие таким образом адаптацию к окружающей среде.

Сложные организмы приспосабливаются к среде труднее, чем бактерии. Тем не менее многие животные, например лебеди, в случае осложнения условий пытаются повысить вариативность своих генов. Правда, это делается не за счет галопирующей частоты мутаций, а происходит более романтично – путем выбора партнера. Если жизненные условия оптимальны, то лебедь останавливает свой выбор на партнерше, которая максимально похожа на него и, возможно, даже приходится ему какой-то дальней родней. Такая особь, вероятнее всего, обладает схожим набором генов. Разумеется, это не единственный критерий для выбора партнера, но он тоже присутствует. Если же дела идут не слишком хорошо и птицы находятся в стрессовом состоянии, то они тяготеют к партнерам, которые сильно отличаются от них самих и, по всей вероятности, обладают другими генами, которые могут оказаться полезными для потомства.

Дж. Б. С. Холдейн был знаменит еще и тем, что любил проводить эксперименты на самом себе и добровольных помощниках. Все это было небезопасно, но у него всегда было оправдание: «Трудно узнать, как чувствует себя подопытный кролик. На самом деле подавляющее большинство кроликов вовсе не горят желанием сотрудничать с учеными».

Работая вместе с отцом над конструкцией противогаза в годы Первой мировой войны, он надышался ядовитым газом. Во время научной лекции Холдейн продемонстрировал слушателям слезоточивый газ на основе кайенского перца, в результате чего пришлось эвакуировать всю публику из аудитории. Он проводил эксперименты в барокамере, следствием чего стали не только судороги, но и разорванные барабанные перепонки у большинства участников. Комментарий Холдейна по этому поводу был сух: «Барабанные перепонки обычно зарастают. Если же останется небольшое отверстие, то человек, конечно, будет немного хуже слышать, но зато у него появится возможность выпускать табачный дым из ушей, что создает определенные социальные преимущества».

А как у людей? По всей видимости, примерно также. Это очень элегантно продемонстрировало одно исследование, проведенное в 2010 году в Германии. Пятидесяти мужчинам предъявили фотографии обнаженных женщин и исследовали возникшие у них реакции. Чтобы избежать ложных предположений, сразу скажем, что измерялись непроизвольные подергивания мышц, управляющих движениями глаз. При позитивной реакции на увиденное они проявляются сильнее, а при негативной – слабее. Некоторые фотографии были подвергнуты предварительной обработке, и черты лица женщин изменили таким образом, чтобы они стали похожими на испытуемых (то есть подсознательно воспринимались ими как генетически близкие). Анализ полученных данных показал, что измененные фотографии воспринимались как более привлекательные, чем реальные. Если же на испытуемых в ходе эксперимента оказывалось стрессовое воздействие (они должны были рассматривать фотографии, засунув руку в холодную воду), то эффект был противоположным и они более положительно воспринимали женщин, далеких в генетическом плане. Таким образом, люди далеко не избавлены от контроля со стороны своих генов, как принято считать.

Как мы видим, ошибок в жизни и в генах избежать невозможно, и, когда они происходят, поводов для радости не так уж много, но если повезет, то из них можно извлечь уроки, которые помогают развиваться. Как говорит тетя Хедвиг, «допустить ошибку может каждый… Главное – то, как ты к ней относишься!»

Глава 4

Три жизни ♥♥♥

Что может получиться, когда чудаковатый биолог десять лет работает над темой, которая никому не интересна? Он открывает новую область жизни (по крайней мере, иногда).

На часах 16:27. Я уже битых полчаса смотрю в окно на улицу. Как и договаривались, ровно в 16:00 («Только без опозданий, пожалуйста!») я был в кафе, чтобы забрать тетю Хедвиг после похода за покупками. И каждый раз она с точностью швейцарских часов заставляет себя ждать. Но чего не сделаешь ради семьи! А ведь она на самом деле мне вовсе не тетя. Я прихожусь ей кем-то вроде внучатого племянника. Настроение у меня уже готово упасть ниже плинтуса, но тут перед моим носом появляется дымящаяся чашка.

– Ваш горячий шоколад, – произносит официант заученным тоном и тут же исчезает.

Ну, все же лучше, чем ничего.

Как только я подношу чашку к губам, в конце улицы появляется тетя Хедвиг. В руке у нее маленький пакетик из кондитерского магазина. И это все? Ради этого пакетика мне пришлось тащиться сюда, потому что ей, видите ли, нельзя носить тяжести? Она не торопясь движется в сторону кафе и вдруг останавливается: с ней заговорил какой-то панк, сидящий на подстилке прямо на тротуаре. У его ног расположилась помесь таксы бог знает с кем. Я делаю глоток и с интересом наблюдаю. Бродяга, очевидно, выпрашивает один евро, а собака пытается вынюхать, что у Хедвиг в пакете. Тетя смотрит таксе прямо в глаза, и та садится на подстилку. Хедвиг чешет ее за ухом. Потом тетя начинает что-то втолковывать панку. Я смотрю на часы и засекаю время. Могу поспорить, что этот тип продержится максимум пять минут… Он встает уже через две минуты. В течение еще одной минуты он с виноватым видом кивает своим синим ирокезом, как будто его поймали на краже яблок, а потом окончательно сдается. Так я и знал. Он сворачивает подстилку, аккуратно цепляет поводок к ошейнику у ставит начатую бутылку пива рядом с мусорным баком и покорно тащится за тетей Хедвиг в сторону кафе, неся в руках ее пакет. У дверей все трое останавливаются. Хедвиг пристально смотрит ему в глаза и что-то говорит. Он выглядит как робкий школьнику каким, скорее всего, никогда в жизни не был. Тетя треплет его по щеке так, что у панка начинают звенеть все кольца., вставленные в нос. Потом она забирает у него пакет и входит в кафе.

Увидев меня, Хедвиг усаживается напротив.

– А, вот ты где!

– Кто это? – спрашиваю я, указывая на панка, удаляющегося решительным шагом.

У него такой вид, будто он прямо сейчас решил устроиться в банк учеником кассира.

– Это Штруббель, твой троюродный брат.

– Что?

– Да, и его пес Вальдемар. Пришлось немного прочистить парню мозги. Нельзя же так, в конце концов.

Пока я пытаюсь реконструировать генеалогическое древо, чтобы понять, с какой стороны мы со Штруббелем родственники, тетя заказывает маленькую чашку кофе с молоком.

Я сдаюсь:

– А откуда ты его знаешь?

– Ой, да я его до этого и не знала вовсе, но недавно познакомилась с его бабушкой Вальбургой на похоронах Франца Ширенкоппа.

– А это еще кто такой?

Официант приносит кофе.

– Его я тоже не знала. Но меня пригласили на поминки.

Ну, ты знаешь, в то кафе возле кладбища, где готовят замечательные медовые пирожные.

Хедвиг с мечтательным видом помешивает кофе ложечкой.

– Минуточку! Значит, ты заявилась на поминки только ради медового пирожного, хотя не состоишь ни в каком родстве с этим Францем Ширенкоппом?

– Ерунда! Разумеется, мы родня. Все состоят друг с другом в каком-нибудь родстве. Просто я в то время еще не знала, по какой линии. Но мы с Вальбургой это выяснили. Правда, пришлось допустить наличие пары внебрачных связей, но свободная любовь существовала и до шестьдесят восьмого года…

Я в недоумении смотрю на тетю, а она допивает кофе, улыбается и говорит:

– Ну, пошли.

Неся пакетик с дезодорантом к машине, я все пытаюсь понять, в какой степени родства мы состоим с Хедвиг. Она всегда присутствовала на всех семейных торжествах и сидела, как правило, поближе к сладостям.

Бывают моменты в жизни, когда не дает покоя вопрос: «А действительно ли этот человек мне родственник? Может ли такое быть? Или это розыгрыш и где-то стоит скрытая камера?» Иногда это самое разумное объяснение.

Но если степень родства с тетушкой можно проследить по старым пожелтевшим документам, то с более дальними родственниками дело обстоит сложнее. Кто на генеалогическом древе сидит ближе ко мне: горилла, с наслаждением поедающая бананы прямо в кожуре, или орангутан, висящий на одной руке, а другой ковыряющий в носу? А какое место занимает чепрачный тапир по отношению к голому землекопу? Ученые долгое время пытались ответить на эти вопросы, основываясь главным образом на внешнем сходстве. Так, например, они судили о родстве по числу зубов. Но тут можно впасть в заблуждение. Вы можете прочесть на упаковке: «Только 52 зубчика являются защитой от подделки»[2]. Но, сунув туда руку в надежде выудить вкусное сливочное печенье, вы можете нарваться на злобного сумчатого муравьеда с его 52 зубами, которыми он вцепится в ваш палец. В этом нет ничего хорошего.

Но нашелся человек, который счел подобное положение дел совершенно неприемлемым. Это был Карл Вёзе. Вы можете представить его себе расхаживающим по университетскому городку в Иллинойсе во фланелевой рубашке в черно-красную клетку (мы уже встречались с ним раньше, так как он был одним из соавторов гипотезы мира РНК). В 1960-е годы он получил должность профессора Иллинойсского университета и собственную лабораторию в придачу. Но его больше интересовали родственные связи не с кусачими сумчатыми млекопитающими, а то, в каком родстве между собой (и с нами) состоят бактерии. Клетки нашего тела, как и клетки животных, растений и даже дрожжевых грибков, относятся к эукариотам (от греч. ей – хороший, настоящий и karyon – ядро). Они относительно велики, имеют сложную внутреннюю структуру и обладают ядром. Бактерии по сравнению с ними значительно меньше и имеют более простое строение. Их наследственный материал разбросан без должной упаковки по всей клетке, потому что у них нет ядра. Поэтому их относят к прокариотам (от греч. pro – до и karyon – ядро).

Большинство ученых в то время не задумывались о родстве между бактериями, так как поиски чего-то осмысленного в данном контексте представлялись совершенно безнадежным делом. Ведь внешние признаки, по которым подразделялись бактерии, давали для этого мало оснований. Бактерии могли быть круглыми, продолговатыми или спиралевидными. При некоторой доле везения мы могли получить кое-какие данные об их образе жизни, и на этом наука заканчивалась. Но Вёзе этим не удовлетворился. Ему хотелось создать систему.

Итак, он уселся в своем кабинете, положил ноги в потрепанных туфлях на стол и задумался. Проблема была в том, что все биологи, занимавшиеся вопросами эволюции, интересовались главным образом животными и растениями, но отнюдь не теми, которых можно было рассмотреть только под микроскопом. А микробиологам, которые занимались микроорганизмами, вопросы эволюции были неинтересны, поскольку отслеживать эволюцию микробов – настоящий кошмар, состоящий из предположений и теорий, которые очень редко согласуются между собой. Поэтому очень многие ученые придерживались мнения, что можно прекрасно прожить и без генеалогического древа бактерий. Однако Вёзе был убежден, что для подлинного понимания мира микробов необходимо знать историю их развития. А для этого надо было найти следы эволюции там, где она происходит, то есть в генах.

И Вёзе решил создать в одиночку генеалогическое древо бактерий. Задача представляется монументальной, но как ее решить? Давайте проведем небольшой мысленный эксперимент.

Для этого нам понадобятся свисток, секундомер, бабушкин рецепт ванильного кекса, пачка клейких листочков для записей и 20 автобусов с туристами, не слишком хорошо владеющими немецким языком, каждому из которых выдается шариковая авторучка.

Попросим участников выйти из автобусов и построиться в виде правильного треугольника. Прямо перед вами стоит первый турист. Сзади становятся еще двое, а за каждым из них – еще по двое, то есть уже четверо, и так далее. Когда все построятся, достаньте бабушкин рецепт и дайте первому туристу, который должен дословно переписать его на свой листок и приклеить себе на лоб. Два туриста из второго ряда тоже переписывают рецепт, но уже не с оригинала, а со лба первого. Через две минуты вы свистите снова, давая старт следующему кругу. Через 22 минуты очередь доходит до последнего ряда (как видите, эксперимент требует не так уж много времени и его можно провести в обеденный перерыв). В конце вы собираете все записи по рядам вплоть до последнего, благодарите участников за помощь, возвращаетесь к себе в кабинет и начинаете в спокойной обстановке анализировать результаты.

В переписанных рецептах наверняка будет куча ошибок (но вы ведь, честно говоря, именно на это и рассчитывали).

На одних вместо «маргарин» написано «мандарин». Сравнивая листки между собой, на основании этой ошибки можно сделать вывод о том, кто у кого списывал. Ведь все рецепты со словом «мандарин» имеют одного общего «предка». Даже если у вас нет возможности пообщаться с ним лично (потому что он тем временем уже изучает особенности немецкой истории и культуры в какой-нибудь пивной), вы можете уверенно сказать, что он здесь был. Если мы далее подробно рассмотрим все рецепты со словом «мандарин», то можем обнаружить, что в некоторых из них слово «кефгер» заменено на «зефир». Значит, один из потомков «мандарина» допустил новый огрех и также передал его по наследству. Так продолжается до тех пор, пока мы на основании всех допущенных ошибок не вычислим полное генеалогическое древо участников эксперимента и не поймем, кто, что, где, когда, у кого и как списывал с ошибками.

Именно это и собирался делать Карл Вёзе – только без туристов и клейких листочков. Чтобы заглянуть в прошлое, ему нужен был только фрагмент генетической информации (рецепт ванильного кекса), который можно встретить в любом живом существе и который с очень большим трудом изменяется при копировании. Как найти такую информацию? Это было совсем не просто, поскольку в то время биологи еще только расшифровывали генетический код. Наши знания о генах и их последовательности были весьма ограниченными.

Но не только эволюция может похвастать своим прошлым. Сам Карл Вёзе на протяжении многих лет до этого занимался рибосомами – теми самыми «машинами», которые изготавливают в клетках новые белки. Эти «машины» состоят из белков и фрагментов РНК – рРНК, которые необходимы для правильного функционирования рибосом. Они требуются всем живым существам на планете. А поскольку рРНК так универсальны и важны для выживания, Вёзе был уверен, что они не подвержены быстрым случайным мутациям. Это, разумеется, не значит, что с ними ничего не может случиться. Просто очень мала вероятность того, что произойдут настолько полезные (или даже нейтральные) изменения, которые смогут сохраниться для передачи по наследству. Это то же самое, что угадать шесть цифр в «Спортлото». Шанс составляет примерно 1 к 15 миллионам. Главный выигрыш с ходу крайне маловероятен, но если играть несколько миллионов лет подряд, то время от времени вы будете возвращаться из банка с полной тачкой денег. Именно так Вёзе представлял себе ситуацию с рРНК: она должна меняться постоянно, но очень медленно, что даст возможность заглянуть далеко в прошлое.

Итак, план был ясен: расшифровать рРНК как можно у большего количества живых организмов, сравнить последовательности оснований и, исходя из выявленных ошибок, вычислить, кто от кого происходит.

Можно ли предположить, что Вёзе глубоко вздохнул, приняв это решение? Скорее всего, да, потому что ему предстояла не просто крайне сложная, но и чертовски нудная работа. И не было никого, кто владел бы соответствующими методами осуществления такого гигантского проекта. Вёзе мог надеяться только на себя.

Он отправился к себе в лабораторию, поставил пластинку с джазовой записью и с головой ушел в работу. Прежде чем Вёзе расшифровал первую последовательность, прошел год. Для него это был огромный шаг, а человечество лишь едва заметно пожало плечами. Вряд ли хоть кто-то в мире интересовался тем, что он делает. Ни коллеги, ни руководство университета не могли понять, что заставляет Вёзе посвящать все свое время этому абсурдному проекту. От него трудно было ожидать сенсаций, не говоря уже о практической пользе. Но Вёзе не сдавался.

Вскоре в лаборатории штабелями стояли коробки с рентгеновскими снимками. В них были результаты анализов – россыпь черных точек, разобраться в которых не мог никто, кроме него. Для Вёзе они были частями головоломки, которую надо было сложить в одно целое. Он с огромным трудом одолевал одну последовательность за другой. Так проходили месяцы и годы. Через десять лет были проанализированы рРНК примерно двух десятков различных живых существ. По сравнению с огромным количеством их видов это была мелочь, не заслуживающая внимания. Тем временем Вёзе исполнилось 47 лет, а он еще не опубликовал никаких результатов, не выступил ни с одним докладом ни на совещаниях, ни на конференциях. Большинство ученых игнорировали его работу, а те, кто знал его лично, отзывались о нем как о странном чудаке и беспочвенном мечтателе.

Но в 1967 году его посетила добрая фея. Она предстала в облике коллеги Ральфа Уолфа, который работал с метаногенными бактериями в одном из кабинетов поблизости. Эти организмы во многом отличаются от своих сородичей, так как производят метан, не переносят кислород и проживают в местах, далеких от привычных туристических троп, – в очистных сооружениях городской канализации и в коровьем кишечнике. Уолф попросил изучить рРНК этих маленьких вонючек, и Вёзе согласился. Полученные результаты были уникальны. Он повторил эксперимент, но итог оказался таким же. Что бы это могло значить? И тут к нему пришло просветление. Судя по ощущениям, свет исходил не от обычной лампочки, а от прожектора на 500 ватт.

Вёзе, которому не свойственны были эмоциональные проявления, помчался к Уолфу и закричал:

– Метаногены – это не бактерии!

– Разумеется, бактерии, – невозмутимо ответил коллега.

Но Вёзе не успокаивался. Он начал объяснять Ральфу Уолфу суть своего открытия, а тот становился все бледнее.

Если вы, будучи биологом, на протяжении нескольких месяцев бредете по джунглям, зараженным малярией, и в конце концов вытаскиваете из кустов за хвост какого-нибудь неизвестного доселе науке геккона, то успех налицо. Вы можете дать этой неуклюже барахтающейся ящерице имя и приладить ее на особую ветку древа жизни где-нибудь в верхней части кроны.

Но то, что Вёзе вычитал из рентгеновских снимков, было вообще ни на что не похоже. Тут речь шла не о новой веточке, а об отдельном стволе! Начиная с этого момента у древа жизни было уже не два главных ствола, а три. Наряду с эукариотами и прокариотами Карл Вёзе открыл организмы, у которых, как и у бактерий, не было ядра, но которые в остальном имели с бактериями так же мало общего, как человек с белыми грибами.

Вёзе и коллеги назвали представителей третьего ствола архебактериями, или археями (что чаще употребляется в наши дни). Результаты были опубликованы в одном из научных журналов. Одновременно была созвана пресс-конференция, а статья об открытии появилась на первой полосе New York Times! Научное сообщество не проявило по этому поводу никакого восторга. На их взгляд, это попахивало авантюризмом. Ведь теория была представлена общественности еще до того, как эксперты получили возможность с ней ознакомиться. Те же, кто сумел это сделать, заметили, что работа основывается на методах, о которых мало кто слышал, не говоря уже о том, чтобы ими владеть. Таким образом, перепроверить данные было невозможно. Вполне вероятно, что Вёзе все это выдумал. Приговор научного мира был суров: не принимать Вёзе и Уолфа всерьез. Ральфу Уолфу даже позвонил американский микробиолог Сальвадор Лурия, только что получивший Нобелевскую премию: «Ральф, ты губишь свою карьеру! Тебе необходимо дистанцироваться от всего этого безобразия». Уолф потел, но не сдавался.

Слухи и брожения продолжались, но никто не смог хоть как-то опровергнуть наблюдения Вёзе и Уолфа. Вёзе был убежден в своей правоте. Он снова на несколько лет заперся в своей лаборатории и продолжил работу. Поскольку критика не утихала, для подтверждения своей теории Вёзе решил обнаружить среди поступающих проб других представителей класса архей. И они нашлись.

Решающим событием для признания открытия Вёзе стала экспедиция батискафа «Алвин». В 1982 году этот глубоководный аппарат совершил длительное погружение во тьму Тихого океана на глубину 2600 метров с целью изучения высокой «трубы», из которой постоянно била струя минерализованной горячей воды из земных недр («белый курильщик»). Находившиеся на борту ученые взяли пробы и доставили их на сушу. Ральф Уолф обнаружил в них археи, способные жить в кошмарных условиях – при температуре 90 °C. По сравнению с этим жизнь в кишках у коровы была куда комфортнее. Когда спустя десять лет наследственный материал найденных организмов подвергли тщательному изучению, выяснилось, что половина их генов не была известна ранее. Это стало доказательством того, что археи представляют собой нечто действительно отличное от бактерий и эукариотов. Критики Вёзе вынуждены были утихнуть. Но окончательного признания со стороны уязвленных собирателей гекконов пришлось ждать еще добрый десяток лет. Сегодня определение родства для всех видов организмов по наследственному материалу в рРНК стало уже привычной практикой, а на древе жизни за это время появилось несколько новых сучьев и веток.

Но что же особенного в археях, кроме способности заставлять коров испускать газы? Почему их открытие стало таким событием? Дело в том, что они представляют собой нечто совершенно чужеродное и у многих из них есть необычные гены, позволяющие выживать в местах, казалось бы, абсолютно непригодных для жизни: в морских глубинах, соляных озерах, антарктических льдах и на глубине сотни метров под поверхностью земли.

Особый интерес среди архей представляют микроорганизмы, вырабатывающие метан. Некоторые из них способны выжить в практически кипящей воде. Для питания им нужны только водород, СО_2 и некоторые соли. Правда, для этих аскетов осталось не так уж много мест обитания. Обычно их находят вблизи гидротермальных источников в морских глубинах. Однако раньше, когда молодая Земля была еще вулканически активна, подходящих для них мест было значительно больше. Вероятно, в ту эпоху наша планета была ядовитым адом, в котором археи чувствовали себя словно в раю. Именно поэтому мы предполагаем, что они являются реликтом давно прошедших дней и относятся к самым архаичным живым организмам. Этим и объясняется название, которое дал им Карл Вёзе.

Обычно археи водятся там, где царят экстремальные условия для жизни. Многие из них относятся к категории так называемых экстремофилов – «любителей острых ощущений». Но встречаются они и в более прозаических местах, которые находятся к нам значительно ближе, чем можно себе представить. В 2011 году американцы провели эксперимент под названием «Исследование биологического разнообразия микрофлоры пупка». Всем желающим предлагалось с помощью ватной палочки взять пробу микрофлоры из своего пупка и сдать на исследование в лабораторию. Проект оказался чрезвычайно успешным. Ученых буквально завалили образцами. В результате удалось составить довольно полную картину микроорганизмов, населяющих наш пупок. Наряду с различными бактериями там удалось обнаружить и несколько архей. Правда, и здесь они продемонстрировали свою приверженность экстремальным условиям жизни, потому что значительная их часть была обнаружена в пробах одного участника, который, по его собственному признанию, «несколько лет не мылся и не принимал душ». По крайней мере, этот пупок можно считать экстремальным местом обитания.

Образ жизни архей, которые довольствуются очень малым для выживания в условиях, ранее считавшихся вообще непригодными для существования, поставил перед учеными очередной вопрос: а нет ли в Солнечной системе мест, где эти стойкие создания тоже могли бы жить? А может быть, похожие организмы могли появиться там сами по себе? Разумеется, никто этого не знает точно, но в Солнечной системе найдется пара уголков, в которых такое развитие событий можно представить себе хотя бы теоретически. Фаворитами этого списка являются Марс и Европа – спутник Юпитера.

На ранних фазах развития на Марсе, видимо, было достаточное количество воды в жидкой форме, а его атмосфера была более плотной и теплой. Если там возникла жизнь, схожая с археями, то она могла «уйти в подполье», когда на поверхности стало совсем неуютно. В конце концов, на Земле тоже можно встретить архей глубоко под поверхностью.

Спутник Юпитера, Европа, в этом плане еще более интересен. Он покрыт толстой коркой льда, под которой предполагают наличие океана соленой воды глубиной до 100 км. Кроме того, считается, что на дне этого океана может наблюдаться вулканическая активность. Под толстым ледяным панцирем Европы могут находиться горячие источники, вполне пригодные для жизни организмов типа архей. Когда-нибудь мы узнаем, так ли это на самом деле, а пока нам остается довольствоваться тремя типами жизни, существующими на Земле. Здесь у нас тоже есть огромный простор для открытий…

Глава 5

Все кувырком

Рассказ о «Звездных войнах», об идее, которая губит ученых одного за другим, и о странствующих диких генах.

«Дигга, ты точно не хочешь поехать с нами?» Трое парней X–L прощаются с четвертым. Ритуал прощания состоит из объятий и сложных действий, напоминающих рукопожатия. Создается впечатление, что они больше никогда не увидят друг друга. Очень трогательная сцена. Но я сдерживаю свои сентиментальные чувства, потому что она происходит прямо в открытой двери автобуса, через которую нам надо выходить. «Нет, ребята, извините. Сегодня я обещал родителям и все такое…»

Все это время тетя Хедвиг колотит меня ручкой зонтика по спине: «Да выходи ты уже. Нам же надо успеть на книжную выставку». Мы решили совершить семейную вылазку во Франкфурт. Я делаю попытку протиснуться сквозь пробку в дверях, образованную подростками, но тут сцена прощания внезапно заканчивается.

В следующую секунду моя жена выпрыгивает наружу, уворачиваясь от закрывающейся двери автобуса. Вышедший перед нами парень направляется в сторону станции метро, натянув на голову капюшон. Через каждые несколько шагов он поворачивается, чтобы помахать рукой друзьям, оставшимся в автобусе. Когда они скрываются за поворотом, он вдруг останавливается и поворачивает в сторону книжной выставки. В длинной очереди в кассу парень оказывается перед нами. В штанах, свисающих между коленями почти до земли, он не слишком похож на классического посетителя книжной выставки. К такому же выводу приходит и кассир:

– Слушай, ты не туда попал. Здесь выставлены только книги! Ярмарка компьютерных игр закончилась еще на прошлой неделе. Следующий, пожалуйста.

Парень в капюшоне пытается протестовать, но кассир игнорирует его и оборачивается ко мне с искусственной улыб' кой. В тот же момент мне в спину опять впивается ручка от зонтика и к окошку протискивается тетя Хедвиг:

– В чем дело? Почему так медленно?

Кассир тяжело вздыхает, закатывает глаза и говорит нарочито громко и отчетливо:

– Выставка домашней утвари для пенсионеров находится этажом выше. Вы можете воспользоваться лифтом в конце холла.

Хедвиг смотрит на него с мрачным видом. Ее губы сжимаются до толщины лезвия ножа. Затем она достает из сумочки книжку. Это детективный роман моего любимого автора, который куда-то пропал как раз тогда, когда я дочитал до развязки. Хедвиг изображает очаровательную улыбку и обращается к подростку:

– Господи, да это же вы? А я вас и не узнала! Не будете ли вы так любезны подписать мне книгу?

Парень озадаченно смотрит на нее. Хедвиг изо всех сил подмигивает ему. Тогда он берет черный фломастер и что-то черкает на первой странице. Хедвиг прижимает книгу к груди и внимательно смотрит на кассира:

– Вы что, не узнаете, кто перед вами?

– А разве должен?

– Вам ничего не говорят такие названия книг, как «Тупой привратник», «Привычное невежество» и «Пустозвон»? В какой дыре вы провели последние десять лет?

– Да нет… Конечно же… Но неужели их написал этот шкет?

– Тсс! – Хедвиг наклоняется к нему с заговорщическим видом. – Считайте, что я вам ничего не говорила. Ведь если его сейчас узнают, вы представляете, какой хаос начнется?

Кассир озабоченно оглядывает переполненное фойе.

– Но ведь ему не больше пятнадцати.

Парень выпрямляется и выпячивает грудь.

Хедвиг шепчет:

– Я же говорю: это маскировка. Он, наверное, ищет материал для следующей книги…

Подросток достает из кармана блокнот, что-то записывает и захлопывает его.

– Забавно, – говорит он и продолжает, обращаясь к кассиру и указывая взглядом на Хедвиг:

– А вы не задавали себе вопрос, кто эта элегантная дама с такими глубокими познаниями в литературе?

Кассир нервно поправляет галстук и смотрит на Хедвиг.

– Что, не узнали? – не отстает от него парень.

– Литературный критик? – нервно бормочет кассир.

– Просто критик? Да вы что? Она на книгах собаку съела, когда и вы, и я еще в пеленках лежали! Это львица литературы, тигрица художественных текстов. Это…

– Вомбат слова, – услужливо подсказываю я, усиленно кивая головой.

Все трое укоризненно смотрят на меня, а потом отворачиваются, не говоря ни слова.

– Мне не хотелось бы создавать ажиотаж, – бормочет Хедвиг себе под нос.

– Я понимаю, – говорит кассир. – Значит, один билет для школьника и один для пенсионера? И по ВИП-пакету для каждого от администрации выставки!

Он подмигивает и делает приглашающий жест в сторону входа.

Покупая для всего остального семейства билеты за полную цену, я краем глаза вижу, как Хедвиг с подростком жмут друг другу руки. Оказывается, тетушка может быть командным игроком. Кто бы мог подумать?

Почти все в этой жизни имеет свою цену: билеты на выставку, на автобус и штаны, мотня которых свисает до колена. Но представьте себе, что у какого-то фокусника в варьете Лас-Вегаса вдруг случился особо удачный день и в результате его манипуляций исчезает не только пятидолларовая купюра зрителя, но и все деньги вообще: все банкноты, монеты, виртуальные суммы на банковском сервере Каймановых островов… Абсолютно все. До того как разразится всеобщий хаос, останется меньше трех секунд.

То же самое можно сказать и о наших клетках. В них все имеет свою цену: рост, движение и жизнь в целом. Все оплачивается энергией, которую мы добываем из продуктов питания, главным образом из углеводов, жиров и белков, представляющих собой ресурсы, дающие нам жизненную силу. Но их нельзя непосредственно использовать для большинства видов активности в наших клетках. После усвоения эти вещества необходимо конвертировать в «единую энергетическую валюту», которую используют самые различные белки в составе клеток. Разрешите представить, это АТФ – аденозин-трифосфат.

Молекулы АТФ выполняют сразу две функции: выступают в роли носителей энергии и служат строительным материалом для основания А в составе РНК. Кстати, эта двойственность функций является еще одним подтверждением правильности гипотезы мира РНК.

Многие протеины используют в своей работе энергию, кроющуюся в АТФ. Эта молекула представляет собой что-то вроде батарейки в карманном фонарике, компьютерной мыши и пульте дистанционного управления. Правда, вся запасенная в АТФ энергия высвобождается одним импульсом при химическом преобразовании этой молекулы в АДФ (аденозиндифосфат), АМФ (аденозинмонофосфат) или другие фосфаты. Поэтому после каждого действия белки должны заменять пустые батарейки на заряженные. Если вы представите себя в виде белка, который вечером, отдыхая на диване, решил полистать телевизионные каналы, вам придется держать под рукой целую коробку батареек. Клетки потребляют очень много АТФ. По некоторым оценкам, в день расходуется количество АТФ, равное весу человека. На первый взгляд это утверждение ошибочно. Как такое вообще может быть?

Все дело в том, что израсходованный АТФ непрерывно восстанавливается. Каждая отдельная молекула «заряжается» в течение дня около тысячи раз! В противном случае мы погибли бы в течение нескольких секунд, словно от цианистого калия.

Но кто заряжает батарейки? Основную ответственность за это несут особые структуры клеток, в которых молекулы пищи под воздействием кислорода превращаются в конечном итоге в воду и углекислый газ. То же самое происходило бы, если бы мы сжигали их в печи. Ученые изучают эти структуры уже более ста лет. Тем же самым будем заниматься и мы до конца главы. Речь идет о клеточных «электростанциях» – митохондриях.

Митохондрии представляют собой небольшие и обычно продолговатые образования, которые встречаются во всех клетках эукариотов. В зависимости от вида клетки и организма их может насчитываться от одной до нескольких тысяч штук в клетке. По размерам и форме они напоминают бактерии. Впервые их описал в 1890 году анатом Рихард Альтман из Лейпцига. Он высказал предположение, что митохондрии должны каким-то образом участвовать в снабжении клеток энергией. Это предположение с годами находило все больше подтверждений, но долгое время оставалось загадкой, причем такой, за разгадку которой светила Нобелевская премия. Большинство ученых исходили из того, что существуют энзимы, участвующие в разложении молекул пищи и непосредственно производящие АТФ. Между ними разгорелась беспрецедентная гонка за обнаружение этих энзимов и объяснение способа их действия. Но нашелся человек, у которого на этот счет была другая идея. Британский химик Питер Митчелл посмотрел на своих коллег, соперничающих друг с другом, наморщил лоб и повернул совершенно в ином направлении.

Научная карьера Митчелла началась не слишком удачно. На вступительных экзаменах в Кембриджский университет он получил такие ужасные оценки, что за Питера вынужден был замолвить словечко бывший директор его школы. В противном случае его просто не приняли бы. Митчелл был нелюдимым человеком и в свободное время обычно совершал долгие прогулки, музицировал и философствовал. Близких друзей у него почти не было. Первый выпускной экзамен он сдал с горем пополам, второй немного лучше. Он начинал множество проектов, но лишь немногие были доведены до конца, да и то только благодаря его ассистентке Дженнифер Мойл. Первая докторская диссертация Митчелла была забракована, и ему понадобилось три года, чтобы написать новую. В 1951 году он наконец получил ученую степень, а спустя несколько лет переехал вместе с Дженнифер Мойл в Эдинбургский университет и занялся проблемой АТФ. Этой теме он остался верен до самого конца.

Митчелл придерживался мнения, что энергия, получаемая из продуктов питания, может использоваться для того, чтобы переносить заряженные частицы (в данном случае положительно заряженные протоны) с одной стороны мембраны митохондрии на другую. В ходе данного процесса нарушается баланс массы и электрических потенциалов, который стремится к восстановлению. Именно это явление клетка использует для получения энергии (то есть зарядки аккумуляторов АТФ). Данную концепцию Митчелл назвал хемиосмотической гипотезой.

Когда он в 1960 году представил свою идею на научном конгрессе, это стало настоящим событием, поскольку в то время разделение заряженных частиц на биологической мембране считалось абсолютно невозможным, а тут вдруг явился какой-то тип, который пытается доказывать обратное. Реакция была примерно такой же, как если бы он заявил, что ему удалось распилить магнит пополам и засунуть положительный полюс в один карман, а отрицательный – в другой. Сэр

Ханс Кребс, один из самых выдающихся ученых, занимавшихся в то время клеточным обменом веществ, назвал идею Митчелла возвратом к древним представлениям о «жизненной силе». Он вообще считал, что для начала Митчелл должен как-то разумно обосновать свои дикие утверждения. И это было совершенно верно, поскольку Митчелл считал доказательства скучным и бесполезным делом и не уделял им внимания: ему и так все было ясно. Короче говоря, если Митчелл хотел убедить мир в своей правоте, ему предстояло пройти тернистый путь, так как многие оппоненты не без ехидства заявляли, что перенос протонов существует только в его воображении.

Митчеллу все больше не нравилась обстановка в университете. Он говорил, что иерархическая структура противоречит его натуре. В 1963 году обострение язвы желудка заставило Митчелла полностью отойти от академической жизни. Он перебрался в живописный Корнуэлл в Южной Англии и занялся фермерством в слегка запущенном поместье Глинн-Хаус (этот сюжет наверняка вдохновил бы Розамунду Пилчер на написание очередного слезливого романа). По утрам и вечерам Митчелл собственноручно доил восемь коров, а для науки взял тайм-аут.

Но его подвергнутая осмеянию гипотеза, в которую Митчелл продолжал твердо верить, не давала ему покоя. Почувствовав себя лучше, он через год решил опять взяться за работу. Правда, Митчеллу не хотелось возвращаться в университетские жернова, и он принял решение вести дальнейшие исследования самостоятельно. С помощью Дженнифер Мойл, которая тем временем также успела защитить диссертацию, он переоборудовал свое поместье в небольшое научное заведение и назвал его Исследовательским институтом Глинн. Финансирование осуществлялось за счет собственных средств при поддержке брата. В 1965 году Митчелл и Мойл с помощью технического помощника и секретаря начали шаг за шагом подкреплять свою гипотезу. Вся работа строилась «посемейному» и совсем не напоминала университетские условия. Митчелл чувствовал себя в своей тарелке, несмотря на то что его маленький институт постоянно находился на грани разорения. Даже все свои публикации он лично печатал на собственном печатном станке. Мойл и Митчелл совместно планировали эксперименты, и, пока Мойл осуществляла их на практике, Митчелл занимался дальнейшим планированием, отшлифовывал свою теорию и общался с другими учеными. Это было оптимальное разделение труда. Поскольку в лаборатории от Митчелла было мало толку, он единолично выступал в роли департамента по связям с общественностью. По этому поводу он говорил: «Наука – это не гольф, в который можно играть в одиночку, а, скорее, теннис. Вы посылаете мяч на половину противника и ждете ответных действий». Митчелл регулярно приглашал к себе исследователей, в том числе и тех, кто резче всех критиковал его, чтобы совместно поработать с ними пару дней, кое-что почерпнуть от них и, естественно, попытаться убедить их в своих идеях.

Постепенно ученые начали всерьез воспринимать хемиосмотическую гипотезу и занялись ее изучением. Шаг за шагом к ним приходило понимание того, что в идее Митчелла что-то есть. В митохондриях в процессе разложения молекул питательных веществ действительно происходила накачка протонов в пространство между мембранами, в ходе которой, как и предполагал Митчелл, возникал дисбаланс. Все это напоминало гидроэлектростанцию: из расположенного выше водохранилища вода стекает вниз по узкой трубе и приводит в движение турбину, вырабатывающую электроэнергию. Только в данном случае протоны пытаются опять проникнуть внутрь митохондрии и при этом протискиваются мимо особого белка в составе мембраны – АТФ-синтазы. Они воздействуют на часть данного фермента, которая действительно похожа на маленькую турбину, приводимую в движение потоком частиц. Вторая часть фермента использует это движение для производства АТФ. Просто удивительно, как схожие проблемы зачастую приводят к схожим решениям, даже если у них совершенно разный масштаб!

Наряду с производством АТФ наши митохондрии вырабатывают тепло. Для этого на «электростанции» устраивается «короткое замыкание», чтобы протоны устремлялись на другую сторону мембраны без выработки энергии. Производство АТФ в таких условиях становится неэффективным. Чтобы, несмотря на это, поддерживать его необходимый запас в клетке, обмен веществ резко ускоряется, что приводит к большой теплоотдаче. Доходит до того, что половина энергии, расходуемой мышечной клеткой крысы в состоянии покоя, используется для получения тепла.

Регулирование количества энергии, расходуемого на выработку тепла, осуществляется химическим путем. Это давняя мечта индустрии, производящей диетические продукты. Представьте себе таблетку, благодаря которой энергия от продуктов питания попросту выбрасывается наружу в виде тепла! Это же колоссальные доходы! И действительно, через интернет распространяются очень опасные вещества, которые запускают такой механизм. Их опасность заключается в том, что при передозировке они очень быстро приводят к смертельному росту температуры тела.

Споры по поводу хемиосмотической гипотезы внесли раскол в научное сообщество, который продолжался почти 20 лет. Кое-кто даже называл этот конфликт «хемиосмотической войной». В конце концов Митчелл смог убедить своих коллег и внес важный вклад в понимание жизни. Разумеется, это достижение было отмечено Нобелевской премией, что тоже совсем неплохо.

Спор о снабжении клеток энергией оказался не единственным, в котором были замешаны митохондрии. Была и еще одна, куда более серьезная проблема. Подобные вопросы и обсуждать-то не хочется, но приходится: почему митохондрии выглядят как бактерии?

Маленькое отступление на радость всем любителям научной фантастики: «Сила, пронизывающая все живое и наделяющая джедаев могуществом» в мире «Звездных войн», тесно связана с мидихлорианами – крошечными формами жизни, которые присутствуют внутри всех клеток. Когда Джордж Лукас в середине 1970-х годов писал сценарий к своим «Звездным войнам», то для описания этих организмов он брал за основу таинственные митохондрии. Кто бы мог подумать, что образ Дарта Бейдера возник благодаря работе биологов? Вот так наука воздействует на общество. Но это двусторонний процесс. В 2004 году был открыт новый вид бактерий, названный в честь мидихлориан – Midichloria mitochondrii. Эти бактерии, являющиеся митохондриальными паразитами, были обнаружены в митохондриях клещей.

Чем опасен такой вопрос? Тем, что он приводит к сумасшедшему предположению: а что, если митохондрии – это и впрямь бактерии? А это уже настоящая западня. Это искушение, которое нашептывает ученому: «Давай предположим, что бактерии могут быть элементарными составными частями наших клеток! Это же полностью изменит наше представление о жизни!» Сладкоголосое пение сирен погубило уже не одного ученого, потому что эта идея очень привлекательна, но труднодоказуема.

Первой жертвой стал сам открыватель митохондрий Рихард Альтман. От него не ускользнуло их сходство с бактериями, и в одной из своих статей он высказал предположение о том, что митохондрии могут быть самостоятельными организмами, обитающими в наших клетках. Но коллеги высмеяли его, осыпали критикой и издевками. Альтман ничего не смог им противопоставить, потому что в конце XIX века у него не было шансов подкрепить свою теорию экспериментами. В то время еще не было соответствующей технической аппаратуры, да и знания о процессах, происходящих в клетке, были еще недостаточными (ваш дедушка сказал бы по этому поводу: «В наше время у нас ничего не было»). Альтмана это так задело, что он с тех пор проникал в свою лабораторию только через заднюю дверь, чтобы его никто не заметил. А поскольку Альтмана никто не видел, вскоре его стали называть призраком. Спустя десять лет Альтман умер от нервной болезни.

Но идея уже была выпущена в мир и время от времени заражала кого-то из ученых. В двадцатые годы очередной жертвой стал Айвен Уоллин – профессор кафедры анатомии в медицинской школе при Колорадском университете. Уоллин был уникумом. Он ни в грош не ставил лекции и предпочитал преподавать на практике. Собрав студентов вокруг трупа, он анатомировал его и попутно изводил слушателей вопросами. Тот, кто не мог на них ответить, получал тычок локтем в ребра. Даже для тех времен такая методика была слишком уж непривычной. Если Уоллин был не на занятиях и не в лаборатории, то развлекался вместе со студентами в своем деревянном доме. В высокоградусном напитке недостатка не было, и за покером он вытягивал у них деньги…

Уоллин проводил свои исследования не в большой лаборатории, а в помещении позади аудитории, отделенном дощатой перегородкой. Именно здесь он пошел на поводу у своей идеи и попытался доказать, что митохондрии – это действительно бактерии, которые способны мирно и ко взаимной выгоде жить в симбиозе с клетками высших животных. Уоллин был в этом уверен. Но и ему пришлось столкнуться с сопротивлением. В один прекрасный день он решил, что решающее доказательство этой теории найдено: ему удалось размножить митохондрии вне клеток, подобно бактериям!

Уоллин опубликовал свое открытие, но полученный результат не заставил его противников замолчать. Напротив, критика усилилась. Оппоненты сомневались, что выращены именно митохондрии. По их мнению, это могли быть какие-то бактерии, случайно попавшие в культуру из-за отсутствия стерильности. Сегодня мы знаем, что в этом пункте критики были правы: митохондрии не способны жить вне клетки. В возрасте 40 лет Уоллин отчаялся, покончил с исследованиями и сосредоточился исключительно на обучении студентов.

Под влияние этой идеи попало еще несколько ученых. Ни одному из них работа над ней не принесла ни славы, ни успеха. Они становились объектами насмешек, а результаты их работы быстро предавались забвению. В 1966 году жертвой сладкоголосой сирены пала очередная молодая душа. Теперь это оказалась женщина – Линн Саган. Ей было 28 лет, но она уже могла похвастаться определенным опытом. В 14 лет Линн начала учебу в университете, а в 18 лет стала бакалавром. Годом позже она вышла замуж за Карла Сагана. У них было двое детей, но в 1966 году они развелись. Позднее она вновь вышла замуж и взяла фамилию, под которой известна сегодня в науке: Линн Маргулис (для простоты понимания мы так и будем называть ее впредь).

Маргулис тоже заразилась идеей, что предшественники наших клеток, которые впоследствии развились в человека, белку, шампиньон и тираннозавра, возникли вследствие того, что приняли в свой состав бактерии и научились жить с ними в симбиозе. Она изучила старые труды Уоллина и остальных ученых и добавила к их концепциям собственные наблюдения и соображения. Все это она изложила в виде гипотезы эндосимбионтов. Рукопись объемом почти 60 страниц была направлена для опубликования. Но редакция ответила отказом. При следующей попытке реакция была такой же. В какой бы журнал Линн ни отправляла свою работу, никто не хотел ее печатать. Казалось бы, ее ждет та же судьба, что и многочисленных предшественников. Но в чем нельзя было отказать Линн Маргулис, так это в упорстве.

Карл Саган был не просто бывшим мужем Линн Маргулис, но и своего рода поп-звездой в мире науки. Этот астрофизик и экзобиолог принимал активное участие во многих миссиях НАСА и давал наставления астронавтам «Аполлона» перед полетом на Луну. Кроме того, он всегда интересовался поисками внеземной жизни и являлся страстным сторонником проекта SETI, в ходе которого ведется прослушивание дальнего космоса на предмет получения инопланетных сигналов. По его предложению были составлены послания для иных форм разума, размещенные на космических зондах «Вояджер» и «Пионер». Саган не только бредил тайнами Вселенной, но и распространял эту увлеченность вокруг себя. Он написал множество книг и был ведущим популярного телевизионного цикла передач «Космос: персональное путешествие», который посмотрело более полумиллиарда человек во всем мире.

Маргулис не сдавалась, и после примерно пятнадцатой безуспешной попытки рукопись в 1967 году все-таки была опубликована. И вызвала большой интерес! Да, Маргулис даже завоевала на своем факультете приз за лучшую публикацию года, и в ее честь была организована вечеринка. Но всерьез ее не принимали еще довольно долгое время. Вскоре опять посыпались критические замечания. Несмотря на новые данные и аргументы, ей почти никто не хотел верить. Во-первых, это объяснялось тем, что аналогичные вещи безуспешно пытались доказать ее предшественники, среди которых было немало странных типов. Во-вторых, вся эта история противоречила основному принципу эволюции: выживает сильнейший. Идет кровавая война на выживание! Возникают случайные мутации, и в результате только самая сильная из них получает право на дальнейшее существование! Так было всегда. И тут вдруг приходит какая-то молодая дама и заявляет, что движущими силами жизни являются кооперация и сотрудничество. Все это как-то попахивает идеологией хиппи…

Но если Уоллин прекратил свои исследования, Альтман укрылся от мира, а Митчелл взялся доить коров, то Маргулис смело вступила в противоборство с мэтрами науки и принялась рыть землю с усердием крота, накачанного стероидами. Она писала книги и статьи, распространяла свои спорные тезисы среди широкой публики. По ее мнению, дарвиновский естественный отбор был способен уничтожать отдельные виды или в лучшем случае сохранять их, но не мог создавать новые. Это могло произойти только благодаря симбиозу – объединению различных организмов.

Убедить в этом мир было непросто, и могло даже создаться впечатление, что митохондрии всеми силами сопротивляются раскрытию их тайны. Все это напоминало американский детектив, где Маргулис выступает в роли строгого обвинителя, а митохондрии сидят на скамье подсудимых.

– Признайтесь в конце концов, что вы бактерии!

– Нет.

Коллегия присяжных из числа видных ученых скептически смотрит на эту сцену, скрестив руки на груди. Ведь митохондрии всегда готовы были помочь окружающим, приветливо здоровались со всеми. Не верится, что у них за душой какая-то темная история! Но госпожа прокурор яростно забрасывает их аргументами. Защита лениво отмахивается:

– Все это лишь косвенные улики.

Но, когда общее мнение уже склоняется на сторону митохондрий и у них на лице появляется довольная усмешка, прокурор выкладывает на стол решающее доказательство – тот самый пресловутый дымящийся кольт: в митохондриях обнаружена ДНК! У них есть собственная наследственность… Начиная с этого момента отрицать что-либо уже бесполезно (хотя теория получит всеобщее признание лишь через несколько лет): митохондрии действительно происходят от бактерий.

При более внимательном изучении наследственного материала митохондрий быстро выяснилось, что он невелик по объему. Точнее говоря, он просто крошечный. Намного меньше, чем у других бактерий. В нем не хватало множества генов, которые необходимы для жизни бактериям, обитающим в полях, лесах и лугах. Чтобы объяснить, почему митохондрии могут обходиться без этой важной информации, достаточно понять, почему студент может приходить на занятия в свеже-выглаженной рубашке и с куском пирога в портфеле, хотя даже не знает, где лежит утюг и как разбить яйцо, не поранив себя. Обо всем заботится мамочка. В случае же с митохондриями все заботы берет на себя клетка. Она снабжает их всем тем, что они не в состоянии изготовить сами. Именно поэтому митохондрии и не способны жить вне клетки.

Но куда же делись пропавшие гены?

Какая-то часть действительно просто пропала, потому что под крылом у мамочки в них не было никакой нужды. Но это далеко не все объяснение, поскольку, если внимательно посмотреть, какие гены требуются митохондриям, чтобы выполнять функцию электростанции клетки, легко прийти к выводу, что их должно быть значительно больше, чем те немногие, что остались в ее геноме.

Остальные гены вышли за пределы митохондрий и обосновались в клеточном ядре, где осуществляют «работу на дому». Белки, которые вырабатываются с их помощью, импортируются в митохондрии. Еще некоторая часть генов митохондрий также работает за их пределами, но приобрела совершенно новые функции.

В настоящее время в наших митохондриях имеется всего десяток генов, которые используются главным образом для поддержания функционирования «электростанции». Имея такой крошечный остаток, ученые попытались определить для митохондрий место на генеалогическом древе бактерий. Начало этой работе положил Карл Вёзе, поскольку среди оставшихся генов есть отвечающий за синтез рРНК, с помощью которой устанавливается родство между живыми организмами. Сегодня мы знаем, что митохондрии находятся в относительно близком родстве с риккетсиями – бактериями, ведущими паразитический образ жизни и вызывающими порой не самые приятные заболевания.

Таким образом, мы уже имеем представление о том, чем митохондрии были изначально. Но что представляли собой клетки, которые в те далекие времена впустили к себе эти бактерии, чтобы стать эукариотами? Ответить на этот вопрос труднее. Наилучшее предположение, которым мы располагаем на сегодняшний день, состоит в том, что мифическими предками эукариотов были археи, так как многие из древнейших ключевых генов клеток имеют больше сходства с генами архей, чем бактерий. В этой гипотезе есть лишь одна загвоздка: чтобы захватить бактерии и сделать их своей составной частью, археи должны были активно на них охотиться. Однако вплоть до сегодняшнего дня археи, обладающие подобными способностями, нам неизвестны, хотя, конечно, есть еще невероятное множество микроорганизмов, о существовании которых мы не знаем. Возможно, предки эукариотов живут где-то неподалеку (в организме коровы, в пупке или под вечными льдами) и как раз в данный момент поедают очередную сочную бактерию. Охоту на этих древнейших предков вполне можно сравнить с поиском сокровищ в духе Голливуда. Есть некая карта, разорванная на несколько частей. Их надо соединить вместе, чтобы отыскать пиратские сокровища. В нашем случае это значит, что мы имеем представление о том, какие гены необходимы для охоты на бактерии. Изучая археи, мы время от времени находим эти гены в разрозненном виде, и это верный признак того, что мы движемся в нужном направлении. Но до сих пор не найдено ни одной археи, которая обладала бы полным набором этих генов и действительно могла бы охотиться на бактерии.

В 2015 году ученые впервые вроде бы напали на горячий след. Это произошло в весьма отдаленном и таинственном месте, называющемся Замок Локи. Он находится в морских глубинах и представляет собой группу «черных курильщиков» – горячих подводных источников. В этой не самой пригодной для жизни обстановке были обнаружены первые признаки существования одного из видов архей, у которого, похоже, есть недостающие фрагменты карты и который может оказаться охотником на бактерии. Но этот организм, получивший название Lokiarchaeota, до сих пор не находится в руках исследователей, следовательно, мы не можем с уверенностью утверждать, что он способен поедать бактерии. Так что наш взор все еще устремлен в темную неизвестность. Но, пока вы читаете эту книгу, ученым, возможно, удалось узнать что-то новое, и во мраке уже просматриваются какие-то очертания.

Кстати, митохондрии – это не единственные бывшие бактерии, которые нашли себе приют в эукариотах. К ним можно отнести и хлоропласты. До сих пор мы о них не упоминали, но для того, чтобы представить их вам, много времени не понадобится: глядя на листья своих комнатных растений, вы видите, что они зеленые (если они другого цвета, вероятно, вы просто забыли их полить). Источником зеленого цвета служат особые органы клетки – те самые хлоропласты. Это структуры, в которых происходит фотосинтез, то есть преобразование света в энергию. Как и в случае с митохондриями, здесь создается протонный дисбаланс, запускающий процесс выработки АТФ. Сегодня мы практически уверены, что предками хлоропластов были сине-зеленые водоросли. Это те самые организмы, на которых лежит ответственность за великую кислородную катастрофу. Таким образом, в клетках растений имеется два вида бывших бактерий: митохондрии и хлоропласты. Одних хлоропластов им недостаточно. Митохондрии нужны хотя бы потому, что ночью солнце не светит, а обмен веществ, тем не менее, должен продолжаться.

Включение одних (чужеродных) организмов в другой этим не ограничивается. Ярким примером может служить морская улитка Elysia chlorotica, которая использует необычный трюк. Она поедает морские водоросли, но не полностью переваривает их, а откладывает хлоропласты в специальных клетках, где эти похищенные фабрики фотосинтеза живут еще достаточно продолжительное время. Данное явление называется клептопластией (воровством пластидов). Чтобы этот трюк сработал, хлоропластам, как и митохондриям, требуются гены, отсутствующие у них самих, но имеющиеся в клетках организма-хозяина. Как удалось установить, улитки действительно заимствуют эти гены у поедаемых водорослей и включают в свой наследственный материал. Из-за украденных хлоропластов улитки на всю жизнь приобретают зеленый цвет, что позволяет им, с одной стороны, лучше маскироваться, а с другой – получать энергию из солнечного света.

Комбинация различных организмов, дающая в итоге новый, более сложный живой организм, представляется сегодня совершенно логичной, и трудно понять, почему она вызывала такие горячие споры даже тогда, когда уже все было очевидно. Возможно, все объясняется синдромом большого человека, который заставляет становиться на сторону научных авторитетов лишь потому, что в прошлом их убеждения нередко оказывались правильными. Люди не подвергают сомнению их точку зрения и предпочитают игнорировать даже самые очевидные факты. Такого быть не должно, но ученые тоже люди. Карл Саган сформулировал правильный подход к новым идеям следующим образом: «Важен баланс между двумя, казалось бы, противоположными подходами. С одной стороны, необходима открытость по отношению к новым идеям, какими бы причудливыми и необычными они ни казались, а с другой – безоговорочная критическая проверка всех идей – как старых, так и новых. Только при использовании обоих подходов можно отличить абсолютную нелепость от глубокой истины». Но, к сожалению, как видим, не все прислушиваются к этим словам.

Кстати, и сама Линн Маргулис не избежала синдрома большого человека. Добившись успеха с теорией эндосимбионтов, она занялась поиском других тем и зашла на очень зыбкую почву. В частности, она выступила в защиту теории, что СПИД является всего лишь одной из форм сифилиса и что никакой связи между вирусом иммунодефицита человека (ВИЧ) и СПИДом нет. Маргулис даже сомневалась, что ВИЧ вообще существует. Все это трудно понять, поскольку исследования данного заболевания ведутся уже на протяжении 35 лет и ему посвящено около 300 тысяч научных публикаций. Если бы между ВИЧ и СПИДом не было ничего общего, на это уже обратили бы внимание. Отрицать роль ВИЧ как возбудителя СПИДа – это слишком смело даже для выдающегося ученого. Такие заявления опасны и могут стоить людям жизни. Поэтому они были встречены весьма критически, но Маргулис, как всегда, не обратила на это внимания.

И в науке, и в эволюции события могут развиваться непредсказуемо. Но как теперь выглядит генеалогическое древо жизни в свете заимствования организмами генов и целых бактерий? Кто мы? Развившиеся археи? Бактерии? Или то и другое сразу? Как можно что-то утверждать, если одни живые организмы постоянно обмениваются с другими разными частями своего наследственного материала? Это также сложно, как рисовать генеалогическое древо монстра Франкенштейна. Кто, собственно говоря, его ближайший родственник? Влад, от которого он унаследовал голову? Или все же Рудольф, чьими руками он чистит себе зубы? И с какой стороны приспособить Сильке, которая пожертвовала ради него своим торсом? Поневоле задумаешься.

Особенно подвержены влиянию синдрома большого человека, как ни странно, лауреаты Нобелевской премии. Говорят даже о «Нобелевской болезни». Ее жертвы весьма много численны и постоянно настаивают на своей правоте, несмотря на факты. Среди них можно назвать, например, Брайана Джозефсона (Нобелевская премия 1973 года в области физики), который отошел от классической квантовой физики и посвятил себя поиску физических основ телепатии и трансцендентальной медитации, в том числе левитации, при которой сознание человека расширяется настолько, что он получает возможность усилием мысли поднимать свое тело в воздух. Кэри Муллис (Нобелевская премия 1993 года в области химии), так же как и Маргулис, убежден в том, что ВИЧ не является спусковым механизмом для СПИДа. Кроме того, по его мнению, глобальное потепление – это выдумка, а сам он был похищен инопланетянами, которые подобрались к нему под видом говорящего енота. Такие вот дела!

В свете новых знаний нарисовать древо жизни уже не так просто, как в прошлом, когда мы двигались в вертикальном направлении от одного поколения к другому. Теперь при рассмотрении отдельных видов мы должны учитывать и поперечные связи, возникающие за счет горизонтального переноса генов и образующие генетические связи между совершенно разными живыми организмами.

Чтобы не встать на порочный путь, ученые теперь строят генеалогические деревья на основании не одного гена, как в свое время делал Карл Вёзе, а специально подобранной группы особо подвижных генов, а еще лучше всего наследственного материала. Это позволяет добиваться более надежных результатов. В целом же принципы Вёзе все еще остаются в силе. Некоторые ветви на его древе выглядят сегодня немного иначе, а благодаря митохондриям и хлоропластам (а также некоторым другим странным вещам, до которых мы еще дойдем) между отдельными ветками возникли совершенно необычные поперечные связи.

Давайте подведем итог: гены могут переселяться из одного генома в другой. Таким образом, наша наследственность развивалась не только благодаря случайным мутациям, но и в результате заимствования генов у других живых организмов. Да, порой в нас поселялись чужеродные организмы. Две теории, по поводу которых Маргулис и ее противники вели долгие ожесточенные споры, – естественный отбор и эндосимбиоз – работают в процессе эволюции рука об руку. В противном случае нас с вами не было бы (и этот спор никогда бы не возник). Совместными усилиями можно добиться намного большего! Это знает даже тетя Хедвиг.

Глава 6

Человек: инструкция по сборке

История о самой первой клетке по имени Арчибальд, которая открыла секрет работы в команде, о маленьких червячках и о вопросе, почему у нас один набор генов, а все клетки совершенно разные.

Я с кряхтением несу к дому тяжеленные сумки с покупками тетушки Хедвиг. Она тянет за собой только чемодан на колесиках. Единственное, что в нем находится, – это топор, который она необычайно выгодно купила в магазине стройматериалов. Одному Богу известно, что она собирается с ним делать. Мы проходим мимо Венцеля Зумпера – нашего управляющего, которого боится весь дом. Он собирает сухие листья с газона и, когда я с ним здороваюсь, даже не оборачивается. Но, когда чемодан Хедвиг случайно съезжает с дорожки и заезжает одним колесом на траву, у него тут же прорезается голос: «Эй, немедленно уберите свой пенсионерский „Мерседес“ с моего газона! В воскресенье приедет инвестор и у меня тут должен быть полный порядок!» Все понятно: наш управляющий давно мечтает о том, чтобы у дома был новый хозяин. В этом случае можно поднять квартплату и основательно пересортировать всех жильцов. Если это произойдет, то нам и многим другим обитателям дома придется искать себе новое жилье. Плохо, конечно, но ничего не поделаешь. Кроме того, меня в данный момент волнует совсем другое: мои поясничные позвонки молят о пощаде и готовы рассыпаться на куски.

Хедвиг останавливается и молча смотрит на Зумпера. Сейчас она вступит с ним в одну из своих бесконечных дискуссий и преградит мне путь к спасительной двери. Обойти ее по траве

– это вообще не выход, потому что в этом случае Зумпер вцепится мне зубами в ногу.

– Это не газон, – вдруг изрекает Хедвиг. – Здесь растут маргаритки, значит, это лужайка, – и продолжает свой путь.

Когда дорожка немного расширяется, я быстро обгоняю ее. Возможно, мне еще удастся добраться до дому, не нажив себе грыжу. Остается последнее препятствие: восемнадцатилетний сосед с третьего этажа, который, как всегда, сидит на крыльце с наушниками, из которых доносится громкая музыка, и пытается одновременно переписываться со всеми своими друзьями в «Фейсбуке», которых у него не меньше ста пятидесяти. Я протискиваюсь мимо него, а он даже не реагирует, когда до отказа набитый пакет пролетает в миллиметре от его виска.

– Ты поднимайся, а мне тут надо еще уладить пару дел, – говорит Хедвиг и вынимает у парня наушники из ушей.

Он с трудом возвращается к реальности и смотрит на нее так, словно перед ним носорог в розовой балетной пачке. Потом за мной захлопывается дверь.

Наступает воскресенье. Раннее утро после ужасной ночи. По соседству кто-то устроил гулянку до самого утра, и я не мог уснуть. Вдобавок меня мучил вопрос, почему фрау Молль с четвертого этажа не вызовет наконец полицию, хотя во всех остальных случаях она делает это, не задумываясь… Ну да ладно. Я плетусь в пижаме в сторону ванной. И вдруг передо мной предстает Хедвиг. С топором в руке. Мне становится как-то тревожно. Не говоря ни слова, она выталкивает меня за дверь на лестницу и вкладывает в руку топор.

Я смотрю на этот гигантский инструмент, изготовленный, по всей вероятности, для того, чтобы в одиночку вырубить все джунгли в бассейне Конго. Хедвиг молча захлопывает за мной дверь. Я стою босиком на лестничной площадке и ничего не понимаю. Через стеклянную входную дверь подъезда мне виден Зумпер. Ковыляя по газону, он срезает все маргаритки. В этот момент на горизонте появляется фрау Молль на костылях. На спине ее платья видны два больших ярко-зеленых пятна. Она останавливается прямо перед входом, достает из сумки пейнтбольное ружье и целится в стену. Зачем? Я ничего не соображаю. Мне хочется опять лечь в постель.

Я слышу крик Зумпера, вижу, как он вырывает оружие из рук фрау Молль, прежде чем она успевает выстрелить краской в стену. Ив тот момент, когда он собирается повалить ее на землю, прямо на проезде для пожарных машин останавливается дорогая спортивная машина. Выходящий из нее мужчина, очевидно, и есть тот самый инвестор. Зумпер со всей напускной приветливостью машет ему рукой. Инвестор оценивающим взглядом смотрит на Зумпер а, размахивающего ружьем, а потом на старушку с пятнами на спине, которая с громкими криками удаляется в сторону заднего двора. Зумпер отбрасывает от себя ружье, словно гремучую змею, и многословно пытается успокоить гостя.

В этот момент открывается дверь квартиры на первом этаже, и на пороге появляется фрау Розеншток в халате. Бруках она держит полдюжины черных пластиковых мешочков. За фрау Розеншток семенит ее мопс Финн. Она поочередно открывает все мешки и расставляет их по лестничной площадке. Исходящий из них запах трудно описать. Слово «отвратительный» для этого слишком слабо. У меня перехватывает дыхание. Но мопс Финн от души радуется тому, что его «наследию» уделяется такое внимание. Фрау Розеншток улыбается мне, кивает и исчезает вместе с мопсом в квартире.

В это время на улице к ногам инвестора подкатывается пустая банка из-под Red Bull. Вслед за ней с заднего двора высыпает ватага подвыпивших юнцов, которые пытаются играть этой жестянкой в футбол. На некоторых из них можно разглядеть футболку с надписью «Хедвиг разрешила!». В толпе я вижу и парня с третьего этажа. Он широко улыбается и выглядит совершенно счастливым. Вся компания удаляется вслед за банкой, которая по широкой дуге летит в направлении улицы.

Инвестор брезгливо достает двумя пальцами из кармана костюма от Армани огрызок яблока, которым на ходу «угостил» его кто-то из юнцов, и выбрасывает. Зумпер выглядит совершенно растерянным и жестом приглашает его в подъезд. Я постепенно начинаю понимать, что тут затевается. Как только инвестор входит в подъезд, от вони у него начинают слезиться глаза. И пока он приходит в себя, держась за косяк двери, я изображаю на лице самую идиотскую улыбку Джека Николсона и начинаю колотить топором в дверь с криком: «Я пришел. Открыва-а-айте!»

Подведем итог. Во-первых, наш дом в течение ближайших нескольких лет никто не купит. Во-вторых, при должной мотивации спортивный автомобиль может даже в пешеходной зоне развивать максимальную скорость. В-третьих, господин Зумпер стал заметно тише и спокойнее. И, в-четвертых, остается только поражаться тому, как много можно добиться за счет сотрудничества.

То, что сотрудничество способствует прогрессу, мы уже выяснили в предыдущей главе: архея и бактерия объединились, чтобы образовать нечто совершенно новое. Неплохой результат. Получившийся в итоге организм может использовать гены двух абсолютно разных организмов, что создает для него новые возможности. Это можно проиллюстрировать на примере скрещивания собаки и почтового голубя. Возникшее в результате животное может не просто принести газету из соседнего киоска, но и доставить еще пахнущий типографской краской выпуск London Times прямо из столицы. Согласен, при ближайшем рассмотрении этот пример выглядит не слишком удачно. Первым эукариотам потребовалось, по-видимому, немало времени, чтобы правильно рассортировать свои гены и научиться в полной мере использовать их потенциал.

В ходе анализа нового набора генов в гибриде археи и бактерии наверняка выяснилось, что какие-то гены дублируют друг друга, а какие-то полностью бесполезны. Да и зачем бактериям полный комплект генов, если они находятся внутри клетки, которая может взять на себя значительную часть забот о них? Что обычно делают с лишним имуществом? Это известно. Все подвалы забиты ненужными вещами. Казалось бы, разумнее всего взять да и выбросить их! Прямо сейчас. Или завтра. Ну, или на следующей неделе… В большинстве случаев кучи хлама так и остаются на месте. То же самое происходит и с наследственным материалом, если только быстрое избавление от лишних вещей не влечет за собой каких-то очевидных и измеримых преимуществ (например, доставка сломанного телевизора в пункт приема негодной бытовой техники – задача не первой необходимости, а вот утилизация протекающей бочки с ядовитыми отходами – это уже очень срочное дело).

Но ненужные вещи необходимо выбрасывать. Им можно дать вторую жизнь: из изношенных шин сделать качели, из старых столовых приборов – оригинальные крючки на вешалку для одежды, а из пустых бутылок – ксилофон. Гены, которые больше не нужны для выживания, могут свободно и без всякого вреда для организма изменяться и в результате приобрести новую функцию, которая неожиданным образом улучшит существование живого организма. Но это касается только генов, не имеющих особой важности, поскольку в противном случае любое изменение может привести к немедленной смерти клетки.

Такая комбинация таит в себе большой потенциал, и из первых эукариотов возникли все сложные живые организмы, известные нам сегодня. Великий акт в жизненной драме!

Сцена первая

Первичная клетка по имени Арчибальд уже довольно долго плавает по древним морям, размышляя о своих генах. И вдруг в голову Арчибальду приходит мысль.

Арчибальд: Постойте-ка! С генами у меня все в полном порядке! Это же надо использовать. Я добьюсь мирового господства! Стану венцом творения! Или, по крайней мере, изобрету электронные часы. Мне все по силам!

Голос из ниоткуда: И как ты себе это представляешь, Арчибальд?

Арчибальд: Ну, э-э-э… Я буду становиться все больше и больше, пока не стану самым главным.

Голос из ниоткуда: Не выйдет.

Арчибальд: Как это не выйдет? Почему?

Голос из ниоткуда: Физика.

Арчибальд: А поподробнее нельзя?

Голос из ниоткуда: Потому, что ты – шар.

Арчибальд: Ты за базаром-то следи!

Голос из ниоткуда: Ну ладно, у тебя примерно шарообразная форма. Все дело в том, что тебе нужны питательные вещества, поступающие извне. Какое количество питания может к тебе поступить, зависит от площади твоей поверхности, а обмен веществ, то есть потребление питательных веществ, – от объема.

Арчибальд: И что?

Голос из ниоткуда: Если ты станешь вдвое больше, то поверхность увеличится в четыре раза, а объем – в восемь. Таким образом, чем больше ты становишься, тем сильнее будет сказываться дефицит питательных веществ. Кроме того, тебе все труднее будет удалять отходы.

Арчибальд: Все это слишком сложно. И не сулит ничего хорошего.

Голос из ниоткуда: И потом надо еще учесть проблему с твоими генами…

Арчибальд: Гены не трожь! Они в полном порядке!

Голос из ниоткуда: Разумеется, но они имеют свои пределы. Один ген может произвести за минуту определенное количество мРНК и белков. Если ты будешь становиться все больше, то в один прекрасный момент их не хватит.

Арчибальд: Ну, допустим, что это так… А как же тогда быть с мировым господством? Надо что-то делать.

Голос из ниоткуда: Физику не обманешь…

К счастью, когда надо искать обходные пути, жизни не откажешь в сообразительности и творческих способностях. Итак, что нам делать с проблемой, заключающейся в том, что по мере увеличения размеров организма поверхность для обмена веществ становится относительно все меньше? Формальное решение найти нетрудно. Возьмите, к примеру, эту книгу. Она лежит перед вами на столе в виде аккуратного параллелепипеда из бумаги. Если вам надо оптимизировать соотношение площади и объема, просто раскройте ее. Площадь при этом удвоится, а объем останется прежним (если вы читаете книгу в электронном варианте, вам, к сожалению, придется напрячь воображение, чтобы представить себе сказанное). А если вам понадобится еще больше увеличить площадь, приходящуюся на единицу объема, можно повырывать все страницы и с идиотским смехом разбросать по окрестностям. Вы получите солидный прирост площади, но книгу жалко, поэтому авторы настоятельно рекомендуют вам воздержаться от подобных действий.

В клетках эукариотов внешняя оболочка – это тоже далеко не все. Внутри размещаются мембранные структуры (эндоплазматический ретикулум и аппарат Гольджи), которые участвуют в транспортировке белков из клетки. Так, например, здесь вырабатываются и готовятся на экспорт антитела иммунной системы. Мельчайшие пузырьки замыкаются в себе и отправляются в путь к поверхности клетки, где сливаются с мембраной. При этом их содержимое передается наружу. Таким образом, клетки располагают дополнительной мембраной, обращенной внутрь, которая значительно увеличивает площадь обмена. Это эффективный механизм, который позволяет иммунным клеткам производить примерно 120 тысяч антител в минуту для борьбы с возбудителями болезней (в порядке сравнения: скорострельность автомата АК-47 составляет 600 выстрелов в минуту).

Но если говорить о внешней форме клеток, то и здесь матушка-природа не поскупилась на выдумку. Не все клетки круглые. Они обладают самой разной формой, которая также может увеличить площадь. Например, поверхность клеток эпителия кишечника, усваивающих питательные вещества, имеет микроворсинки, благодаря которым их площадь значительно увеличивается.

Вторая проблема, связанная с ростом клетки, решается сложнее. Клетка должна располагать достаточным количеством генного материала для производства белков. Чем больше она по размеру, тем больше ее потребность в белках. Как жизнь решила эту дилемму? За счет организации!

Проведем небольшой мысленный эксперимент. Представьте себе, что эта книга – ген, а вы – белок, который должен прочитать этот ген (РНК-полимераза). Так уж получилось, что вы понятия не имеете о том, где в данный момент находится книга. Ее надо найти в квартире. И вот вы в этом бедламе перерываете все вдоль и поперек, но в конце концов находите. Теперь можно поудобнее устроиться на диване и углубиться в чтение, то есть заняться производством мРНК. Усложним эксперимент. Если ваша квартира площадью 80 квадратных метров соответствует бактерии, то клетка эукариота будет иметь размер крупного торгового центра, более чем в пять раз превышающего по объему гамбургский пассаж «Европа». Вот в нем-то и спрятана книга. Тому, кто хочет ее прочесть, придется как следует постараться.

К счастью, эукариоты не просто больше бактерий, но еще и лучше организованы. Их гены не разбросаны как попало, а сосредоточены в ядре. Поэтому в отделе галантереи и кафе-мороженое можно даже не искать. Вы идете сразу в книжный отдел. Согласен, он тоже занимает немалую площадь, но и книги в нем размещаются в строгом порядке. А те, которые никому не нужны, лежат в упаковках на складе.

Итак, ядро клетки устроено практично и упорядоченно. Благодаря мембране ядра, отделяющей наследственный материал от остального содержимого, клетка работает значительно эффективнее.

А если и этого недостаточно, то всегда имеется возможность увеличить количество копий гена. Люди и большинство представителей животного мира имеют два набора хромосом: один от отца, а второй от матери. Это уже дает нам две копии на каждую клетку (хотя на самом деле не в каждом гене используются обе копии). Некоторые гены, которые постоянно находятся в деле, в процессе эволюции научились размножаться с целью увеличения своей численности. В частности, это относится к генам рРНК. Они являются важной частью рибосом, то есть машин, производящих все белки клетки. Без них просто никуда, поэтому в нашем наследственном хозяйстве имеются сотни копий данных генов! Но самый экстремальный случай можно наблюдать в яйцеклетках некоторых амфибий: они не просто обзаводятся парой сотен генов рРНК, но и в случае необходимости размножают их на кольцевых участках ДНК. Как следствие, их количество может достигать нескольких миллионов. В результате гены рРНК могут занимать 70 процентов в составе ДНК в клеточном ядре. Когда начинается развитие эмбриона, эти кольца передаются клеткам потомства, и таким образом количество генов в клетке снова снижается до нормального уровня.

Страус является обладателем необычного двойного рекорда. Он несет самые большие яйца среди всех ныне живущих птиц, но они же являются самыми маленькими, если сопоставить их с размерами самого страуса. И действительно, чем крупнее птица, тем относительно меньше размер ее яиц. У курицы (например, у породы белый леггорн) масса яйца составляет 3,3 процента от массы птицы (50 граммов / 1,5 килограмма), а у страуса – всего 1,4 процента (1,4 килограмма / 100 килограммов). Но еще более разительным представляется соотношение массы тела матери и массы яйца у динозавров. Диплодок, длина которого доходила до 33 метров, а вес составлял от 10 до 16 тонн, откладывал яйца, по размеру не намного превышающие страусиные. Соотношение составляет около 0,01 процента. Если бы динозавры были размером с курицу, их яйца весили бы около 0,15 грамма.

Наши клетки во много раз превосходят бактерии по сложности и размерам. И это наводит на вопрос: а до какого размера вообще могут вырасти клетки? На него нельзя ответить однозначно, но несколько кандидатов на звание самой гигантской клетки мы вам все же представим.

Если говорить о длине клетки, то победителем здесь являются нейроны клетки нервной системы. Человеческие нейроны, простирающиеся от нижнего окончания спинного мозга до большого пальца ноги, могут достигать одного метра в длину. В мире микробиологии большой палец ноги – это ужасная глушь, находящаяся на невообразимом расстоянии. Вы только представьте себе: для поддержания энергии нейрона митохондрии необходимо доставлять до крайнего окончания клетки. Чтобы они вообще могли туда попасть, их тянут на себе специальные белковые волокна с максимальной скоростью около 1,7 сантиметра в час. Таким образом, чтобы добраться из одного конца клетки в другой, митохондрии приходится проводить в пути несколько дней. А теперь представьте себе, как это происходит у жирафа или голубого кита. Чтобы такие нейроны вообще могли функционировать, соседние клетки снабжают их питательными веществами и, возможно, даже мРНК (на этот счет ученые пока не пришли к единому мнению).

Самый большой диаметр среди человеческих клеток имеет женская яйцеклетка. Он составляет от 100 до 130 микрометров, и эти клетки можно видеть невооруженным глазом. По сравнению с другими они вообще выглядят гигантами. Яйцеклетки готовятся к оплодотворению и к тому, чтобы сразу после стартового выстрела начать деление. Для этого они предварительно запасаются всем необходимым на первое время, поскольку после оплодотворения у них не будет свободного времени для наращивания массы. У некоторых видов животных гигантская яйцеклетка в течение кратчайшего времени непрерывно делится. При этом новые клетки становятся все меньше в размерах, сохраняя практически изначальный общий объем.

Самая большая яйцеклетка, известная нам на сегодняшний день, – страусиное яйцо. Это и в самом деле всего одна клетка, имеющая ядро, мембрану ядра и гигантский запас продовольствия. Всю эту провизию она накапливает не в одиночку: ее ядро не справилось бы с производством такого количества белков. В этом ей оказывают помощь клетки печени.

Еще одна возможность роста клеток заключается в том, чтобы плыть против течения и не делиться, как все, а, наоборот, объединяться друг с другом. Такой способ предпочитают наши мышечные клетки. В процессе развития мелкие одиночные клетки сливаются друг с другом, образуя гигантские мышечные волокна со множеством клеточных ядер. Это дает им достаточное количество генного материала, чтобы при длине до 15 сантиметров работать в полную силу.

Этим же фокусом пользуются и некоторые одноклеточные организмы. Самым известным из них является водоросль-убийца Caulerpa taxifolia. Выглядит она вполне безобидно, словно ярко-зеленый ковер из мелких листочков, раскинувшийся на средиземноморском мелководье. Плохо то, что эта водоросль завезена сюда из других мест, несъедобна и вытесняет местные виды растений и животных. Как и мышечные клетки, она представляет собой одну слившуюся клетку с огромным множеством ядер. Этот одноклеточный организм, достигающий размера нескольких метров, приобретает формы, которые выглядят как листья и корни, хотя таковыми не являются. Иногда создается впечатление, что природа таким образом развлекается, испробуя самые абсурдные трюки.

Подведем итог. Существуют гигантские клетки, и природа постоянно находит обходные пути, чтобы обмануть физику. Но подавляющее большинство клеток имеют микроскопически малые размеры и не видны вооруженным глазом. Объединение крохотных клеток в большинстве случаев функционирует лучше, чем одна большая.

Сцена вторая

Арчибальд, заметно раздавшийся в ширину, неуклюже дрейфует в толще воды.

Голос из ниоткуда: Ну, приятель, как ощущения?

Арчибальд: Очень необычные.

Голос из ниоткуда: А я ведь тебе говорил, что простое увеличение в размерах ничего не даст…

Арчибальд: Ну говорил….

Голос из ниоткуда: Ты всего лишь чувствуешь себя раздутым. Арчибальд: Да хватит уже.

Голос из ниоткуда: И с координацией тоже проблемы возникают, если позволишь такое замечание.

Арчибальд: Не позволю.

Голос из ниоткуда: Тогда разреши хотя бы предупредить тебя. Арчибальд: Тебя ведь все равно невозможно заткнуть.

Голос из ниоткуда: Совершенно верно. К тебе там что-то движется… Арчибальд: Что там еще? (Бум!)

Арчибальд II: Извини, коллега, я тебя не заметил.

Арчибальд: Ничего страшного.

Голос из ниоткуда: Надо же, теперь вы еще и склеились. Арчибальд и Арчибальд II (хором): Да достал ты уже!

Голос из ниоткуда: Ну и ладно. Делайте теперь что угодно, господа…

(Через некоторое время)

Арчибальд II: Он уже ушел?

Арчибальд: Кажется, да… А мы теперь, значит, вместе?

Арчибальд II: Похоже на то… Можно еще пару приятелей пригласить.

Арчибальд: Гм, неплохая идея. У меня такое ощущение, что это начало крепкой дружбы!

Самые древние многоклеточные, о которых до нас дошли сведения, были простыми образованиями, не имевшими сложной структуры. Судя по сохранившимся окаменелостям, не всегда даже можно сказать, имеем мы дело с растением или животным. Сегодня нет ни одного организма, который можно было бы хоть отдаленно определить им в родственники.

Примерно 540 миллионов лет назад произошел Кембрийский взрыв. Начался период расцвета многоклеточной жизни. С головокружительной, с точки зрения палеонтологов и геологов, скоростью (всего за каких-то несколько миллионов лет), словно из ниоткуда, появилось бесчисленное множество видов сложных многоклеточных организмов. Это были золотые годы творения! У каждого из молодых, необузданных ученых имелось свое представление о том, как должен выглядеть успешный живой организм. Конечно, далеко не все из этих творений получили развитие. Так, например, в то время жила Hallucigenia – червеобразное творение на коротеньких ножках и с шипами на спине. Долгое время ее рисовали вверх ногами, потому что никто не знал, где у этого червяка верх, а где низ. Однако из проектов, которые выдержали проверку временем, выросло все многообразие многоклеточных, которое мы сегодня наблюдаем.

Причины этого взрыва до сих пор являются предметом споров. Возможно, здесь сошлось несколько факторов. Но основной предпосылкой, по всей видимости, стало появление новой системы генов, которая развилась у многоклеточных организмов в процессе становления. И эта система, в основе которой лежали так называемые гомеозисные гены, сотворила настоящее чудо: она определила, где у многоклеточных перед и зад, верх и низ, правая и левая сторона. Теперь клетки организма получили важную информацию: «Я нахожусь спереди!» или «Я в заднице». Как следствие, у живых организмов появились сложные планы по строительству собственного тела. Теперь они могли размещать органы чувств и конечности в самых оптимальных местах. Это существенно облегчает жизнь в целом и процесс надевания брюк и свитеров в частности.

Гомеозисные гены – обязательный компонент, имеющийся у каждого представителя животного царства. Они содержат инструкции по производству белков, которые хотя и отличаются друг от друга у разных видов животных, но имеют одинаковый фрагмент ДНК – гомеобокс (отсюда и название «гомеозисные»). Здесь закодирована часть белка, дающая гомеозисным белкам возможность удерживаться на последовательностях ДНК. Это как раз то место, где белки выполняют свою работу: контролируют множество других генов и определяют, какой вид будет иметь клетка, в которой они в данный момент активизируются. Особенно хорошо работа гомеозисных генов изучена у плодовых мушек дрозофил. Обычно различные гомеозисные гены расположены в наследственном материале группами, друг за другом. Их очередность соответствует тем обязанностям, которые возложены на них в организме. Первые отвечают за голову, а последние – за заднюю часть туловища. Если возникает какая-то путаница, то изменения в плане строительства могут оказаться катастрофическими. Так, например, мутация может привести к тому, что у мухи вместо усиков-антенн на голове вырастут ноги или появятся четыре крыла вместо обычных двух.

Сцена третья

Арчибальд ползет по болотистой почве. Его внешний вид сильно изменился.

Арчибальд: Ага, вот мы снова и встретились!

Голос из ниоткуда: Хм? Это ты? Я тебя и не узнал.

Арчибальд: Ничего удивительного. Я усиленно поработал над собой. Посмотри, что я умею! (Поворачивается вокруг своей оси.)

Голос из ниоткуда: Хм-м-м… Забавно.

Арчибальд: То-то. Я все-таки разгадал эту загадку. Простое увеличение в размерах ничего не дает. Все дело в кооперации. Я теперь многоклеточный.

Голос из ниоткуда: Да, это существенное усовершенствование.

Арчибальд: Усовершенствование? Да я венец творения! Я воплощение чуда жизни! Я шедевр биологии! Короче говоря, я…

Голос из ниоткуда: Червяк.

Арчибальд: Да, я такой! У меня даже рот есть! Вот, посмотри… А-а-а… Голос из ниоткуда: Хорошо-хорошо, можешь закрыть…

Простые круглые черви, или нематоды, вроде Арчибальда относились, пожалуй, к самым первым проектам многоклеточных животных. Процветают они и в наши дни. Червяк, с помощью которого мы многое узнали о строении сложных многоклеточных организмов, носит название Caenorhabditis elegans(элегантная новая палочка). Он имеет всего около миллиметра в длину и питается бактериями. Свою известность этот маленький червячок приобрел благодаря Сиднею Бреннеру, которого тоже нельзя причислить к гигантам. Бреннеру захотелось узнать, как развиваются органы и целые организмы, и в середине 1960-х годов он выбрал себе в качестве модели С. elegans. Решение оказалось на удивление правильным, так как в 2002 году Бреннер за свои исследования получил Нобелевскую премию.

Сидней Бреннер присутствовал при зарождении молекулярной биологии. Он как раз учился в докторантуре Оксфорда, когда Уотсон и Крик в соседнем Кембридже раскрыли тайну структуры ДНК. Затем Бреннер стал членом «Клуба галстуков РНК», а спустя 20 лет даже работал в одном кабинете вместе с Фрэнсисом Криком. У Бреннера был острый ум, не менее острый язык и еще более острое перо. Он был известен своей склонностью к каламбурам и игре слов. Говорят, что однажды он сильно озадачил одного бюрократа, когда тот начал рассуждать на свою любимую тему об оплате в зависимости от результатов труда, а Бреннер возразил, сказав, что ему больше нравится система, при которой результаты труда зависят от оплаты.

Когда самые серьезные вопросы с ДНК и РНК были разрешены, Бреннер и Крик обратились к новым темам. Оба хотели больше узнать о развитии многоклеточных организмов. Вот так Бреннер и занялся червем. Крик же взялся за изучение дрозофил, хотя это была очень сложная задача. Во всяком случае, Бреннер вспоминал, что Крик однажды изо всех сил швырнул на стол книгу со словами «Одному Богу известно, как действует этот имагинальный диск» (имагинальным диском называется область тела личинки дрозофилы, из которой появляются ноги, усики и т. п., – только не спрашивайте, как это происходит…). Бреннер отразил этот эпизод в коротенькой истории и опубликовал ее в своей колонке, которую на протяжении многих лет вел в одном из научных журналов:

Фрэнсис Крик оказывается у райских врат. Там его встречает апостол Петр, но Крик настаивает на том, чтобы его представили лично Всевышнему. После продолжительных переговоров его ведут в небольшой домик возле свалки на самом краю небес. Там что-то мастерит невысокий мужчина в комбинезоне с торчащим из заднего кармана гаечным ключом.

– Боже, перед вами доктор Крик, – представляет апостол. – Доктор Крик, это Бог.

– Очень рад с вами познакомиться, – говорит Фрэнсис. – Я хочу спросить у вас: как функционируют имагинальные диски?

– Ну, мы берем кое-что вон оттуда и добавляем пару других вещей… Вообще-то мы и сами этого точно не знаем… Но я должен вам сказать, что мы производим мух уже 200 миллионов лет, и до сих пор не было никаких жалоб!

Почему же Бреннер выбрал в качестве объекта изучения именно С. elegans? В его пользу говорят несколько факторов: у этого червя нет сердца и крови, он достаточно прозрачен, не имеет ни легких, ни скелета. Короче говоря, С. elegans весьма просто устроен, и в нем легче разобраться, чем в более сложных животных. Важным было и то, что этот круглый червь всегда состоит из одного и того же количества клеток, а именно из 959 для особи-гермафродита (самок у него не бывает) и 1031 для мужской особи. Дополнительные клетки сосредоточены преимущественно в нервной системе и заднем проходе. В целом это червь, но в нем можно подробно рассмотреть все клетки. Поэтому сегодня мы знаем, когда, где и каким образом появляется и развивается каждая из них. Существует даже своего рода план сборки С. elegans, в котором все подробно описано.

Перед вами краткий рецепт по изготовлению червя. Для этого вам понадобятся:

302 нейрона + 56 вспомогательных клеток нервной системы;

213 клеток кожи (некоторые из которых слились в многоядерные клетки); 152 мышечные клетки;

143 клетки половых органов;

34 клетки кишечника;

8 клеток заднего прохода

и еще 51 клетка других видов, которые мы в целях экономии места обозначим как прочие.

Раз ужу нас есть такой подробный перечень клеток, можно сразу заняться вопросом, почему они подразделяются на нейроны, мышечные клетки и т. д., хотя в каждой из них содержится один и тот же набор генов.

Причина различий между клетками заключается в том, что в наследственном материале заложены все возможные инструкции по строительству. Но для использования всегда выбираются те, которые соответствуют данному типу клетки. Все остальные гены упаковываются таким образом, что становятся недоступными. В ядре эту задачу выполняют гистоны – относительно небольшие молекулы белков, по внешнему виду похожие на катушку, на которую наматываются короткие фрагменты ДНК. При слиянии нескольких гистонов, обернутых ДНК, возникают все более крупные и упорядоченные структуры. Высшую степень упорядоченности представляют Х-образные хромосомы, которые можно наблюдать в момент деления клеток. Однако в обычных условиях порядки в ядре не столь строги и фрагменты ДНК, которые используются в данный момент, в значительной степени «распакованы», чтобы можно было считывать расположенные на них гены. Степень доступности гена регулируется химическими маркерами на гистонах и самой ДНК.

Эти маркеры, как правило, передаются по наследству от одной клетки к другой. Примерно так же обстояли дела в Средневековье: сын графа становился графом, а ребенок, родившийся в семье крестьянина, со временем брался за плуг, как и его отец (даже если по своим качествам вполне мог быть графом). Такой порядок наследования, имеющий отношение не к генам как таковым, а только к тому, как и когда они используются, называется эпигенетикой. Мы еще многого в ней не понимаем, хотя и очень хотелось бы. Например, ткани сердца и мозга почти не регенерируются после повреждений, а вот кожа или печень восстанавливаются намного лучше. Если мы как следует разберемся в эпигенетике, то, пожалуй, сможем сделать из крестьянина графа. В этом случае нам, возможно, удастся вылечить больное сердце и устранить последствия инсульта.

Но вернемся к нашему С. elegans. Мы достаточно хорошо представляем себе, для чего предназначены его 959 клеток. Но в процессе развития червя образуется 1090 клеток. Что же происходит с остальными? Ответ на этот вопрос ввергает нас в печаль: они убивают сами себя. Чтобы правильно функционировать, организму порой приходится избавляться от ряда собственных клеток. В развитии человека этот процесс тоже играет важную роль. В частности, он заботится о том, чтобы у нас не вырост хвост, как у обезьяны. Клетки, из которых он может образоваться, присутствуют в эмбрионе, но затем целенаправленно уничтожаются.

Еще одна загадка эпигенетики заключается в том, как наш образ жизни и опыт сказываются на программировании клеток. Можно ли передать эпигенетический опыт своим детям и внукам? Долгое время считалось, что эпигенетическое программирование полностью останавливается в самом начале развития эмбриона и каждый живой организм начинает свое существование с чистого листа. Однако за последние годы накопилось немало свидетельств того, что некоторые эпигенетические маркеры все же могут передаваться потомству и оказывать влияние на обмен веществ, склонность к онкологическим заболеваниям, возникновение депрессии и даже на такие сложные процессы, как обучение и память.

На более поздних стадиях жизни этот механизм не теряет своей значимости, например когда иммунная система уничтожает пораженные вирусом клетки, чтобы остановить размножение возбудителя болезни. Механизм запрограммированной смерти клеток называется апоптозом и действует с пугающей эффективностью. Все начинается с сигнала на самоуничтожение клетки. Он может поступить извне (например, от иммунной системы) или из самой поврежденной клетки, которая замечает, что у нее возникли какие-то проблемы. В подобных ситуациях в митохондриях, выполняющих роль электростанций в клетке, возникают «протечки реактора». В них образуются маленькие отверстия, и содержимое вытекает туда, где ему быть не положено. Это необычное происшествие будит спящие белки каспазы, которые до поры до времени мирно дремлют в клетке. Но стоит им только активизироваться, как проявляется их суровый нрав: они рвут клетку на части и тем самым активизируют все новые каспазы. Следующей в процесс активизации вступает дезоксирибонуклеаза, которая, проснувшись, начинает крошить в мелкие

клочья весь наследственный материал. Короче говоря, происходит цепная реакция разрушения и в кратчайшее время от клетки остаются только руины.

Сцена четвертая

Арчибальд сидит в тине и задумчиво что-то жует.

Голос из ниоткуда: Ну, Арчибальд, как жизнь? Тебе все еще нравится быть червем?

Арчибальд: Сойдет.

Голос из ниоткуда: Что-то не слышу особого восторга…

Арчибальд: Да уж. (Говорит нарочито писклявым голосом.) Здравствуйте, я Арчибальд, маленький червяк. (Переходит на нормальный голос.) Этим в наше время вряд ли кого-то можно поразить.

Голос из ниоткуда: Не могу не согласиться. Но что же делать?

Арчибальд (заговорщическим тоном): У меня есть секретный план: я превращусь в ВУММА! Ха-ха!

Голос из ниоткуда: В Вумма? А это еще кто такой?

Арчибальд: Я буду расти и расти, пока не стану стотонным мегамонстром. И меня будут звать ВУММ!!!

Голос из ниоткуда: Опять старые песни? Вспомни про физику.

Арчибальд: Физика, физика! Ничего нового сказать не можешь?

Голос из ниоткуда: Просто возникнут проблемы… Я тебя предупредил.

Такой маленький червячок, как С. elegans, представляет собой очень простое создание, без всяких фокусов и изысков. Это просто тонкая трубка из нескольких клеток. Спереди она поглощает пищу, которая переваривается внутри и выходит сзади. Питательные вещества распределяются напрямую между клетками, а кислород поступает через кожу. Есть еще простенькая репродуктивная система, пара мышц и горсточка нервных клеток, чтобы поддерживать организм в подвижном состоянии. Всю эту концепцию мать-природа явно разработала во время рекламной паузы.

Но что произойдет, если мы увеличим этот проект? Скажем, в сто раз. Пусть остается тот же экономный дизайн, только в сто раз длиннее и в сто раз толще. В этом случае наш С. elegans вырастет до десяти сантиметров в длину и будет напоминать обычного дождевого червя (то есть до ВУММА, о котором мечтает Арчибальд, еще очень далеко). Объем его тела (и масса) вырастут в миллион раз. И тут из-за угла снова выныривает физика (вместе со своей подружкой математикой) и портит всю картину, потому что площадь поверхности тела увеличится только в 10 тысяч раз. В этом вся проблема. Та же самая проблема, которая похоронила нашу затею с гигантской шаровидной клеткой…

Дело обстоит следующим образом: будучи микроскопически маленьким червячком, С. elegans имеет ровно столько клеток, чтобы им хватило кислорода, поступающего без всяких дополнительных приспособлений прямо через поверхность кожи. Но если он станет больше, то площадь, через которую кислород проникает внутрь тела, сильно сократится по сравнению с объемом, что не позволит удовлетворить потребности в кислороде. Кроме того, удлинится путь до клеток, находящихся в глубине тела. То же самое будет происходить и с питанием, поскольку площадь кишки, через которую оно усваивается, по мере роста будет относительно сокращаться. И на этом ВУММУ придет конец. Извини, Арчибальд.

Для роста существует только две возможности: либо научиться обходиться меньшим количеством пищи и кислорода на единицу веса тела (из-за чего снижается подвижность), либо вновь вернуться за чертежную доску для полной переработки генетического плана.

Насекомые используют очень экономную систему снабжения кислородом. У них есть трахеи – маленькие полые трубочки, идущие от панциря внутрь тела и увеличивающие таким образом площадь поверхности газообмена. За счет этого можно увеличить размеры тела, но и такая конструкция имеет свои пределы, поскольку добиться поступления свежего воздуха к клеткам, находящимся в самой глубине тела, довольно трудно. Уже на глубине 5 миллиметров начинает ощущаться нехватка кислорода. Поэтому насекомые редко бывают толстыми. Им для этого в прямом смысле слова «дыхалки не хватит».

Вопрос о том, хватит ли живым организмам воздуха для дыхания, тесно связан с содержанием кислорода в атмосфере. В ходе истории этот показатель нередко менялся. Например, в каменноугольный период, начавшийся 359 миллионов лет назад и длившийся 60 миллионов лет, в воздухе содержалось примерно на 50 процентов больше кислорода, чем сейчас. Это создавало хорошие условия для появления крупных существ. И действительно, в то время можно было встретить гигантских насекомых, например Arthropleura – родственницу сороконожки, достигавшую одного метра в длину, и стрекозу Meganeura, имевшую размах крыльев 75 сантиметров.

Если же говорить о нас, млекопитающих, то мы взяли на вооружение целую кучу новшеств и трюков. Возьмем, к примеру, особенно дорогое нам существо – человека. Его организм состоит примерно из 300 различных специализированных видов клеток. Легкие, активно прокачивающие свежий воздух, благодаря тонкой структуре тканей имеют огромную поверхность газообмена, площадь которой составляет около 80 квадратных метров. Кишечник тоже идет не по прямой линии, как у червя, а образует петли в животе и имеет общую длину от 7 до 8 метров. Площадь всасывания питательных веществ оценивается в 300–500 квадратных метров. Но одного только усвоения питательных веществ недостаточно. Их еще надо по справедливости распределить. С этим мы тоже справляемся, потому что у нас есть сердце, кровь и сложная система сосудов, которые доставляют питательные вещества и кислород до самых отдаленных уголков тела (общая протяженность этой сети составляет примерно 100 тысяч километров). Таким образом, мы оплачиваем величину нашего тела изощренностью генетического плана и колоссальной площадью поверхности обмена.

Но конструкция получилась удачной, и мы заняли на размерной шкале природы место где-то между крошечной карликовой многозубкой, вес которой составляет менее двух граммов, и стотонным голубым китом – а ведь разница между этими двумя крайностями составляет ни много ни мало восемь порядков. Мы считаем свои размеры идеальными, но важно понимать, что, каким бы большим или маленьким ни было живое существо, строительные материалы, из которых оно состоит, в основном одни и те же и потому обладают сопоставимыми свойствами. Клетки слона, в принципе, не больше клеток мыши и мало чем отличаются друг от друга. Кости обоих животных тоже имеют схожее строение. Однако по мере увеличения размеров физические требования к строительным материалам изменяются, поэтому крупные животные вынуждены «инвестировать» в свои кости больше, чем мелкие. Если увеличить линейные размеры мыши в десять раз, она станет в тысячу раз тяжелее, а вот диаметр костей увеличится лишь в сто раз. Следовательно, на скелет будет приходиться десятикратная нагрузка, а это совсем не здорово. Наш старый знакомый Дж. Б. С. Холдейн тоже задумывался об этой проблеме. Правда, он представлял себе не мышь размером с собаку, а сказочного великана, размер тела которого превышает размер тела человека в 10 раз. Вот к какому выводу пришел Холдейн: если вам на пути вдруг встретится великан-людоед, то достаточно лишь держаться от него на определенной дистанции. В этом случае он для вас будет совершенно безобиден. Ведь стоит ему только сделать шаг в вашем направлении, как он сломает себе ноги под тяжестью собственного тела.

Таким образом, линейное увеличение размеров тела ни к чему хорошему не приводит. Если вы хотите существенно увеличить размеры, надо вносить изменения в план строительства! Именно поэтому у мыши на скелет приходится только 5 процентов веса тела, а у слона – целых 30. Несмотря на такие различия, крупные животные далеко не всегда выигрывают в прочности и стабильности конструкции. Скорее, наоборот. В 1926 году Холдейн сформулировал эту мысль таким образом: «Для мышей и других маленьких зверьков гравитация практически безопасна. Их можно сбросить с километровой высоты в ствол шахты, и они, упав на дно, получат лишь легкий шок, а затем отправятся по своим делам. Крыса же при этом погибнет, человек разобьется в лепешку, а от лошади только мокрое место останется. Дело в том, что сопротивление воздуха при падении пропорционально площади поверхности тела. Если разделить длину, ширину и высоту тела животного на десять, его масса уменьшится в тысячу раз, а площадь поверхности – только в сто. Таким образом, сопротивление воздуха затормаживает падение маленького животного в десять раз эффективнее, чем крупного».

То, что мы говорили о костях, в равной степени относится и к мышцам. Крупные животные, как правило, относительно слабее мелких, хотя общий вес их мышц значительно больше. Передними лапками обычная мышь может поднять вес, в 5–7 раз превышающий ее собственный. Мужчина в состоянии перенести через порог одну свою суженую (с двумя и более одновременно возникнут уже очень большие трудности). А вот слон своим хоботом способен поднять только четверть собственного веса.

Слоны вообще склонны к экономии энергии и, в отличие от многих других животных, не любят излишне себя утруждать. Наблюдения за слонами, снабженными радиопередатчиками, показали, что они лучше обойдут холм стороной, чем взберутся на него, даже если наверху растет более сочный корм. Подъем в гору кажется им слишком утомительным. Индийские крестьяне без всяких высокотехнологичных исследований знают слоновьи повадки, поэтому защищают свои поля от голодных слонов с помощью канав. Даже если растительность по ту сторону канавы вкуснее, слон не станет спускаться, а потом выбираться из нее. Грациозные прыжки тоже не относятся к его сильным сторонам: слоны вообще не умеют прыгать, а если бы и умели, то сильно рисковали бы что-нибудь сломать себе при приземлении.

Раз уж мы затронули тему вредителей, то кто, по-вашему, принесет больше вреда огороду: симпатичный трехтонный слон или три тонны мышей (то есть примерно 100 тысяч особей)? Если оставить без внимания тот факт, что слон способен разнести в щепки забор, то с точки зрения количества съедаемых продуктов лучше иметь дело с ним. Ведь слону нужно не в 100 тысяч раз больше энергии, чем мыши, а только в 5600 раз. Почему так получается? Это связано с тем, что доля скелета в массе тела слона выше, а в костях обмен веществ идет заметно медленнее, чем в таких активных органах, как мозг и печень. Но это еще не все. В дело вновь вмешивается физика. Любое преобразование энергии производит тепло, которое выделяется в окружающую среду через кожу. Мелкие животные справляются с этим намного быстрее, чем крупные, поскольку их площадь поверхности кожи относительно больше. Поскольку млекопитающим требуется постоянная температура тела, перед мелкими животными стоят совершенно иные задачи, чем перед крупными.

Обмен веществ у слона идет неспешно, словно у пенсионера на отдыхе. Кроме того, он использует огромные уши для отведения излишнего тепла. А вот у двухграммовой карликовой многозубки все процессы протекают со скоростью вора-карманника, который в панике удирает от полицейского патруля. По сравнению с другими похожими животными у нее относительно крупное сердце, и бьется оно полторы тысячи раз в минуту – быстрее, чем у других млекопитающих. Чтобы обеспечить кислород для такого бешеного обмена веществ, эта крошечная мышь обзавелась специальными, быстросокращающимися мышцами, которые позволяют делать 900 вдохов в минуту (человек в состоянии покоя дышит 12–18 раз в минуту). Карликовая многозубка является обладателем абсолютных рекордов для самых маленьких млекопитающих. Ей приходится идти на это, чтобы весенним солнечным днем внезапно не умереть от холода.

Если же на улице не просто прохладно, а по-настоящему холодно, у мелких животных возникает еще больше проблем с сохранением температуры тела. Поэтому вместе с климатом у них меняется преобладающая форма тела. В жарких странах у животных, как правило, длинные и тонкие конечности, морды, уши и т. д. Это увеличивает поверхность тела и позволяет отдавать больше тепла. В холодных странах у млекопитающих чаще короткие и толстые ноги, а также более округлые формы тела, позволяющие лучше сохранять тепло. Там, где совсем холодно, вы вообще не встретите мелких млекопитающих.

Общий генетический план для млекопитающих в определенной мере приспосабливется к окружающей среде и величине самого животного: толстая или тонкая шерсть, быстрый или медленный обмен веществ, длинные или короткие конечности, мышь или слон. Все это определяется генами и их регулированием. У птиц, насекомых и всех остальных животных все происходит точно так же. Все могут завоевать себе определенную нишу, границы которой установлены физикой. Для выхода за эти границы требуются кардинальные изменения.

Сцена пятая

Арчибальд, который на этот раз предстает перед нами в виде колоссального динозавра позднего мелового периода, величественно шагает по степи в направлении заходящего солнца.

Голос из ниоткуда: Привет, ты уже совсем не похож на червя! Арчибальд: Что ты имеешь в виду?

Голос из ниоткуда: Я хочу сказать, что ты очень вырос с момента нашей последней встречи.

Арчибальд: Ты буквально повторяешь слова моей бабушки.

Голос из ниоткуда: Может быть. Но мне вот что интересно: сколько клеток было в червяке? Примерно тысяча? А теперь? Никакого калькулятора не хватит, чтобы посчитать. Кстати, сколько ты весишь?

Арчибальд: Не скажу. У дамы должны быть маленькие тайны.

Голос из ниоткуда: Да какая же ты дама? Ты – самец.

Арчибальд: У джентльменов тоже бывают тайны.

Голос из ниоткуда: Хорошо. Но собрать такое количество клеток в одном организме… Проблем не возникает?

Арчибальд: Да брось. Если они правильно выполняют свою работу, то все хорошо.

Голос из ниоткуда: А если нет?

Арчибальд: Ну, тогда бывает по-всякому.

Голос из ниоткуда: Но в целом ты доволен?

Арчибальд: А с чего мне быть недовольным? Я самый большой. Это официально признано! Вопросы эволюции меня больше не волнуют. Я и так отдал ей слишком много сил.

Голос из ниоткуда: А какие у тебя дальнейшие планы?

Арчибальд: В полном спокойствии идти прямо вперед и жевать траву в ближайшие несколько миллионов лет.

Голос из ниоткуда: У меня такое ощущение, что им не суждено сбыться.

Арчибальд: Опять ты со своей физикой? Да ты посмотри на меня. Я этой физике уже все доказал!

Голос из ниоткуда: Я вижу проблемы в одном конкретном направлении физики – в астрономии.

Арчибальд: Ты имеешь в виду гороскопы?

Голос из ниоткуда: Нет, скорее астероиды. Вот, например, один из них прямо над тобой…

Арчибальд: Вижу. Ну и что?

Голос из ниоткуда: Он чертовски большой.

Арчибальд: Мне-то что? Выглядит он красиво, особенно вблизи.

Голос из ниоткуда: Дам тебе на прощание один совет: старайся проживать каждый день так, словно он последний!

Иногда чудеса случаются в повседневной жизни, а мы не замечаем их просто потому, что уже привыкли к ним. Выйдите ранним субботним утром из дому за молоком и взгляните на небо. Вы увидите парящую над головой каменную глыбу весом 70 000 000 000 000 000 000 000 килограммов, которая странным образом не падает. Это Луна (здесь хотелось бы выразить благодарность физике – все-таки в ней есть и что-то хорошее!). Стоя с молоком в очереди в кассу, вы можете увидеть очередное чудо в образе слегка опустившегося типа, стоящего перед вами с сосисками, сигаретами и баночным пивом. Это существо в плохо сидящем спортивном костюме, которое демонстрирует вам свою заднюю часть, – настоящее чудо. В его дряблом теле объединилось около 37 триллионов клеток, решивших работать в команде и стать чем-то большим, чем просто сумма участников. За всем этим стоят миллиарды лет развития.

А ведь такое объединение потребовало от клеток определенных жертв. Одноклеточный организм вправе использовать все имеющиеся в его распоряжении гены. А вот клеткам, объединившимся с целью создания этого чудесного существа, которое роется в карманах своего трико с вытянутыми коленками в поисках мелочи, пришлось отказаться от такого права, во всяком случае от значительной его части. Каждая специализированная клетка в организме согласилась с тем, что отныне будет использовать только ту часть своих генов, которая необходима для выполнения ее функций. Все остальные гены надлежит игнорировать. Клетка превращается в крошечное колесико гигантской машины. Она не может размножаться, когда ей вздумается. Если повезет, клетке позволят произвести несколько делений в самом начале, чтобы обеспечить организму начальный рост или устранить повреждение и восполнить нехватку тканей. Но в основном организм нашего чудесного покупателя является для большинства клеток тупиковым путем. Шанс, что какая-то из его клеток станет новым человеком, составляет приблизительно 1,4 к 37 триллионам – если исходить из того, что в немецких семьях насчитывается в среднем 1,4 ребенка (но, глядя на этого типа с его пивом, можно прийти к выводу, что в его случае шансы еще меньше).

Клеткам в составе организма индивидуализм противопоказан. Но что будет, если личные желания все-таки возобладают и какая-то клетка решит вспомнить свои былые одноклеточные времена и начнет делиться, как и когда ей заблагорассудится? В этом случае она превратится в смертельную угрозу для всего организма. Возникнет рак. Удивительно, что наши клетки вообще способны выжить за пределами отведенной для них роли. Ведь они распрощались со своей свободой еще в незапамятные времена. И все же под тонкой оболочкой генов, которые дали клятву «один за всех и все за одного», всегда найдется воин-одиночка. Это не значит, что вырожденная клетка может существовать самостоятельно, как одноклеточный организм. Ей по-прежнему нужен организм, снабжающий ее всем необходимым, но теперь она уже не часть команды, а паразит. Однако стремление клетки-одиночки к свободе сильно затруднено, потому что ставки в игре очень высоки.

Прежде чем клетка выродится, в ее геном должна проникнуть ошибка, а клетка предпринимает все возможное, чтобы этого избежать. Для этого используются хитроумные копировальные машины ДНК (полимеразы) и сложные ремонтные системы, которые поддерживают целостность ДНК. Но, несмотря на все усилия, изменения в наследственном материале все-таки возможны.

Впечатляющим примером изменения клеток служат родимые пятна, состоящие из клеток с мутировавшими генами. Кроме того, родинки доказывают, что генетическая ошибка в отдельных клетках не всегда сразу приводит к раку.

Велика ли опасность? Все зависит от того, насколько важные гены подверглись мутации. Если речь идет о раке, то это главным образом два вида генов: протоонкогены и гены-супрессоры опухолей. Две данные группы можно сравнить с водителем и инструктором по вождению.

Одна клетка организма похожа на спортивный автомобиль, стоящий в пробке. Она плотно зажата между другими клетками ткани. За ее рулем сидят протоонкогены, совместными усилиями контролирующие двигатель размножения клеток и постоянно держащие ногу над педалью газа, чтобы при необходимости сразу запустить процесс деления. Но в сформировавшемся организме такой необходимости, разумеется, нет. В качестве дополнительной страховки на соседнем пассажирском сиденье сидят гены-супрессоры, подавляющие развитие опухоли, которые, подобно инструктору, следят за тем, чтобы размножение клетки не вышло из-под контроля. У них под ногами расположена большая тормозная педаль и автогенный резак. До поры до времени все идет хорошо. Все ведут себя разумно, обстановка спокойная. Светит солнце, жарко, пахнет соляркой и разогретым асфальтом. И вдруг в наследственном материале клетки что-то меняется – как всегда, абсолютно случайно и неожиданно. Если мутация затрагивает гены, потеющие на водительском сиденье, спокойный и выдержанный протоонкоген (ген-предшественник рака) внезапно превращается во взбесившийся онкоген (раковый ген), который, не обращая ни на что внимания, вдавливает педаль газа в пол. В таком состоянии клетка могла бы начать неконтролируемый процесс деления и ввергнуть в хаос все прилегающие ткани, если бы рядом с водителем, которого одолевает идиотский смех, не сидели гены-супрессоры. Они образуют сеть, постоянно контролирующую клетку и вмешивающуюся, если в процессе ее размножения что-то начинает угрожать самой клетке и организму в целом, как в описанном выше случае. Мотор деления клетки взвывает и готов уже разогнать машину, но гены-супрессоры давят на педаль тормоза. Деления не происходит.

В такой ситуации гены-супрессоры делают то, на что настоящий инструктор по вождению вряд ли пошел бы: тяжело вздохнув, они достают из-под сиденья автогенную горелку и разрезают всю машину на части, то есть обрекают клетку на смерть посредством апоптоза. Как видите, для того, чтобы превратить нормальную клетку в раковую, одной мутации недостаточно. Требуется, как минимум, еще одна, которая выводит из строя супрессоры прежде, чем они успевают вмешаться. Для многих видов рака этот процесс в реальности выглядит сложнее. По некоторым оценкам, требуется не менее шести критических мутаций в различных генах, прежде чем ситуация выйдет из-под контроля и клетка начнет делиться без оглядки на последствия. Но даже если такое произойдет, нельзя считать, что организму пришел конец, поскольку иммунная система неустанно ищет клетки, выбившиеся из общего строя, а когда находит, изымает их из обращения. На самом деле наша иммунная система каждый день уничтожает клетки, сошедшие с пути истинного.

Таким образом, возникновение рака зависит от множества различных факторов: насколько хорошо работают гены, отвечающие за ремонт ДНК и контроль за ростом клеток; насколько эффективна иммунная система; какие воздействия испытывает ДНК. Все эти аспекты влияют на вероятность заболевания раком. Но речь идет лишь о вероятности, то есть от того, повезет или нет. У курильщика со стажем шанс заболеть раком легких выше, чем у аскета, живущего в Гималаях и питающегося приготовленными на пару овощами и рисом. Тем не менее человек может курить на протяжении 70 лет (да к тому же еще сигареты без фильтра) и жить себе преспокойно, как один из наших бывших канцлеров. Но строить свои жизненные планы, основываясь на подобных надеждах, было бы неосмотрительно.

Естественно, собственное здоровье интересует нас больше всего, но рак встречается не только у человека, и в мире животных эта болезнь связана с некоторыми удивительными фактами. Если проследить частоту заболеваемости раком у различных видов млекопитающих, то можно констатировать, что она неодинакова. Чем больше животное по размеру, тем ниже вероятность заболеть. Среди мышей от рака умирает почти половина (если до этого они не попадутся коту на завтрак), у человека частота заболеваемости составляет 12,5 процента, а у слона – только 3. И это странно, поскольку тело крупных животных состоит из большего числа клеток. Следовательно, шансы на возникновение подобных проблем у них должны быть выше (хотя бы потому, что, пока животное вырастет, его клеткам приходится делиться чаще и дольше, а это повышает вероятность ошибок). Кроме того, по мере увеличения размера растет и средняя продолжительность жизни. Если мышь, как правило, живет не больше двух лет, то слоны достигают возраста 50 и более лет. Киты тоже являются не только гигантами, но и долгожителями. Откуда нам это известно? Мы и сегодня еще встречаем китов, в теле которых застряли гарпуны Викторианской эпохи. Серые киты, живущие у побережья Гренландии, доживают до 200 и более лет. Люди в этом отношении представляют собой биологический курьез: мы живем значительно дольше, чем можно было бы ожидать, исходя из размеров тела. Но против этого вряд ли кто-то будет возражать.

Все эти факторы: количество делений клеток, число самих клеток и продолжительность жизни – говорят за то, что шансов заболеть раком у слона должно быть намного больше, чем у мыши. Но на деле все наоборот. Парадокс. Точнее говоря, парадокс Пето, потому что первым, кто обратил на него внимание общественности в 1975 году, был английский статистик и эпидемиолог Ричард Пето.

Почему так происходит? Моя бабушка сказала бы: «Потому, что так положено» – и была бы права. Клеточные системы, предотвращающие рак, должны, в числе прочих обстоятельств, учитывать величину животного и продолжительность его жизни. Если слон будет умирать слишком рано, то это нелепость с точки зрения эволюции. Серому великану требуется продолжительное время, чтобы достичь хотя бы половой зрелости. А мышь достигает ее уже через шесть недель после рождения. Пока мы еще не полностью понимаем, чем регулируется продолжительность жизни, но есть предположения, что клетки крупных животных лучше справляются с ремонтом ДНК и эффективнее уничтожают потенциальные опухолевые клетки. Кроме того, вследствие более медленного обмена веществ в их организме образуется меньше агрессивных соединений кислорода, что помогает гигантам долгое время оставаться молодыми и избегать рака.

Но давайте вернемся к проблеме опухолевых клеток. Еще недавно они усердно работали в коллективе и вдруг превратились в радикальных индивидуалистов, несущих смерть. Начав расти, такая опухоль уже не останавливается и порождает все новые мутации. Из-за уже возникших ошибок возрастает вероятность появления новых. Так протекает эволюция раковых клеток. Они становятся все агрессивнее и в конце концов возвращают себе древнюю способность одноклеточных – делиться до бесконечности.

В случае сильного вырождения опухолевые клетки образуют новые колонии в других частях тела – метастазы. Зачастую это ведет к смерти организма и, как правило, самих раковых клеток.

За исключением стволовых клеток, нормальные клетки организма не обладают способностью к бесконечному делению. С каждым новым делением сгорает, образно говоря, часть фитиля, и в конце концов наступает конец. Роль фитиля выполняют структуры ДНК на концах хромосом, которые носят название теломер. Они нужны нам, поскольку механизмы, копирующие ДНК в ходе деления клетки, не могут дойти до самого конца хромосомы и в результате небольшая часть ДНК каждый раз теряется. Теломеры предназначены как раз для того, чтобы не допустить ситуации, при которой будут потеряны жизненно важные гены. Резерв ДНК пополняется с помощью специального энзима теломеразы, которая заново удлиняет последовательности. Правда, ген для производства этого фермента в большинстве человеческих клеток отключен, что лишает их бессмертия. Таким образом, дни клеток (то есть количество их делений) сочтены. В то же время раковые клетки зачастую способны активизировать производство данного энзима.

Все ли мы рассказали о процессе развития от индивидуальных одноклеточных до сложных организмов? Не совсем. Очень редко, но все же случается, что смерть организма не вызывает смерти опухолевых клеток. Если они своевременно смогут попасть в другой организм, то у них еще есть шанс. Но, даже если это и удается, возникает вторая проблема: срабатывает система защиты организма-хозяина. Как и при трансплантации органов, иммунная система распознает чужеродный материал и вступает в борьбу с ним. То, что трансплантация органов все-таки проводится, объясняется тем, что пересаживаемая ткань подбирается с учетом максимального сходства с тканью реципиента. Кроме того, активность иммунной системы дополнительно подавляется с помощью медикаментов.

На сегодняшний день известно четыре случая из мира животных, когда опухоли удавался такой невероятный трюк. В их число входит трансмиссивная венерическая опухоль собак, передающаяся половым путем. Генетические исследования этой опухоли показали, что ей уже около 11 тысяч лет, и с тех пор она передается от одной собаке другой.

На этом наша драма заканчивается. Круг замыкается: от одноклеточного – к сложному многоклеточному организму и обратно.

КОНЕЦ

(занавес опускается до следующий главы)

Глава 7

Танцы высших животных

В этой главе мы расскажем о генах, достигающих Нептуна, о поющих ученых и ожесточенных спорах относительно того, кому, собственно, принадлежит человеческий геном.

Вы что, серьезно?

– Абсолютно. Все в точности, как заказывала та милая дама.

– И у вас нет ничего другого?

– Тот, кому нужно другое, своевременно оформляет заказ.

– Но ведь на улице 30 градусов жары!

– Тогда постарайтесь не потеть, потому что в противном случае вскоре будете пахнуть как вымокший ротвейлер, – протянув сверток через прилавок, он строгим голосом добавил: – Вернете завтра ровно в двенадцать, и чтобы в чистом виде!

Затем он скрылся в подсобном помещении. Я смиренно взял сверток, вышел из душного помещения и оказался под палящим солнцем. Тетя Хедвиг, интересно, о чем ты думала?

– И о чем же ты, интересно, думала? – спросил я тетушку, придя домой.

– Я думала о том, что ты обещал своей тете сегодня вечером отвести ее на бал-маскарад, а у тебя до сих пор нет костюма.

– Но костюм гориллы в самый разгар лета?

– Девиз бала – «Высшие животные», а гориллы относятся к приматам. Выше в мире животных ничего нет. Поэтому кончай ныть и переодевайся. Сейчас подъедет такси.

Таксист высаживает нас на площади возле ратуши. Он непрерывно хихикал с того самого момента, как мы сели в машину. Ну ничего, когда он не получит чаевых, веселье у него быстро пройдет.

– Тринадцать пятьдесят, – говорит он.

Я протягиваю ему двадцатку, которую на протяжении всей поездки держал в потной обезьяньей ладони. Банкнота слегка влажная. Он достает свой кошелек и начинает рыться там в поисках сдачи, во всяком случае делает вид. Из-за этой маски почти ничего не видно. Я протягиваю руку и вслепую беру что-то, предполагая, что это пять евро. Остальные монеты с громким звоном рассыпаются по всей машине. Безуспешно пытаясь хоть что-то разглядеть, я с гордым видом произношу:

– Можете оставить себе.

– Спасибо, – отвечает он.

Смутно видя, как он поднимает с пола не только монеты, но и пять евро, я недоуменно подношу к прорези для глаз в маске предмет, который держу в руке.

– Можете оставить себе этот освежитель воздуха. Я думаю, вам он нужнее, чем мне.

В конце концов мы оказываемся в очереди перед входом. Перед нами стоит Эйнштейн, за нами – Наполеон. Все понятно: я здесь единственный, кто изображает мартышку. Хедвиг выглядит на удивление нормально. На ней голубая шляпа с широкими полями и подходящий к ней костюм.

– Ты думаешь, тебя пустят без маскарадного костюма? – спрашиваю я с надеждой в голосе.

В ответ она только вздыхает.

Но вот и наша очередь. Тетя Хедвиг протягивает пригласительные билеты. Привратник в черной накидке внимательно смотрит на нее, а затем низко кланяется:

– Я полагаю, ее величество королева Англии?

Хедвиг милостиво улыбается и протягивает ему руку в перчатке. Привратник галантно прикасается к ней губами, и ее величество легкой походкой исчезает в бальном зале. Затем он поворачивается ко мне.

– А кто это у нас тут? – спрашивает он, скрещивая на груди мускулистые руки.

«Уж кто-кто, а ты-то должен был узнать гориллу», – думаю я, но, конечно, не произношу этого вслух.

– Ну? – не отстает он, поигрывая мышцами на груди.

– Принц Гарри, – отвечаю я.

Он внимательно смотрит на мохнатый мешок, в котором я стою перед ним.

– И вы намерены проходить так весь вечер?

– Похоже, что да, – с вызовом отвечаю я.

Он пожимает плечами.

– Что-то от вас слишком несет зеленым яблоком.

– Поверьте, это еще не худший вариант, – бормочу я и прохожу мимо него.

Весь остаток вечера я торчу возле буфета, а Хедвиг танцует со всякими знаменитостями. Я стараюсь как можно меньше двигаться, потому что мне нестерпимо жарко. Конечно, можно было бы снять маску, но, если меня узнают в таком одеянии, это еще хуже, чем сауна в звериной шкуре. Кроме того, если тебя принимают за гостя, задержавшегося здесь после вечеринки в стиле джунглей, то можно увидеть много любопытного. Например, сильно подвыпившего Стива Джобса в черной водолазке и джинсах, который пытается надкусить все яблоки в буфете. В конце концов я сжалился над ним и помог Биллу Гейтсу засунуть его в большую урну для бумаг, а затем оттащить на балкон. А потом мы еще и заперли балконную дверь, чтобы он там отошел немножко. В общем, вечер удался.

Давайте взглянем фактам в лицо: у тети Хедвиг есть свои причуды. Или, выражаясь более изящно, она особенная. Но ведь каждому человеку свойственно что-то особенное. Как-никак, мы безусловные повелители этой планеты. Мы кучами истребляем животных и шьем теплые костюмчики для зябнущих маленьких собачек. Мы сжигаем леса, освобождая место под пашни, и отвоевываем новые земли у моря. Мы добрались до самых отдаленных уголков планеты в надежде открыть там закусочные быстрого питания и оставили там свой мусор. Животные себя так не ведут. Они потихоньку жуют траву (или какую-нибудь газель) – и довольны этим.

Но почему так происходит? Почему гориллы в зоопарке живут по ту сторону заграждения, где каждый день бесплатно раздают бананы, а мы – нет? Чем мы от них отличаемся?

Последний вопрос занимает нас, пожалуй, с тех самых пор, как появилось человечество. Мы представляем это себе примерно так: субботний вечер в каменном веке, на часах 20:15. Все лежат, сытые и ленивые, возле потрескивающего огня. На ужин у них мамонт по-охотничьи – снаружи подгоревший, внутри сырой. Все беззаботны и счастливы, ни у кого никаких проблем. Но тут появляется какой-то дядечка, живущий в племени примаком, и спрашивает: «А откуда мы взялись? И почему мы такие умные?» Все недоуменно смотрят на него, и впервые на прекрасных гладких лбах охотников появляются морщины от раздумий. С беззаботностью покончено. «Ну вот, как всегда, все испортил», – ворчит вождь племени.

С тех пор подобные вопросы задавались неоднократно, и к ним существует множество разных подходов: религиозный, философский и, разумеется, маркетинговый. Удастся ли найти ответ, устраивающий всех? Неизвестно. Но, если отвлечься от названных выше подходов и сосредоточиться исключительно на чистой биологии, можно с большой долей вероятности прийти к одному выводу: то, что делает нас особенными, должно быть заложено в наших генах.

Но что именно хранится в этих генах? На данный вопрос ответить еще труднее. Давайте проведем небольшую генетическую инвентаризацию. Обычно наши клетки содержат два набора по 23 хромосомы в каждом. Каждый набор состоит приблизительно из 3,2 миллиарда пар оснований (пара оснований соответствует «ступеньке» в спирали ДНК). Может показаться, что это много, да так оно и есть. Если все хромосомы одной клетки связать друг с другом и вытянуть в одну тонкую нить, ее длина составит около 2,2 метра.

К еще более невероятным результатам мы придем, если попытаемся выяснить общую длину ДНК человека. Если исходить из того, что у нас в организме 37 триллионов клеток, то общая длина составит 81,4 миллиарда километров. Это в 544 раза превышает расстояние от Солнца до Земли и в 18 раз – от Солнца до Нептуна. Чтобы преодолеть такую дистанцию, световому лучу потребуется больше трех дней.

Это просто поразительно. Естественно, долгое время мы исходили из того, что количество генетического материала отражает сложность живого организма, то есть у бактерии – маленький геном, у лягушки – побольше, а у человека, являющегося венцом творения, – самый большой. Но, как оказалось, у Homo sapiens далеко не самый большой геном. Мы можем претендовать на первое место только в номинациях «огромное эго» и «завышенная самооценка». По объему наш наследственный материал мало чем отличается от других млекопитающих, а обладателем абсолютного рекорда является мраморный протоптер, относящийся к отряду двоякодышащих, геном которого в 40 раз больше, чем у человека.

Это тяжелый удар, и нанесла его примитивная рыба, которая с незапамятных времен практически не меняется. Какой вывод можно из этого сделать? Наша теория была неправильной. Величина – не самое главное. Возможно, все дело в том, что можно сделать из генома. В этом-то люди наверняка находятся на лидирующих позициях!

Но сколько у нас всего генов? И как они выглядят? Подобные вопросы опять-таки мог бы задать тот самый настырный дядечка из племени. Первая попытка оценить величину человеческого генома была сделана в 1964 году, и ученые получили невероятную цифру – 6,7 миллиона генов, что их сильно озадачило. В течение двух последующих десятилетий, когда они несколько лучше узнали структуру генов, это количество сократилось примерно до 100 тысяч. В середине 1980-х годов некоторые исследователи задумались о том, чтобы полностью расшифровать последовательность человеческой ДНК. В ходе этой работы планировалось идентифицировать и все гены. В первых рядах был ученый, которого вы уже знаете как первооткрывателя двойной спирали ДНК, – Джеймс Уотсон.

Но как подойти к этому проекту? Уотсон выступал за то, чтобы читать наследственный материал как приключенческий роман, – от начала до конца, не пропуская ни захватывающих эпизодов, ни скучных и длинных описаний ландшафта, от которых даже у видавших виды географов слезы на глаза наворачиваются. Ему нужно было все сразу. Ведь речь шла о нашем геноме, нашей биологической идентичности. Но не все коллеги были в восторге от подобной идеи. Многие считали, что к этой работе надо подходить как к экранизации романа, где основное внимание уделяется ярким моментам, в частности последовательностям, кодирующим производство белков. Такой метод будет интересен и с медицинской, и с финансовой точек зрения. Конечно, он экономит время и силы, но выигрыш в научном плане при этом снижается. Ведь те области генома, которые на первый взгляд не представляют никакого интереса, могут содержать в себе вещи, о которых мы даже не догадывались.

В конце концов верх одержали сторонники приключенческого романа, и все принялись за планирование монументального проекта. Предполагалось, что он станет самым крупным в истории биологии. В нем должны были участвовать сотни исследователей из различных институтов США (а затем и многих других стран).

В 1990 году был окончательно дан зеленый свет, и проект «Геном человека» официально стартовал под руководством Джеймса Уотсона. Мир в радостном ожидании и нетерпении размахивал разноцветными флажками. Но в первое время, точнее говоря в течение первых нескольких лет, вообще ничего не происходило. Конечно, проект был очень амбициозным. Самые большие расшифрованные к тому времени геномы принадлежали крошечным вирусам и состояли из нескольких тысяч пар оснований. Теперь же на очереди был человек с его 3,2 миллиарда пар оснований. Это можно было сравнить с покорением Эвереста. Как и в случае с высочайшей горой, здесь требовалось долгосрочное планирование. Сначала необходимо было усовершенствовать методику расшифровки последовательностей, создать базы данных, написать программы для их обработки. Нужна была карта, позволяющая ориентироваться в человеческом геноме, потому что только так можно было выяснить, в какое место генома определить найденную последовательность. Лишь после этого можно было приступать собственно к расшифровке генома. В целом проект был рассчитан на 15 лет, и на него был выделен бюджет в размере 3 миллиардов долларов.

Одним из биохимиков, которого не устраивали слишком медленные темпы работы, был доктор Крейг Вентер из Национальных институтов здравоохранения (НИЗ), ставших штаб-квартирой проекта. Вентер изучал нейротрансмиттеры – сигнальные вещества, передающие возбуждение от одной нервной клетки другой. К тому времени он уже два года безуспешно искал соответствующие гены на одном из участков 19-й хромосомы и считал, что ход работ необходимо ускорить.

Решение проблемы пришло к нему во время ночного полета на самолете над Тихим океаном: а что, если попытаться искать последовательность генов нейротрансмиттеров не на необъятных просторах всего генома в целом, а в молекуле мРНК, с помощью которой строится клетка, то есть в последовательностях, которые действительно содержат информацию о белках? Правда, чтобы добраться до интересующих последовательностей, необходимо было перевести РНК в ДНК, но это не представляло проблемы, поскольку такая методика была разработана уже в семидесятые годы. Затем нужно было отделить друг от друга переведенные по-разному фрагменты, но и это было технически осуществимо. А потом надо было просто исследовать одну последовательность за другой. Короче говоря, этот замысел мог сработать. За такую идею стоило выпить двойной томатный сок – со льдом!

Спустя несколько месяцев, в 1991 году, Вентер и его сотрудники опубликовали информацию о своем новом методе в журнале Science. В приложении к статье демонстрировались найденные с его помощью 600 последовательностей, которые имели отношение к производству белков человека. Метод получил название экспрессированной маркерной последовательности (EST – Expressed Sequence Tags). Правда, эти последовательности содержали в себе не весь план строительства – исследователи не стали себя этим утруждать, – но новые данные выглядели впечатляюще: 337 последовательностей оказались совершенно новыми. Вентер одним махом увеличил количество известных к тому времени 3 тысяч человеческих генов более чем на 10 процентов.

Людям, считающим Крейга выдержанным и спокойным человеком, даже взбешенный слон покажется милой зверюшкой, а про аллигатора они скажут, что он «всего лишь хотел поиграть».

Вентер вырос в Сан-Франциско в семье бывшего мормона, которого выгнали из общины за то, что он курил и пил кофе. С юных лет у Крейга было очень сложное отношение к любым авторитетам. Он не мог похвастать особыми успехами в школе. Правда, никто не отрицал его способностей, но Вентер был упрямым и дерзким. Время от времени он отказывался писать контрольные работы, что, разумеется, не улучшало его отношений с учителями. Когда его любимому учителю Гордону Лишу грозило увольнение за антиамериканскую деятельность (он не стоял по стойке смирно, произнося клятву верности американскому флагу и народу), Вентер организовал демонстрацию, из-за которой школа не работала в течение двух дней. В конце концов его вызвали к директору. «Видимо, вы получаете у господина Лиша только отличные оценки», – раздраженно заметил директор. «Нет, – ответил Вентер, – одни колы, но я их заслуживаю».

После школы Вентер получил повестку из призывного участка и пошел служить на флот. Это было во время вьетнамской войны. Здесь тоже не обошлось без проблем: он дважды получал взыскания за невыполнение приказов, в частности за отказ подстричься. Во Вьетнаме он выполнял должность санитара в одном из военных госпиталей. Работу тяжелее трудно было придумать. У него на руках умерли сотни больных и раненых солдат, а он был бессилен что-либо сделать. Но Вентера это не испугало. Напротив, он решил посвятить себя медицине. Вернувшись в США, Крейг закончил университет и стал ученым.

И когда связка альпинистов, карабкавшихся на Эверест в рамках проекта «Геном человека», добралась до верхней кромки леса, они увидели вертолет, направлявшийся в сторону вершины, с борта которого им весело махал рукой Крейг Вентер. Можете себе представить, как был «обрадован» Уотсон, поняв, что методика Вентера позволяет работать «быстрее, легче, соблазнительнее» (именно этими словами магистр Иода в сериале «Звездные войны» характеризует темную сторону силы). Это заимствование тем более уместно, что Крейг получил от своих противников прозвище Дарт Вентер.

По мере того как метод Вентера приобретал известность, возникал вопрос, почему многие миллионы долларов были потрачены на установление всех последовательностей генома, если с помощью EST можно было быстро и дешево выбрать самое ценное и интересное. Уотсон почувствовал угрозу для своего проекта. Более того, руководительница НИЗ Бернадин Хили заявила, что хочет запатентовать метод Вентера, чтобы «стимулировать американскую экономику».

Уотсон был вне себя! Он вместе с командой исследователей работал не щадя себя, а тут НИЗ пытаются втихомолку стибрить лучшие куски со стола. Даже самые глупые грабители банков надувают своих сообщников после удавшегося налета, а не во время его. Кроме того, он и многие другие ученые полагали, что расшифрованный геном человека должен быть достоянием всего человечества.

Уотсон начал борьбу против EST и особенно против идеи его патентования. Он заявил, что этот метод не позволит выявить правильные последовательности генома и что с его помощью можно найти только те гены, которые производятся мРНК.

И в этом Уотсон был, в общем-то, прав. В разных типах клеток вырабатываются разные белки, в связи с чем мРНК для многих белков можно найти далеко не в каждой клетке. Даже клетки, производящие нужный белок, необязательно заняты этим круглосуточно. В зависимости от потребностей они могут включать и выключать гены, а если ген выключен, то он становится невидимым для метода Крейга. Кстати, многие важные функции, управляемые генами, также не имеют отношения к мРНК и потому недоступны для EST.

В ходе сенатских слушаний Уотсон выступил с докладом. Многие слушатели не явились, но Вентер не мог проигнорировать приглашение. Уотсон заявил, что, во-первых, в методе Вентера вообще нет ничего нового и что он всего лишь по-новому скомпоновал известные вещи. А во-вторых, сказал он, «любая обезьяна» в состоянии повторить действия Вентера. Возможно, именно поэтому Вентер больше никогда не посылал своему коллеге Уотсону поздравлений с Рождеством.

Обмен ударами между Хили и Уотсоном со временем тоже все больше ожесточался и становился достоянием общественности. Правда, позиции Уотсона поначалу были сильнее, потому что в 1992 году патентное ведомство отклонило заявку на патентование EST, но руководство НИЗ подало апелляцию и приложило к заявке новые дополнения. Помимо всего прочего, Хили предъявила Уотсону обвинение в том, что он пытается обеспечить преимущество при распределении бюджетных средств фирмам, акционером которых является. Уотсон отрицал это и, в свою очередь, обвинял Хили в том, что она всего лишь хочет рассчитаться с ним за критику намерений запатентовать EST. В апреле 1992 года Уотсон в конце концов отчаялся и вышел из проекта.

Всего три месяца спустя Вентер, тоже находящийся не в лучшем расположении духа, покинул НИЗ и основал собственный Институт исследований генома (TIGR – The Institute for Genomic Research), чтобы продолжить работу над EST, но на этот раз в кооперации с промышленностью, которая должна была обеспечить результатам коммерческую отдачу. Бернадин Хили тоже недолго задержалась на своей должности. Менее чем через год она получила известие от новой администрации Билла Клинтона, что Национальные институты здравоохранения нуждаются в новом руководителе от Демократической партии (сама она была республиканкой и получила этот пост при Буше).

Прежде чем покинуть НИЗ, Бернадин Хили успела назначить генетика Фрэнсиса Коллинза на должность Джеймса Уотсона. Из истории с получением патента на метод EST так ничего и не вышло. Преемники Хили после 1994 года даже не предпринимали таких попыток. Вообще-то весь конфликт мог затихнуть сам собой, если бы в 1998 году Крейг Вентер снова не вышел на авансцену. Он сообщил своим бывшим коллегам, что основал собственную компанию, которая тоже ставит перед собой задачу расшифровки человеческого генома, но только дешевле и быстрее, чем в рамках основного проекта. Это было объявление войны.

Во время работы в Институте исследований генома Вентер занимался не только последовательностями человеческого генома, но и наследственным материалом бактерий Haemophilus influenzae и Mycoplasma genitalium. По первому проекту Крейг получил задание от НИЗ и даже представил отчет, каким образом он собирается строить работу. Однако руководство НИЗ уже через несколько месяцев отклонило его с тем обоснованием, что это невыполнимо с использованием предлагаемых методов. Правда, Вентер к этому моменту уже почти закончил всю работу… Очевидно, руководство НИЗ ошиблось. Завершив проект Haemophilus influenzae,Вентер расшифровал и геном Mycoplasma genitalium. В честь этого события он заказал майки с надписью на груди «Я люблю свои genitalium». Возможно, он и не планировал такой двусмысленности, но, скорее всего, это был очень элегантный метод показать своим конкурентам средний палец.

И проект «Геном человека» принял вызов. Правда, работы велись уже восемь лет, и, несмотря на то что расшифрованных последовательностей было пока не так уж много, была создана превосходная основа для дальнейшей деятельности. Теперь процесс можно было значительно ускорить. Ни в коем случае нельзя было допустить, чтобы Вентер опередил их и к тому же запатентовал свои результаты или присвоил их каким-то другим способом.

Между общественным проектом и компанией Вентера разгорелась ожесточенная битва. Вентер делал ставку на скорость своего метода, который получил название «двуствольный дробовик». С его помощью человеческий геном разбивался на мелкие случайные осколки, в которых затем осуществлялся процесс определения последовательностей нуклеотидов (секвенирования). При этом Вентер значительно экономил время на трудоемком составлении картографии генома. Последующее соединение разрозненных фрагментов в единое целое он доверил крупнейшему на тот момент суперкомпьютеру гражданского назначения.

Никто не собирался оказывать друг другу помощь. Ситуация становилась все более некрасивой и к тому же приобретала политический характер. В конце концов в нее вмешался президент Клинтон, предложив свои посреднические услуги. На короткое время наступил мир. В 2001 году противоборствующие стороны собирались совместно опубликовать первые черновые результаты исследований. Но стоило только Клинтону отвернуться, как вновь начались распри: стороны обвиняли друг друга в плохом качестве работы.

В конце концов публикации с почти полным описанием человеческого генома вышли по отдельности и почти одновременно: одна – в журнале Science, а другая – в Nature. Разумеется, каждая из сторон праздновала победу. В 2003 году было официально объявлено о закрытии проекта – на два года раньше намеченного срока. Возможно, этим мы во многом обязаны Крейгу.

Но, как говорится, конец – это только начало. Как только первые геномы команды Вентера и общественного проекта легли на стол, перед исследователями встала новая задача. Если первоначально секвенированию подвергалась смесь геномов, взятых от различных людей, чтобы получить некий обобщенный геном, то теперь всем хотелось расшифровать геном конкретного человека. Первым, как вы уже наверняка догадались, стал Крейг Вентер.

Он заявил, что создаст для этого новый институт, но, в отличие от всех предыдущих проектов, расшифровке будут подвергнуты оба набора хромосом. На решение данной проблемы Крейг отвел четыре года и 100 миллионов долларов. И этот план был выполнен. Правда, его геном стал не первым геномом конкретного человека, подвергшимся секвенированию. Вентера опередил научный проект «Джим», осуществленный фирмой 454 Life Sciences, который расшифровал наследственный материал его старого конкурента Джеймса Уотсона.

За этими проектами последовали и другие. Среди них был геном Фрэнсиса Коллинза. В 2008 году был дан старт проекту «1000 геномов». Для него были собраны образцы ДНК со всех концов мира, чтобы лучше понять различия, существующие между людьми.

Фрэнсис Коллинз был не только директором проекта «Геном человека», но еще и певцом и гитаристом музыкальной группы сотрудников НИЗ Directors, нередко выступавшей на различных научных конгрессах. Случались и сольные выступления Коллинза, аккомпанировавшего себе на гитаре, которая была украшена изображением двойной спирали ДНК. Группа исполняла переделанные на научную тематику песни в стиле фолк, госпел и рок-сонг. Неудивительно, что статью, посвященную расшифровке генома, Коллинз закончил строфой из песни, которая отражала настроения всех участников команды. Им удалось победить в гонке и не допустить заявлений типа «Эта часть вашей ДНК является моей собственностью». Геном был открыт для всех, принадлежал всем, и ознакомление с ним было бесплатным. Все эти мысли легли на мелодию известной песни «Эта страна была создана для тебя и меня».

И что же выяснилось в ходе исследований? Если в двух словах, то на сегодняшний день известно, что генетические различия между разными людьми составляют не более 0,17 процента и что последовательность генов действительно может подсказать нам, что для данного человека, к примеру, велик риск заболеть раком груди, сердечно-сосудистыми заболеваниями или старческим слабоумием. Но наш геном раскрывает свои карты пока не в полной мере. На сегодняшний день его уместнее всего сравнить с Дельфийским оракулом, который позволяет заглянуть в будущее, но оставляет много места для различных интерпретаций.

Но вернемся к основному вопросу: сколько же генов содержит наш наследственный материал? Пока мы вам этого не скажем, так как на очереди еще одно небольшое отступление. Перенесемся в Нью-Йорк 2000 года. В баре сидят два человека: Фрэнсис Коллинз и специалист по биоинформатике Эван Бирни. Они прослушали сегодня кучу докладов и приняли участие в большом банкете, а теперь заняты вопросом, который, собственно говоря, был главным на конференции. Пропуская одну рюмку за другой, они дискутируют о жизни, о генах и науке. Вероятно, это выглядело примерно так:

Коллинз (внимательно рассматривает пустые рюмки на столе и о чем-то размышляет).

Бирни: Ну, так сколько их, по-твоему?

Коллинз (все еще не отрывая глаз от рюмок): Я думаю… четыре.

Бирни: Нет, это, пожалуй, слишком заниженная оценка. Их должно быть больше.

Коллинз (пытаясь сосредоточиться): Нет, все-таки четыре. Совершенно точно.

Бирни: Готов поспорить, что где-то ближе к 50 тысячам.

Коллинз (в недоумении): Что?

Бирни: Я имею в виду количество генов в человеческом геноме.

Коллинз: А, я думал, ты считаешь пустые рюмки… Гм, да, возможно, и 50 тысяч.

Бирни: Так не пойдет. Ты должен назвать другое число. Смотри, я ставлю один доллар и говорю, что их… 49 551.

Коллинз: Хорошо, а я тогда скажу 48 011.

Бирни: Я думаю, это надо записать.

Коллинз: Пожалуй, ты прав.

Бирни достал старенький замызганный блокнот и записал условия спора. В докладе, который он делал на следующий день, прозвучала и информация о заключенном пари. Каждый, кто хотел к нему присоединиться, должен был озвучить свой вариант. Ставки принимались следующим образом: сегодня – 1 доллар, в 2001 году – 5 долларов, а в 2002-м – целых 20 долларов. Объявление имени победителя должно было состояться после окончания проекта, запланированного на 2003 год.

Это было не первое пари подобного рода. Такие традиции в среде ученых существуют издавна. Кто начал первым, уже неизвестно, но в 1600 году астроном Иоганн Кеплер поспорил со своим научным соперником датчанином Кристианом Лонгомонтаном, что вычислит орбиту Марса за восемь дней! Правда, в конечном счете для этого потребовалось почти пять лет, но ведь Эйнштейн не зря утверждал, что время – понятие относительное.

К выигрышу ученые относятся несерьезно. На первом плане для них всегда сам предмет спора. Именно поэтому среди ученых много людей, которые доказали свою правоту, но не разбогатели на этом. Тем не менее проигрыш пари – долг чести! Когда физик Стивен Хокинг после пятнадцатилетней дискуссии признал свое поражение перед американским коллегой Кипом Торном (речь шла о том, является ли объект Х-1 в созвездии Лебедя черной дырой), то сразу передал ему предмет залога – годовую подписку на мужской журнал Penthouse (говорят, что миссис Торн не выразила восторга по этому поводу).

Однако иногда к научным пари подходят серьезно и организованно. Американский некоммерческий фонд X-Prize в 2006 году обещал премию в размере 10 миллионов долларов тому, кто сможет за 30 дней расшифровать геномы ста человек, достигших возраста ста лет, причем стоимость одного секвенирования не должна превышать тысячу долларов. Но прежде, чем вы броситесь собирать образцы крови у своих пожилых соседей, мы должны сообщить вам, что этого приза больше не существует. Проект был остановлен в 2013 году. И дело не в том, что все столетние старцы повыбрасывались из окон или куда-то пропали. Просто организаторы акции недооценили то, с какой скоростью будет развиваться техника секвенирования. По состоянию на 2016 год расшифровка генома конкретного человека стоит около тысячи долларов (данные НИЗ).

Но вернемся к нашему пари. Букмекером без долгих раздумий был назначен Дэвид Стюарт, отвечавший за организацию ежегодной весенней научной конференции. Он словно зеницу ока берег синий журнал для лабораторных записей со ставками участников. Ставки не принимались ни по телефону, ни через интернет, а заносились в журнал каждым участником собственноручно, так как Дэвид Стюарт опасался, что в его действиях будет обнаружено какое-нибудь нарушение правил организации азартных игр. В итоге в пари участвовало более 400 человек, в том числе все светила науки, включая Джеймса Уотсона (который указал 73 210 генов). В качестве добавки к призовому фонду Уотсон щедро добавил от себя собственноручно подписанный экземпляр своей книги «Двойная спираль».

Стоп!

Прежде чем читать дальше, сделайте свое предположение. Миллион? Сто тысяч? Десять тысяч? Чтобы дать вам какой-то ориентир, сообщим, что известный на тот период геном червя Caenorhabditis elegans насчитывал около 19 тысяч генов, а мухи дрозофилы – около 13 600 генов. Прикинули? Тогда двигаемся дальше.

Победительницей в споре оказалась биоинформатик из Сиэтла Ли Роуэн. Сделанное ею в 2000 году предположение могло показаться на тот момент чуть ли не оскорбительным: каких-то 25 947 генов. Меньше не дал никто. Но и это число оказалось слишком большим. Сегодня количество генов человека оценивается примерно в 20 тысяч. В одной публикации 2016 года высказывается предположение, что на самом деле их, скорее, около 19 тысяч. Таким образом, мы оказываемся в одной весовой категории с червячком С. elegans. Могли бы вы такое предположить? Весьма отрезвляющий факт.

Кроме того, наши гены во многом совпадают с генами других млекопитающих, а некоторое количество входит в своего рода базовый набор, имеющийся у всех многоклеточных существ. Так что то, что отличает нас от братьев наших меньших, – это на самом деле лишь тонкая корочка глазури на пирожном.

Остается вопрос: что же все-таки делает нас царями природы? Ответ на него одновременно прост и сложен: те различия, которые мы обнаружили между геномами людей и животных. Правда, очень трудно установить, какие из этих различий действительно имеют решающее значение.

Поэтому давайте до максимума упростим задачу и сравним наследственный материал человека с геномом нашего самого близкого из живущих ныне родственников – шимпанзе. Если рассмотреть все последовательности нуклеотидов одну за другой, можно обнаружить большое сходство. Какие-то отличия демонстрируют в среднем лишь менее двух элементов из ста. Точные цифры привести затруднительно, потому что неизвестно, кого именно мы будем сравнивать: Пого с Джеймсом Уотсоном или Чарли с Дитером Боленом? Люди отличаются друг от друга точно так же, как и шимпанзе. В противном случае мы все выглядели бы одинаково, что крайне неудобно.

Сегодня в мире насчитывается около 200 тысяч шимпанзе. Это значит, что угроза их вымирания очень велика. Нас же примерно 7 миллиардов, и о вымирании речи не идет. Скорее, мы сами представляем большую угрозу для других видов. Правда, весьма незначительное разнообразие наших ДНК может служить признаком того, что так было не всегда. Предполагается, что несколько десятков тысяч лет назад наши предки находились на грани исчезновения. Причина этого не совсем ясна. Возможно, сказалось извержение супервулкана Тоба на Суматре (и его климатические последствия), но данное предположение многими оспаривается. Как бы то ни было, человеческая популяция сократилась до каких-то пары тысяч особей, а вместе с большей частью погибших людей утратилось и наше генетическое многообразие.

В геноме среднестатистического человека по сравнению с геномом среднестатистического шимпанзе 1,23 процента одних «кирпичиков» ДНК заменены на другие. Если сделать поправку на то, что все люди, как и все шимпанзе, чем-то отличаются друг от друга, разница между геномами составит около 1,06 процента. На первый взгляд вроде бы немного, но для генома, насчитывающего 3,2 миллиарда нуклеотидных оснований, это как-никак больше 30 миллионов отличий. Добавим сюда еще пять миллионов участков ДНК, где у нас утеряны или, наоборот, добавлены отдельные фрагменты по сравнению с нашим покрытым шерстью родственником. Это ввергает исследователей в уныние: в целом вроде бы мелочи, но, когда ставится задача среди миллионов различий найти действительно самые значимые, она кажется почти невыполнимой. Но только «почти», поскольку на примере отдельных маленьких фрагментов мы постепенно начинаем понимать, что на самом деле произошло.

Но давайте пока отступим на шаг назад и рассмотрим последние метры нашего собственного эволюционного пути вплоть до сегодняшних дней. Все началось примерно шесть миллионов лет назад в Африке, и было, возможно, так.

Пого вместе со стадом своих лохматых сородичей лениво бредет по джунглям. Солнце только что взошло, становится жарче, с растений испаряется роса, влажность воздуха повышается. Хороший денек! Однако пора бы и позавтракать. Ковыряясь в носу, вожак Пого размышляет, куда бы ему сегодня отвести своих нетерпеливых собратьев: к холмам или на речку. Шлеп! Перезрелый фрукт сваливается ему на макушку, и сок стекает по спине. Стадо ревет от восторга. Гобо издевательски смеется, словно пытается сказать: «Сок такой липкий, что сразу и не отмоешься. Смех да и только!» Но это уже не шутка, а прямое оскорбление царствующей особы. Ведь Пого – босс и подобного поведения не потерпит. Поэтому, как обычно бывает в подобных ситуациях, на злобное ворчание следует аналогичный ответ, и уже через несколько секунд Гобо и еще пара ренегатов спасаются бегством в направлении реки, а Пого ведет своих верноподданных к холмам, стараясь сохранить достойный внешний вид. Правда, то, что его любимая самка Сили пытается слизать сок с его затылка, не слишком ему в этом помогает.

Никто не знает, как там все было на самом деле. Но, во всяком случае, пути наших предков и предков сегодняшних шимпанзе разошлись и начался этап раздельного развития – как в генетическом, так и во многих других отношениях. Изменение, относительно скоро постигшее наших предков, было вызвано мутацией, в ходе которой потерялись два основания в гене MYH16. В результате ген полностью пришел в негодность, вследствие чего мышцы нижней челюсти стали менее сильными и выраженными. Предполагается, что таким образом освободилось дополнительное место в черепе для роста мозга. Кроме того, за счет этого усовершенствовалась моторика нижней челюсти, что способствовало развитию речи. Другими словами, если у тебя слабые мышцы, умей выходить из сложных ситуаций за счет языка – все совершенно логично.

Следующий большой шаг объяснялся, по всей видимости, тем, что наши предки вышли из тени густого леса на просторы саванны. Стоя там и глядя на волнующееся море трав, они наверняка осознали, что саванна резко отличается от леса – ведь здесь было значительно меньше деревьев.

Для эволюции это означало, что предстоит большая работа. Людей надо было поднять с четверенек и поставить на две ноги. Теперь для них важнее было не лазать по деревьям, а уверенно ходить по земле.

Первое правило саванны: там, где меньше деревьев, лучше обзор. Итак, люди встали на задние ноги и научились прямохождению. Стоящий человек быстрее заметит голодную саблезубую кошку и сможет спастись бегством, пока остальные, ничего не подозревая, будут на четвереньках ползать в траве. Эти несколько секунд форы дают солидное селекционное преимущество.

Второе правило саванны: нет деревьев – нет защиты от солнца. Если приходится проводить большую часть дня, расхаживая по открытой местности, то уже вскоре становится жарко. Чтобы избежать теплового удара, надо охлаждаться. Для этого существуют разные стратегии. Кошки и собаки, например, учащенно дышат открытым ртом, а мы потеем. Однако этот способ слабо помогает под густой шерстью. Значит, долой шубу! Мы стали голыми. А потом кто-то понял, что было бы неплохо хоть время от времени чем-то прикрыться от холода, например натянуть на себя шкуру другого животного. Ученые попытались с помощью генетических средств установить, когда люди начали носить одежду, и сравнили генетический материал волосяной и платяной вшей, чтобы выяснить, когда разошлись пути данных видов. Считается, что это произошло более 50 тысяч лет назад, но вполне возможно, что с тех пор прошло и 200 тысяч лет.

В том, что мы остались без шерсти, подозревается ген KRTHAP1, ответственный за производство кератина – главной составной части наших волос. Нам этот ген достался в дефектном состоянии, а у шимпанзе и горилл по-прежнему активен. Остатки у нас волосяного покрова на некоторых участках кожи объясняются тем, что в нашем геноме присутствуют и другие гены, производящие кератин. Волосы на голове у нас тоже подверглись мутации. Правда, после нее волосы не исчезли, а приобрели способность расти до самой смерти. Прическа оказалась хорошей защитой от жары и от холода.

Благодаря всем этим новшествам стало значительно легче переносить жару в саванне. Правда, появилась очередная проблема: под утерянной шерстью оказалась светлая кожа. И это в Африке! Единственным средством от загара с более или менее приемлемым фактором защиты был речной ил. Эволюции пришлось снова вступать в дело, в противном случае ультрафиолетовые лучи быстро превратили бы наших голых предков в хрустящих цыплят, поджаренных на гриле, а ДНК в клетках кожи подверглась бы сильным повреждениям. На помощь пришла усиленная пигментация кожи, которая преграждала путь свету. Однако данное средство оказалось несовершенным, поскольку пигментация породила новую проблему. Дело в том, что ультрафиолетовый спектр солнечного света необходим для выработки в нашей коже витамина D из холестерина, но теперь этот процесс был затруднен.

Оказавшись на лежбище морских котиков, не удивляйтесь, что они время от времени поочередно поднимают свои ласты. Они вовсе не собираются приветствовать вас, а пытаются уловить больше солнечного света для производства витамина D. Поднимая ласты, морские котики делают доступной для света большую поверхность кожи. Конечно, для достижения оптимального результата им стоило бы стоять, балансируя на хвосте, но такая поза для них слишком утомительна.

Столкнувшись с подобной проблемой, наши предки, видимо, сильно опечалились, поскольку дефицит витамина D вызывает депрессию и еще целый букет других недомоганий. Эволюция тяжело вздохнула и вновь отправилась в свою мастерскую. Решение было найдено в виде несколько измененной версии гена, производящего аполипопротеин Е (АпоЕ), который отвечает за транспортировку в организме жирных кислот и жирорастворимых витаминов. Этот новый вариант способствовал лучшему усвоению витамина D из пищи, но в некоторых случаях приводил к повышенному содержанию холестерина в крови.

Теперь надо было найти питание, в котором было достаточно витамина D. Наши предки осмотрелись вокруг: что у нас тут есть вкусненького в саванне?

Третье правило саванны: нет деревьев – смена меню. Ассортимент еды, предлагавшийся нашим предкам на покрытой травой равнине, полностью отличался от того, что попадало им на зуб в лесу. Здесь не было встречающихся на каждом шагу фруктовых деревьев. Необходимо было срочно менять рацион. Будучи всеядными, предки не отказывались ни от чего съедобного, поедая коренья, плоды и т. п. Но главными источниками витамина D являлись мясо и рыба. К сожалению, мясо не склонно было ждать, пока его съедят, и элегантными прыжками уносилось вдаль. В таких условиях даже мыслей о плодотворной дискуссии по поводу витамина D не возникало.

Все изменилось лишь тогда, когда были придуманы приспособления для охоты. А до этого приходилось довольствоваться тем, что удавалось добыть, – падалью и остатками добычи других животных, которых стада голодных голых обезьян отгоняли от трофеев. С кулинарной точки зрения это был не шедевр, поэтому до звезд Мишлена люди додумались значительно позже. Поедание мертвечины являлось опасным и с гигиенической точки зрения. Решающим шагом вперед стало укрощение огня.

Огонь давал тепло, свет и защиту от хищников. А когда удалось овладеть процессом добывания огня, появилась фраза, от которой у многих до сих пор появляется мечтательность во взоре: «Открыт сезон шашлыков!» Наши далекие предки научились жарить и варить мясо. Это не только способствовало улучшению вкусовых качеств, но и убивало потенциально опасные бактерии, а также облегчало пищеварение. Переход на новый рацион питания привел к тому, что наш аппарат усвоения питательных веществ стал меньше, чем у других приматов. Эволюция сэкономила на нем и за счет этого создала ресурсы для развития в других направлениях.

Наряду с увеличением потребления мяса произошли и другие перемены в рационе. Наши предки стали поедать больше продуктов, содержащих крахмал, например корни растений, что со временем привело к генетическим изменениям. Для усвоения крахмала организму требуется амилаза. Гены для производства данного энзима есть и у нас, и у шимпанзе, но у них крахмал играет менее заметную роль в питании, поэтому в ДНК шимпанзе только две копии этого гена, а у людей – 15. Чем больше генов, тем больше вырабатывается амилазы.

В какой-то момент, возможно, именно тогда, когда эволюция решила, что странные голые обезьяны наконец-то приспособились к жизни в саванне, у наших предков возникла идея посмотреть, что скрывается за ближайшим холмом. А вдруг там трава зеленее? А если нет, то, может, стоит поискать за следующим холмом.

Короче говоря, Homo sapiens пустился в путь и начал расселяться по планете. Он одолел и следующий холм, и тот, который был за ним, снова зашел в лес и в конечном итоге прошел всю Африку, после чего отправился дальше. После начальных трудностей примерно 60 тысяч лет назад в Европе и Азии начался расцвет. Правда, здесь наши предки оказались не первыми. За несколько тысячелетий до них в этих регионах поселились представители других видов людей. В Европе и некоторых частях Азии это были Homo neanderthalensis – неандертальцы, названные так в честь города Неандерталь вблизи Дюссельдорфа. Здесь в 1856 году в ходе добычи известняка были обнаружены странные кости, которые сначала выбросили на свалку, но потом передумали и отдали ученым для исследований. Специалисты пришли к выводу, что это останки древних людей!

Линии Homo sapiens и неандертальцев разошлись, по-видимому, 300–400 тысяч лет назад. И вдруг спустя столько лет они вновь оказались лицом к лицу. Одни были коренастыми, другие имели более длинные ноги, но те и другие были весьма озадачены. Неприятная ситуация. Повисла неловкая тишина.

Что обычно говорят в подобных ситуациях? «Привет»? Но, как бы ни выглядела эта первая попытка коммуникации, можно с большой долей вероятности предположить, что обе стороны умели, как минимум, говорить. Понимали ли они друг друга – это другой вопрос. Как и у Homo sapiens, у неандертальцев присутствовал подвергшийся мутации вариант белка FOXP2, который, как нам кажется, был тесно связан со способностью к речи. У шимпанзе в ДНК присутствует его более старая версия, отличающаяся всего двумя аминокислотами. Поэтому они не в состоянии не только говорить, но даже подпевать примитивным хитам.

Каким-то образом люди и неандертальцы пришли к взаимопониманию. Для начала им наверняка хватало немногих слов:

Н. neanderthalensis Н. sapiens

Уууу! Привет всей компании!

Ахг Да

Хорр Нет

Кнорг кнокк Олений окорок

Виих грумпф Очень вкусно

Вухлу хул? Сколько ему лет?

Упк упк гэээ. Нет, спасибо, в меня больше не влезет.

Вэхэха гиш. Ты мне нравишься.

Умпф ток ток? Это твоя пещера?

Них ронг ронг. Я тебя люблю.

Глюп До свидания

По крайней мере, в отдельных эпизодах процесс сближения протекал успешно, потому что сегодня в наследственном материале всех неафриканцев присутствует в среднем 2 процента неандертальской ДНК. Обычно это гены, имеющие отношение к коже и волосам, поскольку, как ни крути, а неандертальцы были значительно лучше приспособлены к условиям северных широт, чем Homo sapiens. Мы исходим из того, что неандертальцы имели светлую кожу и рыжие волосы. Но, похоже, они были не единственными, у кого мы позаимствовали часть наследственного материала. От трех до пяти процентов генома малайцев и австралийских аборигенов взяты от денисовского человека, жившего в Азии. А в 2011 году в геноме некоторых африканских племен нашли признаки скрещивания еще с одним, пока неизвестным видом человека.

Похоже, что гены используют любую возможность для своего распространения. И правильно делают. Неандертальцы и денисовцы вымерли, но часть их генов продолжает жить в нас. Пришли ли мы к концу своей эволюции и исчерпали ли наши гены свою способность к адаптации? Конечно нет! Как бы ни было трудно это представить, мы находимся лишь в середине пути. Одно из последних достижений эволюции, делающее попытки закрепиться в человеческой популяции, очевидно, связано с развитием скотоводства. Это небольшая мутация, затрагивающая ген, контролирующий выработку лактазы – фермента, с помощью которого в организме младенцев переваривается молочный сахар (лактоза), содержащийся в грудном молоке. До возникновения данной мутации, происшедшей 7500–9000 лет назад, указанный ген отключался еще в раннем детстве, так как ребенок, естественно, когда-то прекращал сосать молоко и ген терял актуальность. После этого молоко в организме человека больше не усваивалось.

Благодаря новой мутации ген сохранял свою активность, поэтому скотоводы могли позволить себе всю жизнь пить молоко животных. Это было колоссальное преимущество, способствующее выживанию. Новый вариант гена быстро распространился по Северной Европе. Но вместе с тем в Африке произошли другие мутации, имевшие очень схожий эффект (только на пару тысяч лет позже). И здесь это тоже совпало с распространением скотоводства. Появится ли новый ген у всех людей или опять будет вытеснен из генома благодаря продаже молока без лактозы, узнают только наши далекие потомки. Эволюция всегда шла и идет вслед за условиями жизни.

В семье случается всякое. Иной раз встретишь человека и даже представить себе не можешь, что вы с ним родственники (особенно когда он нацепил на себя костюм обезьяны). Так произошло и во время первой встречи Дженни и Виктории в 1842 году. Дженни была самкой орангутана, проживавшей в лондонском зоопарке, а Виктория – королевой Англии. Обе внимательно рассматривали друг друга, хотя и так было ясно, что их связывает что-то общее. Но королеве эта мысль не доставила удовольствия. Она записала в своем дневнике: «Орангутан слишком своеобразен: он ужасен, неприятен и пугающе схож с человеком». О том, что Дженни подумала об этой бледной женщине в странном платье, мы, к сожалению, никогда не узнаем, но, скорее всего, ей тоже не доставило удовольствия, что королева писала о ней как о существе мужского пола.

Что касается программы, заложенной в нашем теле (генома), то на самом деле люди не представляют собой ничего выдающегося. Наш геном имеет средний размер и содержит стандартный набор генов, свойственных практически каждому млекопитающему. Различия между нами и братьями нашими меньшими заключаются лишь в деталях – некоторых мутировавших белках и небольшом тюнинге в механизме контроля генов. Но даже эти мелкие изменения сделали из нас болтливую безволосую обезьяну с претензиями на мировое господство. И к тому же мы умные. Даже очень. А если нам еще удастся не загубить всю нашу родню в животном мире и самих себя, то можно будет даже утверждать, что по разуму нам нет равных.

Глава 8

Разбойничий набег диких генов на генетическое захолустье

На первый взгляд наш геном выглядит как бесплодная пустыня, но в нем таятся поразительные вещи: прыгающие гены, ученые, оживляющие спящую красавицу поцелуем, и кое-что из жизни фруктовых мушек с комментариями «геномного квартета».

Дорогая тетя Хедвиг!

Для начала пара замечаний:

1. На прошлой неделе я купил два новых картриджа для принтера и три пачки бумаги по 500 листов, которые внезапно бесследно исчезли. Мне кажется, я понимаю, куда они делись.

2. Каким образом ты взломала мой пароль к компьютеру?

3. Если уж ты по ночам сидишь за моим компьютером, то хотя бы не забывай его выключать! И, пожалуйста, замени заставку рабочего стола на прежнюю, потому что розовая кошечка, машущая лапкой, доводит меня до бешенства.

4. Я только что заново заправил принтер, и он тут же выплюнул очередную порцию твоей писанины – 151 страницу! Придется прочитать. Ведь все это напечатано на моем принтере, в конце концов…

Все заимствовано у самых разных авторов. Невыносимо скучно, невнятно и с кучей ошибок. Кроме того, постоянно повторяется одно и то же… Я не эгоист! Вся эта писанина ни на что не годна.

Сводить наш наследственный материал исключительно к генам весьма недальновидно. Возможно, такой подход позволит нам обнаружить красивую серебристую звезду, но мы не увидим прилагаемый к ней внедорожник «Мерседес», потому что гены, кодирующие производство белков, составляют чуть больше одного процента всего генома. А весь огромный и на первый взгляд бесполезный «остаток» вовсе не такой уж безжизненный, как может показаться.

Если мы на секундочку отвлечемся от деталей и попробуем увидеть всю картину целиком, то заметим, что между нашим геномом и текстом, написанным тетей Хедвиг, есть что-то общее… скажем, определенные литературные недоработки. В них присутствуют и ошибки, и повторы. А плагиат так и прет из всех щелей. Но люди в этом не одиноки. Геномы большинства животных и растений находятся в похожем состоянии. Однако давайте обо всем по порядку.

«Геномный квартет» А, Г, Ц и Т

анализирует произведение

«Мой чудесный геном»

А: Эти постоянные повторы, которые демонстрирует мать-природа, просто действуют на нервы! Повторяю: просто действуют на нервы! Повторяю: просто дей…

Как и в тексте Хедвиг, в человеческом геноме есть места, которые все время повторяются. И они составляют более половины всей ДНК человека. Часть из них – это уже упомянутые теломеры (окончания хромосом), представляющие собой тысячекратные повторения последовательности ТТАГГГ и выполняющие роль узла, завязанного на конце веревки, чтобы она не расплеталась. Кроме того, они сигнализируют ремонтным машинам ДНК в клетках: «Здесь все в порядке! Проходите дальше».

В противном случае концы ДНК подвергались бы слишком большому износу и в аварийной ситуации просто связывались бы друг с другом на скорую руку. Такое слияние хромосом приводило бы к хаосу и в конечном итоге означало бы смерть клетки.

Но значительная часть повторений последовательностей в геноме объясняется другими, вполне эгоистическими причинами. Вопреки нашим ожиданиям, далеко не все гены без устали работают для того, чтобы обеспечить организму (то есть нам с вами) хорошую жизнь и приятные вечера на диване у телевизора. Среди них существуют такие, которым наплевать на общее дело. Они ведут себя в геноме как блохи на собаке, то есть паразитируют. Им безразлично, как чувствует себя собака. Личный интерес этих генов состоит в том, чтобы размножаться самим. Но у них есть и еще кое-что общее с блохами: они умеют прыгать. Имеются в виду не прыжки в высоту и не прыжки в мешках, а перескакивание с одного места ДНК на другое, а если повезет, то и в другой организм. Препятствием для них не является даже то, что этот организм может относиться к другому виду. Такие гены называют прыгающими, или транспозонами.

В общих чертах прыгающие гены подразделяют на два вида: ретротранспозоны и ДНК-транспозоны. Ретротранспозоны побуждают мРНК клеток изготавливать копии самих себя, чтобы использовать их для производства белков. Среди них выделяется реверсивная транскриптаза, обладающая небывалой способностью переводить РНК в ДНК. Такое умение поразительно, поскольку противоречит догме молекулярной биологии, сформулированной самим Фрэнсисом Криком. Она гласит, что ДНК может переводиться в РНК, но ни в коем случае не наоборот. И все же этот белок существует и, скорее всего, даже не подозревает о каких-либо догмах.

Ретротранспозоны используют свои особые способности, чтобы переводить себя в ДНК, а потом вставлять полученную копию фрагмента ДНК в другой участок генома.

Что же касается ДНК-транспозонов, то они не утруждают себя манипуляциями с РНК, а напрямую вырезают нужный фрагмент ДНК с помощью кодируемых ими же белков и вставляют его в другой участок.

Но такой процесс размножения (и транспортировки) не обеспечивает стопроцентной надежности, поэтому большинству транспозонных копий, которые мы находим в геноме, свойственны дефекты. У них отсутствуют какие-то куски, последовательности подвержены мутациям и записаны с ошибками. Такие копии не могут прыгать самостоятельно, но это вовсе не значит, что им суждена гибель. Некоторые транспозоны с дефектными белками «ездят на попутках», используя белки родственных транспозонов (так же как некоторые члены семьи время от времени пользуются чужим компьютером…).

Самыми распространенными ретротранспозонами человека являются Alu-повторы, которых насчитывается свыше миллиона копий (около 10 процентов всего нашего генома), и длинные диспергированные повторы LINE-1 (примерно полмиллиона копий и 18 процентов генома). Alu-повторы намного меньше по объему, поскольку у них нет собственной реверсивной транскриптазы, которую они заимствуют у LINE-1.

Перескакивание транспозонов на новое место может иметь неприятные последствия для организма, приводя к разрушению генов и хромосом. Например, встраивание LINE-1 в гены, отвечающие за свертываемость крови, является одной из причин гемофилии. Поэтому клетки защищаются от подобных прыжков с помощью целого арсенала средств. Они упаковывают траспозоны таким образом, чтобы их невозможно было прочитать, или маркируют скопированную с них РНК как подлежащую уничтожению. Ситуацию усугубляют случайные мутации, со временем накапливающиеся в последовательностях транспозонов. Из-за них некоторые наши прыгающие квартиранты порой так видоизменяются, что перестают функционировать. В активном состоянии находится всего 80-100 транспозонов LINE-1, а более чем из миллиона Alu-повторов лишь около 6 тысяч в состоянии передвигаться с помощью взятых взаймы белков, но обычно организм старается и их держать в состоянии покоя. Только в нервных клетках мозга несколько лет назад была отмечена повышенная активность прыгающих генов. Почему так происходит и связаны ли эти изменения в нейронах с развитием личности, пока еще не выяснено.

Что касается ДНК-транспозонов, то с ними дела обстоят еще хуже, чем с ретротранспозонами. Во многих эукариотах они, похоже, полностью выродились, и единственное, что еще можно обнаружить, – это испорченные копии, которые уже давным-давно хранятся в геноме, словно ископаемые кости динозавров.

Но есть одна группа ДНК-транспозонов, живые представители которой все еще встречаются, по крайней мере, в некоторых организмах. Это суперсемейство ТС1/mariner. Оно может похвастаться долгой и славной историей. Его члены смогли широко распространиться по миру и в числе прочих завоевать геномы грибов, растений, насекомых, рыб и млекопитающих (в том числе человека). Правда, сегодня их лучшие времена остались позади и наряду с бесчисленными испорченными ископаемыми копиями можно найти в отдельных организмах максимум десяток активных экземпляров, а у позвоночных животных – вообще ни одного.

Однако ученым было интересно, что представляли собой транспозоны позвоночных и как они функционировали. Чтобы это выяснить, они собрали и сравнили остатки ТС1/mariner у восьми пород лососевых рыб. Таким образом на основе разрозненных фрагментов удалось реконструировать действующую последовательность гена. Затем был сделан следующий шаг – искусственное воссоздание этого короткого участка ДНК. И надо же – он заработал!

Давая этому гену имя, исследователи поддались романтическому настроению. Поскольку им удалось разбудить транспозон, вероятно, после многих тысячелетий сна, они нарекли его «спящей красавицей». С тех пор эта «красавица» прыгает в лаборатории с одного гена на другой и помогает решать научные проблемы. И если она еще не умерла, то живет и поныне!

Если вы хотите получить самые свежие данные, то у вас есть возможность наблюдать драму жизни ДНК-транспозона в режиме реального времени – в организме фруктовых мушек дрозофил. Мухи Drosophila melanogaster с давних пор являются важными помощниками в биологических исследованиях. Первые из них были отловлены еще в 1900 году и с тех пор выращиваются в лабораториях. После примерно 70 лет изоляции американская исследовательница в области эволюции Маргарет Кидуэлл решила добавить в их популяцию свежую кровь, скрестив только что пойманных «диких» самцов Drosophila melanogaster с лабораторными самками. Полученных результатов не ожидала даже она сама: потомство оказалось бесплодным и для него были характерны самые разнообразные мутации. Что же произошло?

В настоящее время существуют некоторые предположения по поводу этой драмы, на основе которой можно снять блокбастер: Drosophila melanogaster в течение многих тысяч лет летала, счастливая и довольная, по западноафриканским джунглям, а тут вдруг появились европейцы на своих кораблях в поисках рабов. Но из Африки вывозили не только людей. На борт кораблей, отправлявшихся к Карибским островам, грузили также фрукты, а вместе с ними туда попадали и голодные особи Drosophila melanogaster. Затем эти иммигранты распространились по всему континенту (а сегодня встречаются повсюду в мире). Но они были не первыми. В Центральной и Южной Америке они встретились со своими местными родственниками Drosophila willistoni. Оба вида и не думали скрещиваться, но вынуждены были делить друг с другом жизненное пространство. Это обстоятельство использовал к своей выгоде так называемый Р-элемент – ДНК-транспозон, который уже долгое время вел довольно скучное существование в геноме D. willistoni. Он подумал, что было бы неплохо попробовать перепрыгнуть на каких-нибудь других мух… Но как?

Мы не знаем в точности, как это произошло, однако предполагаем, что некий клещ, паразитирующий на обоих видах, перенес данный ген на своих челюстях на D. melanogaster. Таким образом, P-элемент перекочевал с одного вида животных на другой. В данном случае говорят о горизонтальном переносе генов (под вертикальным переносом понимается наследование генов детьми от родителей). Организм D. mela nogaster был не готов к вторжению, поэтому ничего не смог противопоставить транспозону, а тот продолжал прыгать и размножаться без помех, создавая генетический хаос, включавший в себя ряд вредных мутаций.

Это могло бы означать скорый конец для зараженных мух и заодно P-элемента, но ситуация в определенной степени нормализовалась сама собой. Отчасти процесс был заторможен самим транспозоном, так как он мог производить белки для своих прыжков только в яйцеклетках, из которых впоследствии появлялось потомство. Во всех остальных видах клеток он не функционировал. Вследствие этого мухи не падали тысячами замертво с ананасов из-за постоянных мутаций во всем организме. Но в конечном счете собственный успех превратился для P-элемента в препятствие: среди множества новых копий гена начали попадаться дефектные версии, производившие «неправильный» белок и мешавшие своим здоровым собратьям. Вдобавок ко всему муха сама построила западню для чужеродных генов. В ее геноме есть фрагмент, который представляется транспозонам особенно заманчивой целью. Стоит только одному из них там обосноваться, как начинает происходить считывание последовательности нуклеотидов, но вместо того, чтобы использовать возникающую РНК для производства белков, клетка делает нечто совершенно противоположное: режет ее на мелкие кусочки и встраивает их в так называемые piwi-белки, которые патрулируют в яйцеклетках. Там они служат как бы опознавательной фотографией для поиска других мРНК-транспозонов. После обнаружения они сразу же уничтожаются.

Piwi – сокращение от P-element-induced wimpy testis, что в переводе означает «вызванное Р-эяементом сморщивание яичек». Это позволяет сделать три вывода:

1. Piwi-белки были открыты при изучении Р-элемента.

2. Если не противодействовать P-элементу, то у самцов дрозофилы происходит деградация половых органов.

3. Исследователи дрозофил – симпатичные люди, потому что дают своим открытиям веселые названия.

Все это говорит о том, что некоторые мухи нашли меры противодействия, не позволяющие P-элементу прыгать как расшалившемуся щенку. Для них он теперь не представлял особой проблемы. Тем не менее, когда зараженные самцы спаривались с самками, не сталкивавшимися ранее с Р-элементом, то проблемы возникали уже у потомства.

После великого скачка через межвидовую границу P-элементу потребовалось, по-видимому, 30–40 лет, чтобы распространиться на всю популяцию D. melanogaster. Единственными мухами, которых это не коснулось, оказались те, что сидели в лабораториях за стеклом. А что бывает, когда они впервые встречаются с P-элементом, Маргарет Кидэулл узнала на собственном опыте.

Но на этом история P-элемента не закончилась. Похоже, что на рубеже нового тысячелетия он совершил скачок с D. melanogaster на очередной вид дрозофил – D. simulans – и продолжает свое победное шествие. Распространение происходит пока в Южной Африке и Флориде. За ними последует и весь остальной мир. Уже определены и следующие цели P-элемента: D. mauritiana и D. sechellia.Произойти это должно уже скоро, поскольку оба названных вида способны скрещиваться с D. simulans.

Транспозоны являются нашим спутником, как и всех других живых организмов на нашей планете, с незапамятных времен. Предполагается, что они присутствовали уже при самом зарождении жизни, когда в мире РНК появились первые клетки. Именно реверсивная транскриптаза подозревается в том, что стала провозвестником конца мира РНК ввиду своей способности переписывать наследственную информацию с РНК на ДНК.

Последующие взаимоотношения живых организмов с транспозонами вряд ли можно назвать односторонними. Конечно, транспозоны, руководствуясь своими эгоистическими интересами, засоряют наш геном, но это не значит, что в генетическом мусоре нельзя отыскать какие-то положительные черты. Давайте представим себе комнату, заваленную целыми, дефектными и неполными транспозонными генами. Все это выглядит довольно неопрятно, но, если природе вдруг захочется смастерить новый ген, у нее под рукой окажется целый склад заготовок. Из поломанных генов и их фрагментов образовать в результате случайных мутаций новый полезный ген значительно легче, чем из ничего. Строить всю эволюцию только на генах, которые нам жизненно необходимы, очень трудно. Ведь они непрерывно задействованы и их переделка с целью изменения функций может причинить вред организму (например, из передней вилки велосипеда можно без особого труда сделать шикарный подсвечник, но после этого уже нельзя будет кататься на велосипеде).

Кроме того, значение имеет и количественный фактор. Как правило, в генетическом материале эукариотов присутствует намного больше транспозонов, чем других генов. В частности, у человека на примерно 20 тысяч генов приходится более 1,5 миллиона транспозонов и их остатков, с которыми можно что-то предпринять. А поскольку эволюция производит что-то новое, колотя молотком с завязанными глазами, лучше иметь под рукой мешок гвоздей, чем пригоршню. В этом случае шансы на успех повышаются.

И действительно, некоторые белки организма человека образовались от транспозонов (примерно 4 процента наших генов в молодости были прыгунами). Например, один из вариантов реверсивной транскриптазы (теломераза) заботится о сохранности наших хромосом, а в иммунной системе используется ДНК-транспозон, составляющий все новые гены антител из разрозненных фрагментов ДНК. Кроме того, транспозоны оказывают влияние на соседние гены. Переходя на них, транспозоны изменяют последовательности этих генов и таким образом осуществляют их регулирование. По-видимому, примерно четверть контрольных участков всех наших генов возникла в результате действий транспозонов.

Таким образом, с точки зрения эволюции транспозоны не так уж вредны, поскольку дают возможность относительно быстро вносить изменения в геном, что ведет к развитию вида. Именно с их помощью можно максимально быстро адаптироваться к изменениям или вообще к полной смене окружающей среды.

На самом деле складывается впечатление, что серьезные изменения в образе жизни тех или иных видов зачастую совпадают с увеличением количества транспозонов в наследственном материале. Так, первые виды, которые после миллионов лет жизни в воде решили, что есть смысл время от времени прогуливаться по свежему воздуху (например, саламандры и двоякодышащие), обзавелись очень обширными геномами с большим количеством транспозонов. При этом главную роль играли не транспозоны как таковые, а изменения, которые они вызывали своими прыжками в геноме. Из-за них ломались и заново восстанавливались хромосомы, терялись или, наоборот, дублировались части генома. Природе было где разгуляться! Когда первые крупные изменения закончились, началась «шлифовка». Геномы усовершенствованных видов зачастую вновь сокращались в размерах и избавлялись от излишков наследственного материала (в том числе и от транспозонов).

В нашей собственной истории, по-видимому, тоже произошло нечто похожее, причем совсем недавно (с точки зрения эволюции). После того как пути древних людей и шимпанзе разошлись, нашим предкам пришлось столкнуться с рядом новых вызовов. Если сравнить наш сегодняшний геном и геном нашего ближайшего родственника – шимпанзе, то бросается в глаза, что за последние шесть миллионов лет мы приобрели примерно 10 тысяч новых копий транспозонов, отсутствующих у обезьян. Попутно в нашем геноме за это время две хромосомы срослись в одну. Поэтому, в отличие от шимпанзе и других приматов, у нас сейчас только 23 пары хромосом.

«Геномный квартет» А, Г, Ц и Т

анализирует произведение

«Мой чудесный геном»

Г: Всякие вводные слова и отступления – я сознательно формулирую проблему подобным образом – это на любителя (если только не перебарщивать), потому что доступность и понятность текста (хотя о какой доступности тут вообще можно говорить?) должны все же сохраняться, пусть и не на уровне безъядерных одноклеточных.

Хедвиг – большая любительница вводных слов (особенно когда речь идет о племяннике). Наши гены тоже составлены таким образом, что заново прочитанная РНК далеко не сразу может использоваться для производства белка. Прежде чем приступать к каким-то осмысленным действиям, она должна пройти через руки генетических редакторов, которые вычеркнут из нее множество лишних пассажей.

Почему же наш сегодняшний геном составлен так сложно, в то время как бактериям и археям удается сохранять свой генетический материал, не допуская проникновения в него побочной информации? Причина – в истории развития эукариотов. Предположительно все началось с того, что какая-то хитрая архея поглотила бактерию. Но закончился этот эпизод не перевариванием вкусной добычи, а успешным партнерством. Со временем бактерия превратилась в митохондрию и стала снабжать клетку огромным количеством энергии в форме АТФ, а энергичная архея взяла на себя заботы обо всем остальном. Следствием этой сделки стала постепенная утрата митохондрией части своих генов. Некоторые из них переселились в геном археи и предоставили ей новые эволюционные возможности, ставшие стартовым выстрелом для возникновения эукариотов.

Но у этой истории успеха была и обратная сторона. Мы считаем, что вместе с геномом митохондрий на борт проник и пассажир-безбилетник, обосновавшийся в геноме археи. Это был родственник ретротранспозона, принадлежавший к эгоистичным генам «бактериальные интроны группы II» (такое имя им явно дали не любители плодовых мушек, иначе их называли бы «потрошителями» или «веселыми скакунами»). Однако по сравнению с ретротранспозонами у интронов группы II возникает колоссальная проблема: они не могут заставить клетку переписать свою последовательность нуклеотидов в РНК. А без такой РНК произвести транспозонные белки и создать новые копии невозможно. Для выживания они используют хитрый трюк: перепрыгивают непосредственно в гены хозяина. Когда тот начинает использовать свои гены, образуется мРНК, которая уже содержит последовательности транспозона. Все так просто? Да нет, как раз наоборот. Ведь мРНК нужна клетке, чтобы произвести жизненно важный белок, а дополнительная нуклеотидная последовательность чужого гена вносит изменения в инструкцию по его производству. Для клетки это плохо, но плохо и для эгоистичного гена, который, убивая хозяина, погибает сам. Однако в тот момент, когда ситуация полным ходом летит в тартарары, эгоистичная РНК внезапно совершает головокружительный трюк: вырезает сама себя из общей РНК и аккуратно «склеивает» место разреза, восстанавливая прежние функции. Эта перестройка на лету получила название сплайсинга (раньше данный термин означал сращивание двух концов корабельных снастей). Фрагмент, извлеченный из РНК, ведет себя после этого как обычный транспозон. Он переписывается в ДНК и оседает где-то в геноме. Данный процесс отлично зарекомендовал себя в первых клетках, которые еще только превращали «пленные» бактерии в митохондрии. Из одной копии появлялись сотни, а из сотен – тысячи. Расширение шло по нарастающей. Но такой взрыв не мог остаться без последствий, поскольку клетка была не способна отличить сращенные и готовые к чтению мРНК от тех, в которых процесс ремонта еще не завершился. Наступил полный хаос!

Дефектные мРНК начали в массовом порядке производить неправильные белки. Возникшее состояние оказалось серьезным вызовом для эволюции. Мы предполагаем, что клеткам удалось решить эту проблему за счет того, что они окружили свой наследственный материал мембраной. Внутри этой оболочки, куда не было доступа интронам, на основе ДНК производились мРНК и только после этого выводились наружу. Именно эти экспортированные части мРНК, получившие название экзонов, служили для рибосом инструкциями по производству белков. Вот так в клетках образовалось ядро, в результате чего они стали первыми эукариотами. В современных эукариотах интроны группы II утратили способность к самостоятельным прыжкам и активному размножению. Но остатки этих нитронов еще существуют; их можно встретить повсюду в наших генах. Теперь клеткам самим приходится трудиться, чтобы создать работоспособную мРНК. Для этого они обзавелись хитроумной машиной – сплайсосомой, – состоящей из молекул РНК и белков. Она удаляет неработающие последовательности РНК, что крайне необходимо, поскольку человеческие клетки содержат в среднем более восьми интронов на один ген. Но это далеко не предел. Ген дистрофии содержит 78 интронов, которые увеличивают инструкцию по производству белка с 14 тысяч необходимых нуклеотидных пар до фантастической длины – 2,2 миллиона оснований. По некоторым оценкам, клетке пришлось бы потратить 16 часов, чтобы изготовить РНК таких размеров.

А что же интроны группы II? Они по-прежнему встречаются в бактериях, хотя и весьма редко (вряд ли это может кого-то удивить, если иметь в виду вызываемые ими последствия, да еще в условиях отсутствия у бактерий ядра). Для эукариотов характерны другие, очень редкие виды интронов, которые также способны вырезать себя из мРНК, но они уже не играют особой роли.

Вся эта история напоминает рассказ о катастрофе, которой чудом удалось избежать. Но тот факт, что сегодня наши гены под завязку забиты измененными до неузнаваемости интронами, опять-таки открывает перед нами новые возможности. Разложив кодирующие участки генов на экзоны, интроны снабдили нас «кирпичиками», из которых довольно легко можно составить новые белки.

Так, например, вместо того чтобы последовательно соединять экзоны 1, 2, 3 и 4, клетка может поэкспериментировать и выяснить, не получится ли что-нибудь полезное, если использовать только экзоны 1, 2 и 4; взять вместо экзона 2 экзон 2а или позаимствовать экзон 7 из соседнего гена… Количество вариантов безгранично. Экзоны и сплайсинг стали для эволюции гигантским конструктором.

«Геномный квартет» А, Г, Ц и Т

анализирует произведение

«Мой чудесный геном»

Ц: Последнее издание книги «Мой чудесный геном» изобилует опечатками. Глаз постоянно натыкается на ошибки и фрагменты, не имеющие отношения к содержанию. Это, конечно, плохо, но давайте не будем обольщаться. Несмотря на обещание матери-природы «при случае все еще раз перепроверить и основательно подкорректировать, выбросив все ненужное», мы вряд ли дождемся этого в скором времени. Ведь она обещает это уже почти четыре миллиарда лет!

Вы знаете, что такое уксусноамиловый эфир? А 4-метокси-2-метил-2-бутантиол и 2-фенилэтанол? Никогда не слышали и не видели? Вполне возможно. И все же эти вещества вам знакомы, потому что вы не раз их нюхали. Просто никогда не думали: «Хм-м-м, как же вкусно пахнут эти уксусноамиловый эфир и 4-метокси-2-метил-2-бутантиол». Вам доставлял удовольствие аромат бананов и черносмородинового ликера «Кассис». Покупая возлюбленной духи, вы выбираете запах не 2-фенилэтанола, а розы (если только она не помешалась на химии и из всех ухажеров отдает предпочтение отъявленным «ботаникам»).

Но как наш нос улавливает все эти непроизносимые вещи? Внутри его скрывается отлично оборудованная химико-аналитическая лаборатория. Испускаемые розой молекулы, попадая вместе с воздухом в нос, проходят длинный путь по слизистой оболочке, снабженной различными рецепторами запахов. Каждый такой рецептор «ощупывает» молекулу со всех сторон в поисках определенных химических структур. Обнаружив знакомую структуру, он посылает в мозг сигнал: «Я поймал ее!» Мозг собирает все сигналы воедино и на этой основе довольно уверенно идентифицирует аромат розы.

В носу человека примерно 400 видов обонятельных рецепторов, с помощью которых мозг способен распознать более миллиарда различных запахов. Эффективная, но не очень экономная система, поскольку для каждого рецептора требуется особый ген. Откуда же взялись эти 400 генов?

Если внимательно присмотреться, можно заметить, что все они подозрительно похожи друг на друга, как будто речь идет о плохих копиях одного и того же гена. Именно это и произошло на самом деле. В ходе эволюции нередко происходит удвоение фрагментов генома, например когда деление клетки происходит с ошибками или возникают проблемы с ремонтом ДНК.

Бывает, что и ретротранспозоны, скачущие по геному, выходят из-под контроля, самовольно изготавливают копию ДНК на основе мРНК и где-то откладывают ее. Такие копии отличаются от оригинала тем, что не содержат последовательностей интронов и хранятся зачастую далеко от подконтрольных им генов.

В случае такого удвоения в организме внезапно появляется лишняя копия какого-то гена. Это может оказаться и преимуществом, но чаще влечет за собой неприятности. В такой ситуации эволюция умывает руки, откидывается на спинку кресла, запасается попкорном и просто наблюдает, что будет дальше. Со временем в геноме накапливаются мутации. Рано или поздно они затрагивают одну из двух копий гена. До этого момента они были идентичны, но теперь в них появляются различия. Если одна из копий изменяется настолько, что осваивает какую-то новую и полезную функцию (например, распознает новую составную часть запаха), то появляется шанс, что в будущем обе копии получат право на жизнь.

Но если одна из копий в результате мутации разрушается, то остаются только руины прежнего гена – псевдоген. Он хранится в наследственном материале до тех пор, пока природа не вытрет пыль мокрой тряпкой и не уничтожит его ДНК (что происходит не так уж часто). Эти ископаемые останки генетической борьбы за выживание встречаются в нашем геноме на каждом шагу. Всего там можно обнаружить около 20 тысяч псевдогенов, то есть примерно столько же, сколько и действующих генов. Представляете себе эту неразбериху? Таким образом, наряду с активными копиями генов обонятельных рецепторов можно отыскать еще, как минимум, столько же псевдогенов.

Вообще-то оснащенность человека рецепторами запахов можно охарактеризовать как весьма скудную. Имея 400 генов, мы играем в одной из низших лиг. Крысы, мыши и опоссумы представляют высшую лигу: у них соответствующих активных генов втрое больше, чем у нас, а дефектных, наоборот, меньше.

Причина заключается в том, что у людей обоняние играет уже не такую важную роль, как у других животных. Мы значительно больше полагаемся на зрение и слух. Многих запахов, воспринимаемых мышью, мы просто не чувствуем. Например, мыши различают запах углекислого газа. Это очень полезное качество, потому что углекислый газ «без цвета и без запаха» (с точки зрения людей) скапливается как раз у поверхности земли и в различных полостях, где обитают мыши, и при достижении большой концентрации вызывает смерть от удушья.

Но не только мыши и люди отличаются друг от друга своим восприятием. Если взять вас и вашего соседа, то вы тоже живете с ним как бы в разных мирах. Один и тот же запах может казаться ему тошнотворным, а вам – вполне обычным, поскольку гены обонятельных рецепторов уникальны. К примеру, каждый десятый человек не чувствует запаха синильной кислоты, который имеет легкий оттенок миндаля. Каждый тысячный не воспринимает убийственной вони бутантиола, содержащегося в секрете желез скунса.

Невольно возникает вопрос: зачем мы таскаем с собой столько дефектных генов? Он не случайно служит темой острых дискуссий в среде ученых. Действительно ли все псевдогены мертвы или они взяли на себя другие обязанности, о которых мы еще не знаем? В последнее время мы уже вскрыли несколько функций псевдогенов. Некоторые из них, например, занимаются регулированием функций генов. Даже если они сами не производят нужных белков, то могут изготавливать до 20 процентов необходимых для данной цели мРНК. И в этом есть смысл. Мы уже знаем, что наши клетки целенаправленно создают короткие кусочки РНК, соединяющиеся затем с мРНК, в которых кодируются белки, и тем самым управляющие эффективностью производства белков. Если же наряду с мРНК имеется еще и подходящий вариант псевдогена, отвлекающий на себя часть регуляторов, то это дает возможность еще точнее управлять производством белков, что также является преимуществом!

Таким образом, видимо, не все псевдогены мертвы. Часть из них выступает как бы в роли привидений, которые вмешиваются в жизнь оставшихся в живых родственников. Другими словами, в нашем наследственном материале происходят очень странные вещи.

«Геномный квартет» А, Г, Ц и Т

анализирует произведение

«Мой чудесный геном»

Т: В заключение затронем острую тему: плагиат! Боже мой, чего тут только не назаимствовано! Похоже, кто-то попытался украсить посредственный текст вырезанными из журналов подписями к фотографиям, заметками из блогов, цитатами из Шекспира и выдержками с упаковки малинового йогурта. Откуда тут все это? Вы спросите, как я это оцениваю? Великолепно! Потому что все это работает… как ни странно.

Мы, люди, в принципе весьма мелочны, когда начинаем выяснять, что кому принадлежит и кто что изобрел. Бактерии и археи более снисходительны к подобным вещам и свободно обмениваются друг с другом генетическим материалом.

Основной (но не единственный) путь генетического обмена между бактериями пролегает через F-плазмиды, или плазмиды размножения, которые входят в состав генома некоторых бактерий. Плазмиды представляют собой довольно маленькие кольца ДНК с небольшим количеством генов.

В F-плазмиде эти гены активно способствуют сближению бактерий. Бактерия – носитель плазмиды – становится «донором» генов. Белки, гены которых расположены на плазмиде, образуют на поверхности бактерии ворсинки – половые пили (да, именно так они и называются). С помощью этих пилей осуществляется активный поиск других бактерий, не имеющих F-плазмид. При этом не имеет значения, о каких бактериях идет речь – того же или совершенно иного типа. Чувство стыда бактериям неизвестно. Как только половые пили вступают в контакт с другой бактерией, они укорачиваются и подтягивают ее к себе. А когда обе бактерии соприкасаются, между ними возникает связь, в ходе которой F-плазмида изготавливает собственную копию и внедряет ее в другую клетку. При этом зачастую передаются не только гены F-плазмиды, но и другие фрагменты ДНК, которые могут оказаться потенциально полезными, например формировать устойчивость против ядов и антибиотиков. Могут передаваться также гены, делающие доступными для бактерий новые виды питания.

Недавно в Японии выявили загадочный случай переселения генов: у кишечной бактерии нашли два энзима, которые встречаются только у морских бактерий. В этой связи возникает два вопроса:

1. Как эти специфические гены попали в человеческий кишечник?

2. Что им там нужно?

На оба вопроса можно дать простой ответ: суши. Но давайте по порядку. Оба энзима помогают морским бактериям переваривать трудноусвояемые сахариды водорослей (агарозу и порфиран). Речь идет именно о тех водорослях, из которых изготавливают нори – черно-зеленую оболочку для заворачивания риса и рыбы. Вполне возможно, что отдельные морские бактерии попали в организм человека вместе с суши. Там они встретились с местными бактериями и обменялись с ними некоторыми генами. Теперь гены морских бактерий позволяют кишечным бактериям усваивать сахара из водорослей, с которыми они раньше не справлялись. Таким образом, эти гены приносят пользу, по крайней мере японцам, которые регулярно и в достаточно больших количествах потребляют нори и суши.

Как видим, бактерии весьма непринужденно обращаются с чужим генетическим материалом, способствуя таким образом горизонтальному переносу генов. Но они не единственные, кто включает в свой геном украденный наследственный материал. Подобные вещи свойственны даже существам из «высших кругов»!

Знаменитый похититель генов скрывается в лесной полутьме. Это папоротник. Если бы он предстал перед судом за воровство, то поведал бы в свое оправдание трогательную историю… Он рассказал бы, что у него просто не было другого выхода. Его вынудили к этому цветковые растения!

В течение миллионов лет папоротники являлись королями мира растений. Все леса нашей планеты состояли из древовидных папоротников и хвойных деревьев. Но однажды где-то в подлеске раскрылась первая почка. Вообще самая первая. Прекрасно! Но этот факт, воспринятый поначалу папоротниками как курьез, через несколько миллионов лет стал настоящей проблемой, потому что цветковые растения начали сотрудничать с насекомыми, причем очень успешно. Они выросли в размерах и превратились в огромные деревья, украшенные цветами и густой листвой, которая заслоняла папоротникам солнечный свет и изгоняла их во все более дальние и мрачные уголки леса. Для светолюбивых папоротников это стало настоящей катастрофой. Они не могли выжить в такой чащобе.

Возможно, сегодня мы не нашли бы ни одного папоротника в густом лесу, если бы не одно благоприятное обстоятельство. Одна из спор папоротника угодила во влажный тенистый уголок и, пробиваясь в темноте сквозь лесную почву, заметила по соседству другую спору, которая, по всей видимости, была вполне довольна имеющимися условиями. Она принадлежала одному из видов мха семейства антоцерото-видных. Мхи и папоротники были знакомы уже с незапамятных времен. Мхи относились к простейшим растениям, которые долгое время находились в тени величественных папоротников. И вот теперь бывшие повелители лесов оказались вместе с ними в глухом темном углу.

Спора мха ободрительно улыбнулась и рассказала, что окружающая местность не так уж плоха. Главное – иметь нужные гены… И пока они беседовали, спора папоротника улучила момент, когда за ней никто не наблюдал, и «позаимствовала» нужные гены из генома мха. Раскрыть эту карманную кражу спустя миллионы лет было совсем не просто. Для этого потребовались специальные криминалистические методы, но мы полагаем, что все именно так и было. Возможно, ген перебрался в наследственный материал папоротника на спине транспозона.

Добычей споры папоротника стал неохром. Если это слово вызывает ассоциации с шикарным спортивным автомобилем, то вы не так уж далеки от истины, потому что приобретение неохрома стало для генома папоротника чем-то вроде тюнинга. Неохром представляет собой световой рецептор, но не совсем обычный. Как правило, в мире растений используются разные светочувствительные рецепторы для красного и синего цветов. Они помогают растениям оптимально использовать свет. Рецепторы подсказывают направление роста и разворота листьев. Однако в полутьме они функционируют не лучшим образом. И мхи в один прекрасный момент совершили весьма полезное открытие. Какой-то ретротранспозон ошибочно перенес мРНК рецептора синего цвета в ДНК, где она и закрепилась без всяких интронов. Впоследствии этот ген слился с геном рецептора красного цвета. В результате получился неохром – суперрецептор совершенно нового вида, позволяющий идеально использовать всю имеющуюся в распоряжении энергию света.

С этого момента для неприметного доселе вида папоротника начался период расцвета. История с неохромом оказалась настолько удачной, что приглянулась и некоторым его родственникам. Они тоже позаимствовали для себя копии неохрома (кстати, можно ли считать воровством случай, когда вещь украдена у вора?). Началось широкое распространение видов папоротника, живущих в тени, а те, кто по-прежнему предпочитал яркий свет, вынуждены были отойти на задний план.

Случай с папоротниками далеко не единственный. В наследственном материале растений и животных повсеместно обнаруживаются гены, ранее принадлежавшие другим живым организмам. И хотя подобные эпизоды происходят значительно реже, чем у бактерий, горизонтальный перенос генов служит одним из инструментов эволюции. Откуда конкретно берутся эти гены, особого значения не имеет. Важно то, что для этого используется любая благоприятная возможность.

В эволюции человека тоже не раз возникали ситуации, когда он присваивал чужое. В 2015 году ученые из Кембриджа установили, что 145 наших генов прежде принадлежали бактериям, протистам (одноклеточным организмам, обладающим ядром), археям, растениям и грибам. Мы приобрели их уже давно, и сегодня они являются неотъемлемой составной частью нашего генома. Это еще один аргумент для всех сомневающихся в том, что интеграция может быть успешной. Многие из данных генов играют важную роль в организме, в частности в механизме усвоения жирных кислот и в иммунной системе.

Все эти гены оказались в нашем наследственном материале более или менее случайно. Но среди них есть и те, что были внедрены целенаправленно. Это гены вирусов. Вирусы живут исключительно тем, что проникают в геномы наших клеток и нередко даже в ДНК. Обычно они размножаются там и разрушают пораженные клетки, но иногда события разворачиваются не по плану и наследственный материал вируса задерживается в клетке, не убивая ее. Если это происходит в половой клетке (например, в яйцеклетке), то вполне может случиться так, что вирус окажется частью генома данного вида организмов. Такие древние нуклеотидные последовательности вирусов (их насчитывается около 10 тысяч) составляют восемь процентов нашего генома. Большинство вирусных генов являются дефектными. То, что они были отключены в результате случайных мутаций, само по себе является преимуществом для организма-хозяина, но некоторые из них сумели проявить и какие-то полезные качества.

В настоящее время похожее вирусное вторжение наблюдается уже не среди людей, а среди коал. Эти животные, населяющие эвкалиптовые рощи Северной Австралии, почти поголовно заражены одним из видов ретровирусов, который поселился в их половых клетках и таким образом передается от одного поколения другому. Однако, в отличие от многих древних вирусов, хранящихся в нашем геноме, этот вирус абсолютно свеж, жизнеспособен и производит многочисленное потомство, которое можно обнаружить повсюду в организме животных. Таким образом, вирус распространяется как через заражение здоровых животных, так и через размножение уже зараженных. Лучшей ситуации для вируса и придумать невозможно.

То, что события развиваются для него наилучшим образом, заметно хотя бы по тому, что инфекция постепенно смещается с севера Австралии на юг и с большой долей вероятности охватит через некоторое время всю популяцию коал. Для них это совсем не радостное известие, так как предполагается, что поселившийся в них вирус несет ответственность за их подверженность лейкемии и другим раковым заболеваниям, а также ослабление иммунной системы.

Началась эта история совсем недавно. Первая встреча коал с вирусами состоялась 150 лет назад. Первоначально этим вирусом заражались только мыши и летучие мыши, но затем он преодолел видовые границы и перекинулся на пожирателей эвкалиптов.

Мы, люди, обязаны вирусам, в частности, тем, что не несем сегодня яйца. На первый взгляд это высказывание кажется абсурдным, но за ней стоит вполне серьезное научное обоснование, так как с биологической точки зрения беременность представляет собой очень непростую проблему. Наша иммунная система запрограммирована таким образом, что, подобно бешеному доберману, нападает на все, что не имеет отношения к нашему собственному телу (а при аутоиммунных заболеваниях не останавливается и перед своими клетками). А развивающийся внутри тела эмбрион обладает генами как матери, так и отца, но отцовских генов материнская иммунная система не знает!

Как же не допустить атаки иммунной системы на наших наследников? У рыб, амфибий, пресмыкающихся и птиц решение заключается в том, чтобы строжайше отделить друг от друга потомство и иммунную систему. Самка откладывает яйца, которые обеспечивают такое разделение. У млекопитающих же все устроено иначе. Наше потомство питается через плаценту. А это означает, что кровеносные системы матери и плода находятся в теснейшем контакте. Чтобы избежать осложнений, надо держать иммунную систему как можно дальше от места контакта. Добиться этого можно только с помощью хитрого трюка, и помощь в этом оказывают белки вирусов. Уж чего-чего, а умения обводить вокруг пальца иммунную систему вирусам не занимать.

В данном случае речь идет о ретровирусах, родственных ВИЧ, которые проникли в организм наших предков более 35 миллионов лет назад. Хотя подавляющее большинство их генов за это время приобрело дефекты, в плаценте до сих пор вырабатываются два вида вирусных белков: синцитии-1 и синцитин-2. В составе вирусов они отвечали за то, чтобы при проникновении в клетку мембраны вируса и клетки сливались. В плаценте же они из множества отдельных клеток, через которые иммунная система могла бы пробиться, создают гигантские слившиеся воедино клетки, представляющие собой прочный барьер, защищающий эмбрион. Кроме того, предполагается, что они даже способны снижать активность иммунной системы.

Секундочку! Тридцать пять миллионов лет назад? Но ведь млекопитающие появились намного раньше. А как же обстояли дела до этого? Похоже, что заражение половой системы вирусами происходит настолько часто, что в распоряжении организма всегда есть новые копии этих генов. Прежде чем млекопитающие начали пользоваться генами, производящими синцитии, у них, по всей вероятности, были другие гены, которые выполняли схожие функции и которые в настоящее время не работают. Млекопитающие брали эти гены поочередно из разных вирусов. Похоже, природа всякий раз изобретает колесо заново.

Подведем итог. Гены составляют лишь незначительную часть нашего наследственного материала. Все остальное – это транспозоны, дефектные гены, мертвые древние вирусы и прочий хлам. Что касается большинства подобных остатков, то мы даже не предполагаем, для чего они могут быть нужны. Но самое интересное заключается в том, что, даже напоминая дом Плюшкина, наш геном все равно функционирует, причем, как правило, безупречно.

Глава 9

Мастера манипуляции

О вирусах, холере на завтрак и рецепте желе с Явы, который произвел революцию в научном сознании.

Сколько можно терпеть? Пора уже поговорить с Хедвиг о том, когда она намерена вернуться к себе домой. Она живет у нас уже целую вечность, оккупирует нашу гостевую комнату и еще ни разу даже не намекнула на то, что собирается нас покинуть. Я стою у ее двери, делаю глубокий вдох… и стучу. Никакого ответа. Стучу снова. На этот раз после короткой паузы доносится тихое «войдите».

Я открываю дверь и вхожу в комнату. В лучах солнечного света, пробивающегося через полу задернутые гардины, беззвучно кружатся пылинки. Комната выглядит какой-то серой. Хедвиг сидит у маленького столика. Она даже не поворачивает голову в мою сторону, склонившись над разложенным перед ней рекламным проспектом. Хедвиг что-то оттуда вырезает. Купоны на скидки? У меня пересыхает в горле. Я осматриваю комнату. Около умывальника аккуратно сложены всякие гигиенические принадлежности. Рядом висит маленькое светло-розовое полотенце Хедвиг, которое в 1950-е годы, видимо, было последним писком моды. У стены возвышается массивный темно-коричневый дубовый шкаф, который мы в свое время сослали из гостиной, так как моей жене казалось, что он ее «подавляет». В гостевой комнате этот шкаф выглядит еще больше и мрачнее. Даже большая яркая шляпа Хедвиг на полке производит более бледное впечатление, чем обычно. Небольшая кровать аккуратно заправлена. На тумбочке лежит несколько зачитанных до дыр тонких брошюрок: эристическая диалектика Артура Шопенгауэра и новое издание последней книги о Гарри Поттере. Вообще-то, это моя книга, которую я повсюду ищу уже три дня!

Я откашливаюсь. Тихий хруст бумаги стихает. Хедвиг поднимает голову и смотрит на меня.

– Э-э-э, – начинаю я, – сколько ты еще собираешься у нас гостить?

Хедвиг снова опускает глаза и вздыхает:

– Я стала для вас обузой…

– Да нет же! Мы рады, что ты с нами, просто…

– Что?

– Ну, ты уже очень долго у нас живешь… – я замолкаю.

– …а нам надо время от времени общаться наедине друг с другом, – продолжает она за меня, – но при посторонних это сложно. Недаром говорится, что задержавшиеся гости – все равно что рыба. Чем дольше, тем сильнее душок, – она всхлипывает, у нее безвольно опускаются плечи.

– Но, тетя, такого никто не говорит. Ты ведь тоже член семьи!

– Правда? – на ее лице появляется улыбка надежды.

– Конечно.

Господи, что же я делаю? Как мне теперь выпутаться из этого положения? Я осматриваюсь вокруг:

– Но ты ведь не можешь вечно жить в этой комнате.

Хедвиг тоже обводит взглядом комнату, будто видит ее в первый раз.

– Да, здесь как-то мрачновато.

– Вот именно, – облегченно вздыхаю я. – Так ведь не может продолжаться.

– Ты прав, племянничек, – кивает она. – В тюремной камере и то уютнее.

– Ну, возможно… – неуверенно поддакиваю я.

Тетя встает и словно вырастает на глазах.

– Там, по крайней мере, есть телевизор.

– Наверняка, – говорю я, хотя не имею понятия, так ли это на самом деле. Да ладно, главное, что дело сдвинулось с места.

Хедвиг отдергивает шторы. Комната наполняется золотистым светом, и она стоит словно в лучах прожектора.

– Такого действительно никому не пожелаешь, особенно члену собственной семьи!

Я стою, ослепленный светом, и только киваю. Думаю, что все сложится хорошо.

– Но я все понимаю, – заявляет Хедвиг, берет со стола какую-то вырезку и начинает ходить по комнате. – Янина кого зла не держу.

– Правда? – в растерянности спрашиваю я.

– Ни капельки. Я ведь вижу, что семья нуждается во мне. Но если уж ты так рад, что я с вами, то тоже мог бы проявлять побольше внимания к тете. Ведь правда?

– Больше внимания?

– Конечно, – Хедвиг кладет мне руки на плечи и пристально смотрит в глаза. – Я горжусь тобой! Надо иметь большую смелость, чтобы вот так прийти и признать свои ошибки. Так, а теперь иди и позаботься о своей семье, мой мальчик!

– Хорошо.

Она вкладывает мне в руку какую-то бумажку, треплет меня по щеке и выталкивает из комнаты. За мной захлопывается дверь. Я раскрываю ладонь и вижу вырезку с рекламным предложением широкоформатного телевизора с плоским экраном.

В жизни не всегда побеждает самый большой и сильный. Иногда верх одерживает тот, у кого лучше аргументы или кто сумеет их лучше преподнести. Это справедливо и для людей, и для научных теорий.

А что касается новых теорий в биологии, то в XIX веке недостатка в них не было. Чарлз Дарвин плыл вокруг света на «Бигле», размышляя о том, как появились различные виды. Грегор Мендель стоял в огороде, считая горошины. Из земли выкапывали останки неандертальцев и допотопных ящеров. Люди думали о мире и жизни, анализировали факты и строили предположения. Наука становилась все более рациональной и современной.

Очень многое удалось понять в XIX веке и о природе болезней. Для этого была веская причина: с Востока пришел незваный гость – холера – и начал опустошать Европу. Никто не знал, как противостоять беде. Люди в отчаянии искали объяснений, а их было не так уж много. В то время господствовало учение о миазмах, но оно уже тогда воспринималось многими как даже не средневековое, а совсем уж античное! Первоначально оно зародилось свыше 2 тысяч лет назад, и его приписывали чуть ли не Гиппократу. Этот врач, а вслед за ним и все древние греки исходили из того, что инфекционные заболевания вызываются исходящим из земли «плохим воздухом» – миазмами. Однако не все считали такой подход правильным. В частности, с ним был не согласен английский врач Джон Сноу, родившийся в 1813 году в Йорке. Он полагал, что главная причина холеры связана не с землей, а с питьевой водой.

Когда в 1854 году в Лондоне произошла очередная вспышка холеры, Сноу начал отмечать на карте все случаи заболевания. При этом стало очевидно, что они концентрировались в основном вокруг одного из общественных источников питьевой воды. Это было более чем подозрительно. Сноу принялся убеждать городские власти в необходимости принятия мер, и ему удалось в конце концов отключить эту колонку – с нее был снят рычаг насоса. И эпидемия пошла на убыль. В то же время холера лютовала и во Флоренции. Итальянский анатом Филиппо Пачини предпринял исследование трупов и обнаружил под микроскопом бактерии, которые, по его предположению, могли быть возбудителями холеры. Правда, он не мог этого доказать.

К сожалению, на рассуждения Сноу и Пачини никто не обратил особого внимания, а открытие потенциальных возбудителей холеры и вовсе было забыто. Намного громче и авторитетнее звучали другие слова, например знаменитого мюнхенского специалиста по гигиене Макса фон Петтенкофера. Согласно его теории миазмов, зараза распространялась при совпадении трех факторов: наличия возбудителей в земле, определенных местных и сезонных условий и индивидуальной подверженности людей заболеванию. Сами по себе возбудители не могут вызвать холеру, а «плохая» вода и вовсе к ней не причастна. Петтенкофер считал, что избежать миазмов, а вместе с ними и холеры можно за счет оздоровления земли. Надо было мостить улицы, регулировать уровень грунтовых вод и строить водопроводы. Мюнхенцы последовали его совету, и правильно сделали, поскольку эти меры не просто устраняли вонь, но и способствовали гигиене. Как мы сегодня понимаем, Петтенкофер предлагал совершенно правильные меры исходя из ложных предпосылок.

Но время не стояло на месте, и труды Роберта Коха и других ученых отодвинули теорию миазмов мюнхенского гигиениста на задний план. Кох был врачом и микробиологом. Он описал возбудителей сибирской язвы и доказал в 1882 году, что в организме больных туберкулезом содержатся бактерии, которые можно выращивать в питательной среде и наблюдать под микроскопом. Более того, этими бактериями можно заражать морских свинок и вызывать у них соответствующее заболевание. И все это было построено на логике, а не на каких-то земных испарениях.

Кох делал посевы бактериальных культур на твердой питательной среде, чтобы иметь возможность отделять одни виды бактерий от других. Из отдельных бактерий вырастали колонии в виде маленьких точек, которые не смешивались с соседними, что является необходимой предпосылкой для выделения возбудителей болезней. Но именно с питательной средой у Коха возникали некоторые проблемы. Отдельные бактерии обладали способностью разжижать используемый им желатин. Что еще хуже, при нагревании желатин таял сам по себе. Но как же можно изучать бактерии, лучше всего чувствующие себя в человеческом теле при 37 градусах по Цельсию, если эта проклятая питательная среда при такой температуре становится жидкой?

Решение пришло в письме, написанном одним из сотрудников Коха – Вальтером Хессе. Хессе, живший в саксонском городке Шварценберге, изучал бактерии, обитающие в воздухе. Кох и Хессе хотели выяснить, не являются ли пресловутые «миазмы» просто-напросто летающими бактериями. Хессе работал не в одиночку, а вместе со своей женой Фанни. Фанни Хессе была лаборанткой и художницей (надо же было как-то документировать отдельные бактерии и их колонии). Кроме того, она варила не только супы для мужа, но и питательные бульоны для бактерий. Именно ей и принадлежало окончательное решение проблемы. Сегодня мы уже вряд ли узнаем, как она пришла к этой идее, но вполне можем представить себе следующую сцену за ужином.

Вальтер: Сегодня опять перегрелась и растаяла чашка с бактериями. Никак не могу взять в толк, что с этим делать… Кстати, очень вкусный суп, дорогая.

Фанни: Желе!

Вальтер: Какое желе? Это же суп!

Фанни: Помнишь, мама как-то дала мне рецепт желе?

Вальтер: Э-э-э, да… Но речь-то сейчас о супе.

Фанни: Но мама не сама придумала тот рецепт.

Вальтер: Да? А кто же?

Фанни: Одна ее подруга из Голландии.

Вальтер: Понятно. Но какое это имеет отношение к супу?..

Фанни: А та привезла его с Явы. Ей, кажется, прислуга подсказала.

Вальтер: Хорошо-хорошо. Слава богу, что мы это выяснили. Теперь мы можем спокойно поесть?

Фанни: Нет. Я думаю, надо срочно приготовить новую питательную среду для бактерий, но на этот раз не из желатина, а из агар-агара, как на Яве. Он не так быстро тает.

Кох испробовал рецепт Фанни (точнее, ее матери, а еще точнее, индонезийской прислуги ее голландских друзей). Действительно, агар-агар, добываемый из морских водорослей, оказался наилучшим решением. Он тает при более высокой температуре и не разлагается большинством бактерий. Оптимальный вариант!

Впервые питательная среда на основе агар-агара была упомянута в работе Коха о туберкулезе. Всего одна фраза и, разумеется, без упоминания об изобретательнице. А ведь ей должна была достаться изрядная доля славы, потому что сегодня питательная среда из агар-агара используется в лабораториях по всему миру.

Следующая цель Коха заключалась в том, чтобы выявить причины холеры. В 1883 году он отправился вместе с несколькими сотрудниками в Александрию, а оттуда в Калькутту, чтобы лично понаблюдать за бушевавшей там эпидемией холеры и найти возбудителя болезни. Этот замысел увенчался успехом: Кох нашел возбудителя, научился выращивать и досконально изучил. Собственно говоря, он повторил открытие Пачини, даже не будучи знакомым с его работами.

Но одна проблема по-прежнему не давала Коху покоя. Что бы он ни предпринимал, ему не удавалось заразить холерой подопытных животных. Кох предполагал (и не без оснований), что у них имеется иммунитет от бактерий. Но как же тогда доказать, что именно эти бактерии вызывают холеру? Это было слабым звеном его анализа, вызывавшим многочисленные дискуссии и споры. Тем не менее представление о том, что заболевания вызываются микроорганизмами, все больше вытесняло из обихода теорию миазмов.

В 1892 году эпидемия холеры разразилась в Гамбурге. Чтобы предотвратить худший вариант развития событий, в город были направлены ведущие эксперты в области гигиены, в том числе и Роберт Кох. Он убеждал жителей Гамбурга, что неочищенная вода из Эльбы – не самое идеальное питье. В соседней Альтоне, находившейся под властью Пруссии, были построены очистные сооружения, и проблем с холерой там больше не возникало. В конце концов жители ганзейского города поддались увещеваниям и тоже принялись за строительство очистных установок.

Между тем Петтенкофер из своего мюнхенского института наблюдал, как все больше коллег перебегают в лагерь Коха. Если он хотел уберечь учение о миазмах от полного краха, надо было что-то предпринимать, причем немедленно. Хотя ему уже перевалило за семьдесят, сдаваться он не собирался. Он верил в свою теорию и надеялся разбить абсурдные воззрения Коха на холеру, использовав их самое слабое место – невозможность заразить подопытных животных с помощью бактерий. Он написал Коху письмо с просьбой прислать самую свежую культуру холерных бактерий.

Когда посылка прибыла в Мюнхен, утром 7 октября 1892 года Петтенкофер собрал нескольких доверенных людей и объявил, что сам станет подопытным животным. Перед ним стоял стакан с культурой холерных вибрионов. Если он прав и причина заболевания кроется в миазмах, то, сделав глоток из стакана, он в худшем случае почувствует лишь отвращение. Если же прав Кох, то это, вероятно, будет означать для него смерть. Он поднял стакан и выпил содержимое. Ваше здоровье!

Оставалось только ждать. Петтенкофер не упал тут же замертво. Скорее, наоборот. Находясь в добром здравии, он занялся своими делами, навестил родственников и с аппетитом поел тушеное телячье сердце с картофелем. Через пару дней у него появился легкий понос, который вскоре прошел сам собой – и больше ничего. В конце концов Петтенкофер опубликовал детальное описание эксперимента, в том числе подробное перечисление всех приемов пищи, состояние стула и даже, по его выражению, «каждое урчание в животе». Возможно, сегодня он воспользовался бы «Фейсбуком» и провел бы репортаж в режиме реального времени. Петтенкофер не умер. Он даже не заболел в тяжелой форме. А все дело в том, что в Мюнхене была хорошая почва. Ведь Петтенкофер лично позаботился о мероприятиях по ее оздоровлению. Поэтому тут не было никаких вредных миазмов – все очень просто!

Однако этот поразительный по смелости эксперимент, впоследствии названный «холерным завтраком», не произвел на научную общественность ожидаемого впечатления. Ведь Петтенкофер все-таки заболел, пусть и в самой легкой форме. Кроме того, опыт был повторен через несколько дней одним из его ассистентов, и у того холера проявилась куда в более тяжелой форме, чем у шефа. То, что старому Петтенкоферу так повезло, объяснялось, по всей видимости, тем, что он несколько лет назад уже перенес холеру и приобрел хотя бы частичный иммунитет.

Среди прочего ему не забыли того, что в ходе своего эксперимента Петтенкофер рисковал не только своим здоровьем, но и жизнью окружающих. Ведь он легко мог заразить любого из жителей Мюнхена, расхаживая по городу со своим урчащим желудком.

Таким образом, «холерный завтрак» практически не имел последствий. Теорию миазмов было уже не спасти. Она все больше чахла ив 1901 году умерла вместе с Петтенкофером, который застрелился. Почему он так поступил? Предполагают, что у него была депрессия и он боялся наступления старческого слабоумия. Кроме того, ходили слухи, будто для него была невыносимой мысль о том, что все сделанное им в течение жизни – а ведь было сделано немало хорошего – строилось на ложной идее.

Сегодня термин «учение о миазмах» употребляется гомеопатами совсем в ином контексте. Правда, от этого он не становится более доходчивым, чем во времена Петтенкофера…

Теория микроорганизмов, выступающих в роли возбудителей заболеваний, доказала свою правильность. Все было рационально и доказательно. Ну, почти…

Оставалась еще одна небольшая проблема. О ней и говорить-то не стоило. Так, мелкое недоразумение. Эта история началась как анекдот: немец, русский и голландец решили заняться изучением одной из болезней табака. Немец – агроном и химик Адольф Майер – был первым из этого трио, кто в 1882 году дал данному заболеванию название: мозаичная болезнь табака, так как она вызывала появление характерных пятен на листьях. Вдохновившись идеями Коха, Майер начал искать соответствующий возбудитель и сделал неожиданное открытие. Вообще-то открытия как такового не было, потому что под микроскопом не удалось обнаружить ни малейшего намека на возбудитель. Тем не менее он должен быть, потому что если инъекция сока из больного растения вводилась в здоровое, то последнее тоже заболевало.

Русский ученый Дмитрий Иосифович Ивановский в 1892 году провел исследование причин данной болезни и пришел к аналогичным выводам. Но он пошел еще дальше и использовал в своих опытах новейший керамический фильтр Шамберлана, имеющий такие мелкие поры, что сквозь них не проходили бактерии. И все же профильтрованный сок оставался заразным. Что бы ни предпринимал Ивановский, вывести культуру бактерий из этого сока он не мог. В чем же дело? Неужели заболевание вызывают какие-то невидимые субстанции? Это означало возрождение теории миазмов и возвращение в мрачные времена Средневековья. Должно быть, допущена какая-то техническая ошибка. А может быть, все дело в каких-то особенно мелких бактериях, которые могли миновать фильтр и для которых еще не найдены подходящие условия разведения? Ивановский не унывал. Он был уверен, что все обязательно разъяснится.

Третий из этой группы ученых – голландский микробиолог Мартин Виллем Бейеринк – придерживался на этот счет совершенно иной точки зрения. Он считал, что дело не в бактериях. В 1898 году возбудитель был охарактеризован им как Contagium vivum fluidum, то есть живая инфекционная жидкость. Подобно жидкости, он способен был проходить через все возможные фильтры и размножался только в живых клетках, а не в стерильной питательной среде. Бейеринк назвал его старым латинским словом, которым обозначались возбудители болезней до открытия бактерий, – вирус.

Хотя в последующие годы было выявлено немало заболеваний, возбудителей которых обнаружить не удалось, учение о миазмах приказало долго жить. О том, что же именно стоит за этим явлением, было немало споров, поскольку многие отказывались верить в таинственную живую жидкость, выдуманную голландцем. Прошло почти 40 лет, прежде чем невидимое удалось сделать видимым. В 1939 году на снимках, выполненных с помощью только что изобретенного электронного микроскопа, удалось разглядеть крошечные продолговатые белковые структуры – вирус мозаичной болезни табака.

Компьютерные вирусы появились сначала не в реальной жизни, а в фантастическом романе американского писателя Дэвида Герролда «Когда Харли исполнился год», вышедшем в 1972 году. В нем автор описывает программу под названием «Вирус», которая вызывает «болезнь» компьютера. Прыжок со страниц книги в жизнь вирусы совершили лишь спустя десять лет. Девятиклассник из Пенсильвании Рич Скентра разработал первый компьютерный вирус, чтобы произвести впечатление на друзей. Он носил название Elk Cloner и был достаточно безобиден: после каждого пятидесятого обращения к дискете на мониторе появлялось шуточное стихотворение.

Возбудитель мозаичной болезни стал первым вирусом, который удалось увидеть в электронный микроскоп. За ним последовало бесчисленное множество других. Сегодня нам известно много различных вирусов, которые встречаются практически везде.

По-видимому, на нашей планете нет ни одного живого организма, который не являлся бы целью вирусов. От бактерий и табачного листа до слона – никто не способен уберечься от них. Вирусы считаются самыми успешными и распространенными биологическими объектами. С ними никто не может сравниться. Пожалуй, их можно назвать тайными повелителями нашей планеты.

Возможно, вас немного удивило словосочетание «биологические объекты». Не проще ли было назвать вирусы живыми организмами? В том-то и дело, что, с точки зрения биологов, для этого вирусам недостает одного очень важного аспекта: у них нет собственного обмена веществ и рибосом (которые необходимы, чтобы производить белки на основе РНК). Это значит, что они не получают питания из окружающей среды и не могут самостоятельно размножаться. Однако вирусы являются признанными мастерами манипуляций! Для размножения они используют клетки организма-хозяина. Проникнув внутрь, они осуществляют их перепрограммирование, чтобы клетки начали производить новые вирусы. Поэтому вирусы мозаичной болезни табака могли неделями и месяцами плавать в питательных бульонах Майера, Ивановского и Бейеринка, никак себя не проявляя. Бактерии в подобных условиях вели бы себя подобно акулам в бассейне с куриными окорочками.

Если вы зачерпнете стакан воды из моря, в нем окажется примерно три миллиарда вирусов (то есть около десяти миллионов на миллилитр), и каждый из них пытается найти себе подходящую жертву: бактерию, водоросль, рыбу, морской огурец и все прочее, что только водится в морях.

Итак, вирусы, в соответствии с определением не могут считаться живыми организмами. Они не живые… но и не мертвые. И это предоставляет нам ряд интересных возможностей для создания необычных речевых оборотов: «Дружище! Что это у тебя нос так распух и покраснел?» «На меня напали невидимые живые мертвецы».

Оригинально, но не исключено, что после такого ответа вас нарядят в смирительную рубашку и отправят в психушку, где вы сможете устроить дискуссию по поводу научного определения вирусов.

Если вы пришли к заключению, что жизнь в клетке бьет ключом, то мы должны сообщить: это только цветочки. Все, что было рассказано ранее, напоминает покой осеннего сада, нарушаемый только шелестом падающей листвы. А вот за свежепокрашенным забором клеточной мембраны вас ожидают настоящие джунгли, где водятся по-настоящему дикие гены. Там начинается мир вирусов.

Начнем с самого простого: все живые организмы (бактерии, археи, тетя Хедвиг и табак) имеют геномы, состоящие из двух нитей ДНК, закрученных в спираль Уотсона и Крика. А что же вирусы? Они хранят свою наследственную информацию во всем, что им только под руку подвернется. Конечно, среди них найдется несколько экземпляров, которые ведут себя подобно нам и тоже имеют две нити ДНК. Но есть и такие, которые говорят: «Да бросьте вы, одной нити будет вполне достаточно!» Это наводит на мысль о пресловутом одноногом конькобежце, но такая система действует! А кто-то вообще обходится без ДНК и предпочитает скоростной вариант с использованием матричной РНК в качестве носителя наследственной информации. В этом случае при заражении клетки сразу же считывается РНК вируса и начинают производиться его белки. Быстрее не придумаешь. Среди вирусов встречаются и вольнодумцы, которые делают все наоборот и используют в качестве носителя наследственной информации РНК, представляющую собой зеркальное отражение мРНК. На первый взгляд не самое умное решение, но эти вирусы одновременно приносят с собой специальные белки, с помощью которых «негатив» РНК моментально превращается в мРНК. И, разумеется, существуют вирусы, геном которых представляет собой обычную двойную спираль РНК.

И это еще не вся палитра. Встречаются вирусы, чье решение заключается в отсутствии решений. Они переносят свою наследственную информацию из РНК в ДНК и тут же обратно. С собой они носят то РНК, то ДНК. Создается полнейший хаос. Кто все это придумал? Пока гены в клетках смирно сидят за забором со своими двойными спиралями ДНК, снаружи буйствуют сумасшедшие вирусы и делают все, что им в голову взбредет!

Но, прежде чем морщить нос и укоризненно качать головой, стоит вспомнить, что несколько таких же взбунтовавшихся генов мы можем отыскать и в собственном геноме. В первую очередь следует упомянуть ретротранспозоны. С помощью реверсивной транскриптазы они переводят считанную со своих генов РНК в ДНК и встраивают эту новую копию в какое-то другое место генома. Совершая такие прыжки внутри клетки, они, видимо, краем глаза все-таки поглядывают с тоской за клеточную мембрану и мечтают о необъятном мире за забором.

Многие ученые исходят сегодня из того, что, по крайней мере, один транспозон в далеком прошлом действительно вынашивал конкретный план побега. Сравните эту ситуацию с побегом из тюрьмы. Сначала необходимо отыскать путь на волю. А когда это удастся, неплохо бы иметь подходящее снаряжение, чтобы замести следы: одежду для переодевания, фальшивые документы и т. п. Кроме того, надо все продумать еще на шаг вперед и запланировать взлом очередной клетки, поскольку гены могут размножаться только там…

Непростая задачка! Чтобы все это реализовать, наш шустрый ретротранспозон должен был бы прихватить с собой еще пару генов, которые обеспечили бы ему защитный белковый панцирь (капсид), окутывавший РНК беглеца. По пути наружу капсид дополнительно оборачивался в оболочку из клеточной мембраны (своего рода маскировочный халат).

Чтобы представить себе этот процесс, вспомните, как пускают мыльные пузыри. Вы дуете на мыльную пленку, пузырь надувается и отделяется от трубочки, а пленка сразу после этого снова затягивается. Разница лишь в том, что в нашем случае внутри пузыря упакован ген-беглец. В клеточной оболочке после образования пузыря не возникает никакого отверстия. Она может образовывать несколько таких пузырей без нарушения собственной целостности. Эти пузыри без содержимого называются вирусоподобными частицами.

На мембране расположены специальные белки, служащие как бы фальшивым пропуском, с помощью которого странствующие гены могут попасть в новую клетку. Ведь только в этом случае они могут размножиться и продолжить свое путешествие.

Предполагается, что именно так или примерно так из ретротранспозонов могли появиться первые простейшие ретро-вирусы.

К числу более продвинутых ретровирусов, с которыми нам сегодня приходится иметь дело, относятся лентивирусы, которые кодируют еще несколько дополнительных генов. Их заслужившим недобрую славу представителем является ВИЧ, вызывающий синдром приобретенного иммунодефицита (СПИД). ВИЧ содержит в общей сложности всего девять генов, однако с их помощью он справляется с 20 тысячами наших генов и успешно сопротивляется медицинским исследованиям, длящимся уже свыше 30 лет. Это впечатляет и одновременно пугает.

Итак, мы можем достаточно хорошо представить себе, как в свое время могли появиться ретро- и лентивирусы. А что с остальными вирусами? Откуда взялись те из них, которые не содержат реверсивной транскриптазы, обладают ДНК и размножаются совершенно иначе? На этот счет имеется три основные теории, из которых вы можете выбрать себе фаворита.

Кандидат № 1: теория древних пиратов. В данном случае ученые исходят из предположения, что вирусы являются пережитками древнего мира РНК. В то время (еще до появления клеток) строительные материалы для жизни создавались химическим и физическим путем за счет ударов молний и падений комет. Первые самовоспроизводящиеся РНК добывали все необходимое из весьма жиденького первичного бульона. Этого было явно недостаточно. Но и лежать, разинув рот, под деревом, ожидая, когда в него упадут вишни, тоже не имело смысла. Некоторым РНК в конце концов надоело ждать, и они начали самостоятельно производить энзимы и составные элементы РНК, ДНК, белков и т. д. У них появился собственный обмен веществ, и они превратились в первые клетки. Это было гениально. Особенно обрадовались те, кто не любил утруждать себя работой и пачкать руки. Они отложили в сторону ложки, которыми хлебали первичный бульон, и взялись за ножи, чтобы стать пиратами. Они нападали на первые клетки, отнимали у них все, что им требовалось, и в конце концов превратились в вирусы.

По сути дела, вирусы просто перешли на другой вид бесплатного питания. С этой точки зрения все мы являемся потомками первых вирусов, которые обзавелись обменом веществ.

Кандидат № 2: теория «мне все это не нужно». Сторонники данной теории исходят из того, что первоначально вирусы были живыми организмами, ведущими паразитический образ жизни в клетках, но затем вдруг начали избавляться от генов, в которых не испытывали острой необходимости. Так продолжалось до тех пор, пока у них не осталось ничего своего, кроме пары особо упорных генов. Можно сказать, что они доэкономились до последней точки.

Кандидат № 3: теория побега, с которой мы вкратце познакомились чуть выше. Гены, склонные к путешествиям, сбежали из клеток и оставили им на память свое прошлое, которое теперь является неотъемлемой частью их генома.

У всех трех теорий есть свои сильные и слабые стороны, но самое замечательное заключается в том, что, если вам трудно сделать выбор в пользу одной из них, это не повод расстраиваться. Многие ученые считают вполне возможным, что возникновение вирусов шло разными путями. Не исключено, что все три теории верны. Это оказалось бы неожиданным примиряющим фактором для исследователей.

Одним из аргументов в пользу теории «мне все это не нужно» может служить открытие гигантских вирусов. Эта глава в исследовании вирусов началась в 1992 году, когда в больнице английского города Брэдфорда вдруг началась необъяснимая эпидемия пневмонии. Сначала врачи думали, что причиной являются кокки – шаровидные бактерии. Их даже назвали «брэдфордскими кокками», но при сильном увеличении с помощью электронного микроскопа выяснилось, что это вовсе не бактерии, а гигантские вирусы. Они лишь выглядели как кокки. Впоследствии их окрестили мимивирусами из-за способности к мимикрии (маскировке). В ходе дальнейших исследований было установлено, что геном этого вируса состоит из 1,2 миллиона кирпичиков ДНК и содержит более 1200 генов. Это просто гигант среди вирусов. Настоящий Годзилла! Последующие годы показали, что мимивирус не одинок. Существует еще много разновидностей гигантских вирусов с наличием ДНК в геноме, которые, несмотря на свои размеры, до недавних пор ускользали от ученых.

Если по поводу происхождения вирусов имеются более или менее внятные теории, то время возникновения каждого конкретного вируса определить намного сложнее, так как, в отличие от животных и растений, вирусы не оставляют ископаемых окаменелостей. Однако в Музее естествознания (Берлин) удалось найти любопытный экспонат в зале динозавров. Там демонстрируются настоящие гиганты, населявшие нашу планету в прошлом. Но в данный момент речь идет не о гигантском брахиозавре, а о существе, находящемся в его тени. Доходящий нам всего до пояса травоядный Dysalo-tosaurus lettowvorbecki, живший в юрском периоде, кажется, пытается убежать на своих тонких ножках от более крупного хищного ящера. При исследовании позвоночника этого динозавра музейным ученым бросилось в глаза странное утолщение. Выяснилось, что оно может быть следствием заболевания, вызванного дальним родственником сегодняшнего вируса кори. Таким образом, кость, возраст которой составляет 150 миллионов лет, является самым древним в мире ископаемым доказательством наличия вирусов в те времена.

В то же время Pithovirus sibегкит, которому всего 30 тысяч лет от роду, представляет собой совершенно свежий образец. Этот вирус был найден в 2014 году в сибирской вечной мерзлоте, где он дремал со времен мамонтов и саблезубых тигров. Несмотря на такое долгое бездействие, он, оттаяв, оказался способным заразить амебу. Такой вот привет из далекого прошлого. Если вследствие изменения климата вечная мерзлота растает, мы можем оказаться свидетелями возрождения этого и других давно забытых вирусов…

Сегодня наряду с палеонтологией существует и палеовирология. Ученые, специализирующиеся в этой области, не странствуют с лопатами на плечах по отдаленным уголкам мира. Их чаще можно встретить с пипеткой в руках в лаборатории или, что более вероятно, с дымящейся чашкой кофе за компьютером. Ведь место, где можно найти остатки давно исчезнувших вирусов, – это ДНК современных живых организмов. В наследственном материале со временем накапливаются все новые следы неудавшихся пиратских нападений, то есть геномы вирусов, которые проникли в клетку, но по какой-то причине не сумели из нее выбраться. Как бы то ни было, почти 10 процентов нашего генома занимают такие ископаемые и большей частью дефектные последовательности вирусов.

Если в геномах родственных видов животных обнаруживается на одном и том же месте один и тот же ген древнего вируса, можно сделать вывод, что он присутствовал у общих предков обоих видов. В целом все убеждает нас в том, что вирусы с давних пор (если вообще не с самого начала времен) являются нашими спутниками. Доказано, что предки ленти-вирусов появились не позднее 12 миллионов лет назад, предок сегодняшнего вируса гепатита В существует уже 19 миллионов лет, а возраст предшественников вируса Эбола и ретровирусов составляет почти 100 миллионов лет.

Остатки этих вирусов в геномах можно уподобить следам ног на песке пляжа, где их непрерывно разрушают ветер и волны. Точно так же мутации в наследственном материале за миллионы лет могут до неузнаваемости изменить остатки вирусов. В связи с этим можно предположить, что на самом деле вирусы намного древнее, чем их обнаруживаемые в ДНК ископаемые остатки.

Но палеовирологи борются не только с временем. Составляя генеалогическое древо вирусов, они сталкиваются с осложняющим фактором, который заключается в том, что видовые границы не представляют для вирусов непреодолимой преграды. Приходится все время искать двери, через которые они могут проскользнуть, распространяясь от одного вида живых существ к другому. Так, например, ВИЧ попал в организм человека от обезьян, а разные вирусы гриппа перекочевывают к нам то от птиц, то от свиней. Известны даже вирусы, которые могут размножаться в организме и растений, и насекомых или поочередно переходить от насекомых к млекопитающим и обратно.

Ввиду такого горизонтального переноса генов между различными видами вирусов им трудно найти подходящее место на генеалогическом древе, которое предусматривает главным образом вертикальный перенос генов от родителей к потомству.

Кроме того, у вирусов есть еще два свойства, которые способны довести составителей генеалогических древ до отчаяния. Они отличаются большой небрежностью и к тому же склонны воровать, как сороки. Небрежность проявляется в том, что при копировании своего генома они допускают больше ошибок, чем пьяный подросток, который, катаясь на американских горках, пытается отправить СМС своей подружке. С эволюционной точки зрения в этом есть смысл (для вируса, а не для подростка), потому что возникающие мутации изменяют вирус и дают ему возможность приспособиться к новым условиям. Что же касается воровства, то существуют вирусы, которые прихватывают с собой все гены, до которых могут дотянуться. Они заимствуют их и у клеток организма-хозяина, и у других вирусов, причем везде, где только можно. Им безразлично.

ДНК-содержащие вирусы ведут себя в данном плане заметно активнее, чем РНК-содержащие вирусы. Возможно, это объясняется тем, что у них в геноме больше места для наворованного добра. Поэтому составление генеалогического древа, основанного на сравнении нуклеотидных последовательностей, весьма проблематично из-за наплевательского отношения вирусов к своему геному. В связи с этим родственные связи между различными видами вирусов определяются не по сходству геномов, а по сходству капсидов. Но даже в этом случае речь идет не о последовательности, в которой белки располагаются в капсиде, а о способе их «упаковки», потому что здесь у вирусов значительно ограничено пространство для маневра.

Первая такая наследственная линия вирусов была выявлена, когда обнаружилось поразительное сходство капсидов человеческих аденовирусов и вируса одной бактерии, найденной в 1970-е годы в очистных сооружениях города Каламазу в штате Мичиган. Сегодня эта линия насчитывает огромное количество различных вирусов, охватывающих все жизненные ниши и имеющих капсиды икосаэдрической формы (икосаэдр представляет собой шарообразную структуру, поверхность которой состоит из 20 треугольных граней), построенные из белков схожей структуры.

Вместе с тем аденовирусы интересны и сами по себе с точки зрения эволюции, поскольку они встречаются не только у млекопитающих, но и у птиц, рыб, пресмыкающихся и амфибий. Большое количество видов этих вирусов позволяет лучше раскрыть их эволюцию. У аденовирусов имеется 16 генов, входящих в «базовую комплектацию» и заботящихся об их основных нуждах: формировании капсида, размножении наследственного материала и его упаковке в капсид.

Возможно, вы сейчас подумали: «Аденовирусы? О них я еще никогда не слышал». Что ж, вы не одиноки. Аденовирусами заражалось подавляющее большинство людей, но знакомы с ними лишь очень немногие. А ведь они очень широко распространены. Только в человеческом организме обитает более 60 различных типов аденовирусов. Они встречаются у всех позвоночных животных, и некоторые данные указывают на то, что даже динозавры, глядя на солнце усталыми и воспаленными красными глазами, хлюпая носом, кашляя и мучаясь поносом, задавали себе вопрос, когда же все это наконец закончится. Ладно, согласен, для такой комбинации симптомов одного типа аденовирусов будет маловато, но образ нашего динозавра позволяет составить общее представление о спектре заболеваний, которые аденовирусы могут вызвать у человека с хорошо работающей иммунной системой.

Все эти гены, по-видимому, присутствовали уже у общего предка аденовирусов и до сегодняшнего дня занимают, как правило, место в центре их генома. Новые приобретения из числа генов, которые позволяют вирусам приспособиться к организму осетра, белки или еще кого-нибудь, расположены ближе к концам генома ДНК (это напоминает деревенский пивной кабачок где-нибудь в Баварии: по центру стоит стол для местных завсегдатаев, а всякие понаехавшие ютятся вдоль стен и возле туалета). Новые приобретения делались аденовирусами где придется: у клеток хозяев, у других вирусов и даже у бактерий. Многие из украденных генов со временем были приспособлены под нужды вирусов. Одни из них удваивались, другие подвергались основательным мутациям и в результате переставали выполнять свои прежние функции, получая от вирусов совершенно новые задачи.

Поистине, вирусы – пираты генетических морей.

Глава 10

На помощь, идут мутанты!

О свиньях, птицах и докторе Гиллемане, который извлек пользу из того, что его дочь заболела свинкой.

«О, какая чудная гавайская рубашка – с пальмами, всех цветов радуги… Большое спасибо, тетя Хедвиг», – напропалую вру я.

Сегодня у меня день рождения, я в прекрасном настроении и уверен, что его не сможет испортить даже типичный тетин подарок. Времена, когда она раз за разом дарила мне собственноручно связанные свитера с оленями, слава богу, закончились. Кстати, я наладил хороший контакт с руководителем местного благотворительного заведения, собирающего одежду для нуждающихся, и мои пожертвования воспринимаются там на ура, поскольку они совершенно не ношеные.

Я обнимаю Хедвиг – возможно, чересчур наигранно. В ней зарождаются какие-то подозрения, и она наносит неожиданный удар:

– Я рада, мой мальчик, что угадала твой вкус. Майки с дурацкими надписями – это одноразовый товар. Если будешь их носить, карьеру не сделаешь. Уважающий себя человек носит рубашки. Поэтому ты прямо сейчас наденешь ее и пойдешь на работу, – с улыбкой произносит она.

Я нервно сглатываю слюну и пытаюсь как-то выкрутиться из ситуации, но уже поздно. Хедвиг взяла меня в оборот и выпускать не собирается.

Спустя 20 минут я выхожу из дома в новой рубашке и отправляюсь на работу. На автобусной остановке я издалека замечаю Ларса – своего коллегу из бухгалтерии. Я машу ему рукой, но он не обращает на меня ни малейшего внимания. Да уж, день рождения становится все веселее.

– Привет, – говорю я, подходя к нему вплотную.

Только теперь он замечает меня:

– Что с тобой стряслось? Ну и прикиду тебя! Твоя жена, вообще, знает, что ты шляешься по улице в таком виде?

Я пытаюсь сохранить лицо и бормочу что-то о последних тенденциях в мире моды и о том, что я сам решаю, как мне одеваться, но потом сдаюсь и рассказываю, как тетя Хедвиг посадила меня в лужу. Ларе сочувственно смотрит на меня и предлагает свою запасную рубашку, которую всегда держит на работе на крайний случай.

Весь остаток дня я сижу в шикарной черной рубашке и чувствую себя в ней просто прекрасно. Да и во всем остальном день складывается отлично. Мне удается все, за что я берусь. Неужели все так зависит от одежды? Как знать!

Одно можно сказать с уверенностью: изменения в умеренных дозах служат двигателем у спеха.

Многие вирусы тоже меняют свой внешний облик, и это приносит кучу бед нам, людям. Например, грипп – настоящий мастер перевоплощений. Каждый раз по осени он приходит к нам в новом одеянии и пытается уложить в постель всех, с кем пересекутся его пути (тем, кому дороги спокойствие и соображения морали в отношениях с ним, мы рекомендуем делать сезонные прививки от гриппа).

На протяжении столетий грипп появлялся, словно фантом, нередко вызывая у людей воспаление легких и жар, а затем, собрав свою долю жертв, снова исчезал. Из-за отсутствия других подходящих объяснений появление гриппа в Средневековье приписывали положению звезд и планет. Кроме того, ему дали окутанное тайной название – инфлюэнца, что означает «влияние».

Но с чем мы имеем дело в действительности? Крошечная шарообразная структура, окруженная мембраной с шипами, которые образованы белками гемагглютинином и нейраминидазой, а внутри прячется генетическая инструкция, несущая беды всем жертвам. Вот так выглядит грипп – эта роковая женщина среди всех вирусов. А поскольку светской даме требуется множество нарядов в гардеробе, то вариации молекул гемагглютинина и нейраминидазы элегантно комбинируются друг с другом. В настоящее время известно 18 различных типов гемагглютинина и 11 – нейраминидазы (высказываются предположения, что к ним могут добавиться и новые, потому что красивых нарядов много не бывает). Теоретически возможны 198 различных комбинаций нейраминидазы и гемагглютинина. Чтобы как-то отличать их друг от друга, вирусы гриппа получают обозначения типа H1N1, H2N2 или H5N1.

Нацелившись на какую-то клетку, вирус гриппа осторожно приближается к ней и «цепляется» гемагглютинином за молекулу сиаловой кислоты, входящей в состав поверхности клетки. Клетка не в силах противостоять этому и приоткрывает вирусу проход. Поскольку всем известно, что чужих в свой дом просто так не пускают, поначалу вирус тихонько сидит, окруженный мембранным пузырьком. Но не такова роковая женщина, чтобы скрывать свои наряды под лишней оболочкой. У нее есть еще один козырной туз в рукаве. Она забрасывает гемагглютинин, словно рыболовный крючок, в окружающую ее мембрану, в результате чего оболочки самого вируса и клетки сливаются воедино.

Ну а потом уже клетка выполняет все, что пожелает вирус: она производит для него потомство, причем многочисленное. Новые вирусы разлетаются во все стороны, а чтобы эти юные и неопытные создания по ошибке вновь не соблазнились уже зараженной клеткой, на ее мембране вывешивается что-то вроде таблички «Просьба не беспокоить». Эту функцию выполняет нейраминидаза. Для того чтобы никто не поддался искушению, она просто удаляет с поверхности клетки сиаловую кислоту.

К счастью, клетки нашего организма не предоставлены сами себе в противостоянии вирусу гриппа. На их стороне выступает сильный партнер – иммунная система, которая своевременно предупреждает о повторном возвращении бывшего бойфренда, чтобы мы не вздумали вновь завязать с ним отношения. Этот же партнер впоследствии выметает осколки, если мы не нашли в себе сил противостоять искушению, и предоставляет свою жилетку, в которую можно вволю поплакаться.

Короче говоря, если однажды организм уже подвергся заражению гриппом, то иммунная система стоит на страже и не допускает повторной инфекции, но только в том случае, если она узнает этот вирус, а тут-то и кроется загвоздка. Такое случается далеко не всегда, поскольку, как уже было сказано, вирус гриппа непрерывно меняется.

Причина заключается в том, что собственные копировальщицы генома гриппа – полимеразы – допускают в ходе работы очень много ошибок. Применительно к генетическому контексту «очень много» – это одна ошибка на 10 тысяч нуклеотидных оснований. Если исходить из того, что одна книга содержит в среднем 100 тысяч слов, получается всего десять ошибок на книгу. Казалось бы, это нельзя назвать повальным разгильдяйством, но если учесть, что в человеческом геноме полимеразы работают намного точнее и допускают всего одну ошибку на 10 тысяч книг, то вирусы гриппа можно обвинить в генетическом распутстве. Такие изменения называют дрейфом антигенов. Подобные ошибки возникают непрерывно и приводят к тому, что со временем в наследственном материале вируса накапливаются мутации. Разумеется, среди этих ошибок есть немало неработоспособных обломков, но вирусы делают ставку не на целенаправленную оптимизацию своей конструкции, а на большое число попыток. Другими словами, если среднестатистическая супружеская пара в Германии, воспитывая своего 1,4 среднестатистического ребенка, очень сильно заинтересована в успехе, то вирусы гриппа не слишком обеспокоены результатом. Ведь зараженная гриппом клетка производит от одной до десяти тысяч новых вирусов, и есть надежда, что хотя бы в одном случае получится что-нибудь путное.

Дрейф антигенов является причиной того, что противогриппозная вакцина каждый год должна обновляться. Наша иммунная система действует примерно также, как антивирусная программа компьютера. Она сканирует организм, выявляет потенциально вредные программы и устраняет их. В данном контексте прививку можно сравнить с обновлением антивирусной программы, в ходе которого в нее добавляется информация о новых вирусах. Поскольку вирус гриппа постоянно меняется, антивирусные системы всегда должны соответствовать ему. Без регулярного обновления (повторных прививок) может случиться так, что новый вариант вируса не будет распознан. В этом случае он начнет размножаться в организме пациента, а значит, человек заболеет.

Но откуда врачи заранее знают, как будет выглядеть вирус гриппа следующей осенью? Неужели в сверхсекретных подземных лабораториях установлены машины времени? А может быть, руководители Всемирной организации здравоохранения каждый год отправляются в паломничество к ясновидящей в Вупперталь, чтобы та заглянула в свой волшебный хрустальный шар? Предположения, конечно, интересные, но на самом деле все обстоит не так. Этот процесс, скорее, можно сравнить с планированием в мире моды.

На появление новых тенденций оказывают большое влияние показы моды в Милане, Париже и Нью-Йорке. То, что там демонстрируется, чаще всего можно будет обнаружить в следующем сезоне в розничной торговле. То же самое и с гриппом. Каждый год у людей, переболевших гриппом, собираются пробы, которые направляются для анализа в крупные противогриппозные центры в Атланте, Лондоне, Мельбурне, Пекине и Токио. Там осуществляются их изучение и учет: какие варианты гриппа фиксируются в разных точках мира, с какой частотой это происходит, как они воспринимаются иммунной системой человека. Дважды в год ВОЗ организует встречи директоров этих центров, где обсуждаются последние тенденции в области гриппа и вырабатываются рекомендации по изготовлению вакцины на следующий сезон.

В феврале эти рекомендации рассылаются странам северного полушария, а в сентябре – южного. Дело в том, что особо широкое распространение вирусов гриппа наблюдается в холодные зимние месяцы или во время сезона дождей, если речь идет о более теплых странах. А поскольку лето и зима в разных полушариях противоположны по фазе, то и сезон гриппа соответственно смещается в них на полгода.

Иногда приходится сталкиваться с ситуацией, когда вирусы гриппа изменяются не медленно и постепенно, а очень резко: внезапно появляется вирус, который в корне отличается от всех, что были раньше. В таком случае говорят об антигенной изменчивости. Обычно она возникает из-за того, что появляется вирус с новым гемагглютинином или нейраминидазой, заставая иммунную систему большинства людей врасплох. Поэтому такой вирус размножается очень быстро и способен вызвать пандемию – эпидемию всемирного масштаба. В такой ситуации очень трудно своевременно изготовить подходящую вакцину для прививок.

Долгое время было непонятно, чем заняты вирусы гриппа, когда у нас лето. Предполагалось, что они в это время совершают сезонную миграцию из северного полушария в южное. Однако последние исследования показали, что в Восточной и Юго-Восточной Азии есть один регион, где зимний сезон и сезон дождей частично совпадают, поэтому вирусы гриппа циркулируют в этой благоприятной для них обстановке круглый год, постоянно мутируя. Когда в нашем полушарии наступает холодное время года, вирусы из этой комфортной зоны распространяются по торговым и туристическим путям в направлении Европы и Северной Америки.

Но в чем причина антигенной изменчивости? Одно из возможных объяснений состоит в том, что вирус гриппа, который до этого заражал только какой-то определенный вид животных, вдруг перекидывается на человека. Дело в том, что грипп бывает не только у людей, но и у многих животных – собак, кошек, лошадей, китов, тюленей, летучих мышей, свиней, птиц. Для каждого из них характерен специфический вирус, и, хотя все вирусы гриппа состоят между собой в родстве, они обычно не могут заразить человека.

Тем не менее, как это порой случается в биологии, время от времени нечто подобное все же происходит! Самая мощная из известных на сегодняшний день волна гриппа, прокатившаяся по миру в 1918–1919 годах, была вызвана, скорее всего, именно антигенной изменчивостью. Когда вирус переходит с одного вида животных на другой, то к этому обычно не готовы не только животные, но и сам вирус. Возникшую ситуацию можно сравнить с тем, что вы решили скосить газон у своего дома с помощью кормоуборочного комбайна. Протиснув эту громадную машину через ворота к себе во двор, вы приступаете к работе. Но, когда комбайн начинает вместе с травой заглатывать кусты смородины и гортензии, весь ваш энтузиазм быстро заканчивается…

То же самое происходит и с вирусами, которые преодолели межвидовую границу. Их реакция на организм-хозяин зачастую оказывается слишком сильной. Это плохо не только для хозяина. Вирус тоже не слишком обрадуется его смерти, так как в мертвом теле он не может размножаться. Но это слабое утешение, особенно если принять во внимание размах пандемии гриппа 1918–1919 годов, во время которой от появления первых симптомов до смерти от удушья в результате скоротечного воспаления легких зачастую проходило лишь несколько часов.

До сегодняшнего дня еще не выяснено окончательно, откуда взялся вирус гриппа H1N11918 года, но наиболее вероятной представляется теория, что вирус птичьего гриппа заразил одного или нескольких человек. Из-за ошибки при копировании генома возникли случайные мутации, в результате которых вирус начал передаваться от человека человеку. Теперь его разрушительному кругосветному путешествию больше ничто не могло помешать.

Первые случаи были задокументированы весной 1918 года в США. У властей возникла проблема: Первая мировая война шла полным ходом, а тут, словно из ниоткуда, появилась болезнь, которая поражала в основном молодых людей призывного возраста и очень быстро распространялась. Никто не знал, чем вызвано заболевание и что можно против него предпринять (до момента открытия возбудителя гриппа оставалось еще двенадцать лет).

А что обычно делают в таких случаях? Правильно, стараются все скрыть. Ведь лишние тревоги плохо сказываются на здоровье, а во время войны это еще и вредная пропаганда. Таким образом, вирусы гриппа вместе с американскими солдатами направились во Францию. Там грипп начал с невероятной скоростью распространяться по обе стороны от линии фронта. Но лишь когда он добрался до нейтральной Испании и от него пострадало несколько членов королевской семьи, болезнь получила название «испанка», под которым и вошла в историю.

Летом 1918 года возникла небольшая передышка, но осенью эпидемия гриппа возобновилась с новой силой. К октябрю было инфицировано столько солдат, что некоторые историки приписывают этому обстоятельству окончание войны. Однако Нобелевская премия мира вирусу гриппа так и не была присуждена.

Когда к весне 1919 года волна гриппа опять несколько схлынула, вирусом было заражено уже от 20 до 50 процентов населения Земли. От инфекции погибло более 20 миллионов человек во всем мире. Таким образом, количество жертв оказалось даже больше, чем число погибших в годы Первой мировой войны с 1914 по 1918 год.

Но в основе антигенной изменчивости может лежать и другой механизм – так называемый генетический реассортимент. Термин звучит не слишком удобоваримо, но означает лишь то, что вирусы гриппа не проводят границы между своим и чужим. Дело в том, что геном вируса гриппа не является чем-то единым и неделимым. Он состоит из восьми частей. При размножении в каждый новый вирус должны быть упакованы все восемь, чтобы потомство было дееспособным. Все это несколько напоминает сборы перед уходом из дома холодным зимним утром. Надо надеть ботинки, куртку, шапку, шарф и перчатки. Если что-то забыть, то последствия очень быстро негативно скажутся на самочувствии.

Казалось бы, все просто, но иногда бывает так, что клетка инфицирована не одним, а одновременно двумя разными вирусами гриппа. Вот тут-то и начинаются проблемы. Представьте себе, что вы стоите в полутьме прихожей перед гардеробом, где, помимо вещей членов семьи, немалое место занимает и одежда Хедвиг. Если вам надо, не поднимая шума и не включая свет, собрать полный комплект из ботинок, куртки, шапки, шарфа и перчаток, то не исключено, что вы только после выхода из дому обнаружите, что на голове у вас шапочка с помпоном сомнительного розового цвета, а в кармане куртки вместо ключа от машины лежит кружевной платочек, пахнущий лавандой.

У вирусов гриппа причиной генетической неразберихи становятся родственные типы, живущие в организмах разных видов животных. Особую опасность вызывают семейные встречи вирусов птичьего, свиного и человеческого гриппа. Обычно они проводят свои сходки в организме свиней, так как все три вида вирусов чувствуют себя там вполне уютно, в то время как в человеческом организме вирусы птичьего гриппа обычно не выживают и наоборот.

В результате как раз такой встречи в 1957 году по всему миру распространился азиатский грипп. За несколько лет до этого в теле какой-то китайской домашней свиньи произошла пересортировка гемагглютинина и нейраминидазы между вирусами птичьего и человеческого гриппа. Со временем из-за ошибок в копировании возник вирус, который мог прекрасно размножаться в клетках человеческого тела и передаваться от одного человека другому.

Оболочка этого вируса была настолько изменена новыми гемагглютинином и нейраминидазой, что иммунная система большинства людей оказалась совершенно не готовой к борьбе с новым вирусом, вошедшим в историю по названием H2N2. Даже несмотря на то, что иммунная система способна к обучению и обладает прекрасной памятью, ей требуется некоторое время, когда она впервые сталкивается с каким-то возбудителем. А это значит, что новый вирус имеет возможность с колоссальной скоростью размножаться в организме, пока иммунная система выработает против него какие-то меры. Люди заболевали сами и заражали других. Со скоростью ветра вирус пронесся через всю Азию, а уже через шесть месяцев распространился по всему миру. Мы полагаем, что кругосветное путешествие азиатского гриппа, длившееся до 1958 года, обошлось человечеству примерно в два миллиона жизней.

С историей азиатского гриппа очень тесно связано имя американского врача и микробиолога Мориса Гиллемана. За свою карьеру он разработал свыше 40 вакцин, многие из которых применяются и по сей день, а получение им вакцины от свинки – это просто настоящая семейная история.

Вечером накануне отъезда Гиллемана в командировку в Южную Америку (это было в 1963 году) внезапно заболела его пятилетняя дочь Джерил Линн. У нее поднялась температура и раздулась шея – свинка. Что должен сделать любящий отец в такой ситуации? Из опасения, что к моменту его приезда болезнь уже может пройти, он быстро достал тампон и взял мазок из гортани. За неимением лучшего Гиллеман сунул этот тампон в стакан с говяжьим бульоном и помчался с ним на ночь глядя в лабораторию, где заморозил пробу.

Позднее он изготовил из этого мазка культуру вируса свинки и, постепенно ослабляя его, получил в конце концов штамм вируса, вызывавший защитную иммунную реакцию, но не приводивший к заболеванию. Испытывая отцовскую гордость, он назвал эту вакцину в честь своей дочери. Вирус Джерил Линн до сих пор используется в медицине для прививок от свинки.

Одной из первых пациенток, получивших пользу от новой вакцины, была, кстати, младшая дочь Гиллемана Кирстен, на которой в числе прочих проводились клинические испытания. Для ученого эта история может послужить примером удачного сочетания работы и семейной жизни, но Кирстен вряд ли была довольна тем, что ей всю жизнь приходилось не только донашивать за старшей сестрой одежду, но и пользоваться ее поношенными вирусами.

Но вернемся к вирусу гриппа. За шесть лет до этого, в апреле 1957 года, Гиллеман прочитал в газете о вспышке гриппа в Гонконге, которая в самое короткое время охватила 250 тысяч человек. Ему сразу же стало ясно, что это означает: надо готовиться к мощной эпидемии гриппа. Гиллеман, работавший в то время в Вашингтоне в Армейском исследовательском институте имени Уолтера Рида, забил тревогу. Он обратился к общественности и заявил, что эпидемия гриппа придет в США точно к началу учебного года после летних каникул. Одновременно он затребовал пробы от зараженных в Гонконге и спустя три недели выделил из этого материала вирус гриппа, покрытый неизвестными до того момента гемагглютинином и нейраминидазой, против которых у большинства людей не было антител. Только иммунная система тех, кому исполнилось 65 лет и более, похоже, распознавала новый штамм вируса и обеспечивала хотя бы частичную защиту. Из этого Гиллеман сделал правильный вывод, что этот или схожий с ним вирус гриппа уже проявлял себя 65 лет назад и у людей, сталкивавшихся с ним, мог выработаться иммунитет. Он предположил, что где-то должен существовать резервуар вирусов гриппа, из которого регулярно появляются старые типы вирусов и формируются новые.

Получив культуру вируса, Гиллеман сразу же разослал ее по фармацевтическим фирмам с просьбой срочно разработать вакцину против нового гриппа. Одновременно он установил контакт с ведущими фермами по разведению кур и попросил не убивать петухов, как обычно, а использовать их в массовом порядке для оплодотворения яиц. Дело в том, что вирусы гриппа лучше всего размножаются на оплодотворенных куриных яйцах, поэтому для производства новой противогриппозной вакцины их нужно было колоссальное количество. В этой кризисной ситуации Гиллеман, во-первых, заслужил огромную благодарность петухов (хотя бы на короткое время), а во-вторых, ярко продемонстрировал свою дальновидность и настойчивость. Возможно, ему помогло то, что он вырос на птицеводческой ферме в Монтане и разбирался в курах получше других.

В конце лета грипп, как и предсказывал Гиллеман, прибыл точно к началу учебного года. Однако благодаря интенсивной подготовке азиатскому гриппу уже противостояло 40 миллионов доз вакцины. Тем не менее полностью избежать эпидемии гриппа в США не удалось. От гриппа умерло 70 тысяч американцев, многие заболели. Но сегодня все согласны с тем, что благодаря Гиллеману эту эпидемию в США удалось остановить и существенно ослабить ее последствия.

Эпидемии гриппа случаются постоянно. В 1968 году азиатский грипп сменился гонконгским, который был вызван вирусом H2N3. И снова не обошлось без свиней. Вследствие антигенной изменчивости появился вирус с новой нейраминидазой на оболочке. Эта пандемия унесла почти миллион жизней во всем мире.

В последний раз свиной грипп заставил говорить о себе, когда в июне 2009 года ВОЗ официально объявила о пандемии. Правда, это название не совсем соответствует действительности, так как в вирусе, помимо составных частей свиного гриппа, присутствовали фрагменты человеческого и птичьего. Однако смешался этот коктейль опять-таки в организме свиньи. Бедное животное!

Вирус 2009 года, относившийся к типу испанского гриппа H1N1, с колоссальной скоростью распространился по миру. Однако, в отличие от испанки, он не вызвал тяжелых последствий, а количество жертв оказалось, к счастью, даже ниже, чем при «обычном» сезонном гриппе.

Можно ли, в принципе, предсказать, когда начнется очередная пандемия гриппа? Ответ на этот вопрос чрезвычайно прост: кто знает?

Во времена, когда с помощью веб-камеры и специального приложения к смартфону можно установить круглосуточную слежку за своим холодильником, такой ответ вряд ли кого-то может устроить, но он, по крайней мере, честен и его можно дать, не испытывая угрызений совести. Заранее установить точное время появления нового вируса попросту невозможно. Этого не смог сделать даже Морис Гиллеман. Ведь, когда он предостерегал США от азиатского гриппа, пандемия уже шла полным ходом, хотя и на другом конце света. Гиллеману можно поставить в заслугу то, что он был отличным наблюдателем и сумел сделать правильный вывод, что грипп, свирепствовавший в Гонконге, достигнет и Америки. Он смог отстоять это убеждение и в кратчайшие сроки принять исчерпывающие меры, хотя это было далеко не просто.

Организация наблюдений с целью оценки риска пандемии является единственным инструментом и в наши дни. Благодаря постоянному сбору и анализу данных мы можем довольно уверенно судить о том, какие вирусы готовятся к наступлению и не появились ли новые типы вирусов гриппа животных, которые могут угрожать человеку.

В настоящее время существует два наиболее вероятных кандидата на роль виновника новой пандемии гриппа. Это два типа птичьего гриппа H5N1 и H7N9. Зарегистрировано несколько единичных случаев передачи их от птиц людям, приведших к тяжелому воспалению легких. Оба вируса находятся под постоянным тщательным наблюдением. Остается лишь ждать, какие мутанты включатся в гонку в следующий раз…

Глава 11

Лишь бы пошло на пользу…

Истории превращения злодеев в праведников. Мы учимся приручать дикие гены и заставляем их приносить пользу, хотя это труднее, чем может показаться поначалу.

Все, сил больше никаких нет… Я работал всю ночь напролет, чтобы вовремя подготовить документы, так как наш шеф сильно нервничает, когда срываются назначенные сроки. Сейчас девять часов утра, работа сделана, и я отпросился на полдня. Все семейство ушло по делам, и я заваливаюсь спать. Кроме щебетания птиц, с улицы не доносится никаких звуков. Чудесно! Я закрываю глаза и чувствую, как дремота охватывает меня и влечет в царство снов…

Дзынь!

Звонок у входной двери возвращает меня к реальности. О Господи, нет! Я хочу спать! Наверное, это опять наш ненормальный домоуправляющий с очередной жалобой. Пошел бы он… Я накрываю голову подушкой и делаю вид, что ничего не слышал. Меня нет дома… А вдруг это принесли посылку? Тогда мне придется самому идти на почту, а это всегда отнимает кучу времени.

Вот же дерьмо!

Тихонько чертыхаясь про себя, я встаю и иду открывать дверь. За ней стоит наш сосед Гектор.

– Доброе утро, – говорит он. – У тебя ключ торчит снаружи. Ты бы вытащил его. Кроме того, я хотел спросить, как ты относишься к вафлям. Они вкуснее всего, когда свежие, а в нас уже больше не лезет.

Он всовывает мне в руку тарелку с изумительно пахнущими вафлями и исчезает. Рот у меня моментально наполняется слюной. Я тащу свое сокровище на кухню.

Дзынь!

Ах да, ключ! Как это мило со стороны Гектора, что он решил еще раз напомнить. Я снова иду и открываю дверь. Передо мной стоит наш смотритель Венцель Зумпер – весь в поту, с багровым лицом и пульсирующей от злости жилкой на шее (да дадут мне, в конце концов, вафель поесть?..).

– Это уж слишком! – выпаливает он. – Когда ваша тетя уберется наконец?.. Весь газон… цветы… анархия… – Зумпер держится за косяк двери и жадно хватает ртом воздух, прежде чем продолжить свою тираду.

Спустя полчаса я уже начинаю представлять себе масштабы происшествия. Какой-то неизвестный злодей (или несколько злодеев) прошлой ночью осуществил диверсию и высадил цветы на любовно ухоженном газоне Зумпера. Тот факт, что цветы образовали надпись «Клумба вместо газона», наводит господина Зумпера на мысль, что здесь не обошлось без происков тети Хедвиг. Доказательств у него нет, поэтому всю свою злость он вымещает на мне. Проходит еще полчаса, прежде чем мне удается от него отделаться.

Фу-у-у! Вот теперь мне точно необходим покой. Сейчас съем пару вафель и снова в постель. Но, придя на кухню, я застываю на месте. Прямо у меня на глаз ах Хедвиг засовывает в рот последнюю вафлю.

– Это мои вафли! – кричу я. – И вообще, раз уж ты дома, то почему не открыла дверь?

– Видишь ли, мой мальчик, – отвечает Хедвиг с приторно-сладкой улыбкой на лице, – ночью я плохо спала. Мне нужен был покой. Да и возраст… – говорит она, вздыхая. – Иногда я завидую твоей молодости. Но прими совет от опытного человека: не открывай дверь каждому встречному. Неизвестно, что тебя там ждет. А теперь я пойду прилягу на часок, – протискиваясь мимо меня и бросая взгляд на пустую тарелку, Хедвиг добавляет: – Просто чудесные вафли, особенно когда свежие!

Цветы на газоне, наскальная роспись на голом камне – мы с незапамятных времен стараемся усовершенствовать окружающий мир по своему усмотрению. Правда, иногда это выходит нам боком. Вполне можно было обойтись без таких, например, усовершенствований, как телемагазины, минеральная вода, совершенно лишенная газа, и закон о регулярном подтверждении квалификации научных кадров.

Но у любой медали есть две стороны, поэтому существуют вещи, которые украшают жизнь или даже продлевают ее. Немаловажную роль здесь сыграла медицина, и приятно осознавать, что перелом руки в наши дни не является такой уж катастрофой.

Мысль выражена не слишком складно, но, надеюсь, вы поняли, к чему я клоню.

Однако медицина не всесильна. Да, сегодня мы осведомлены о механизме возникновения примерно 4 тысяч заболеваний, но располагаем терапевтическими средствами для лечения лишь 250 из них. Да и эти средства порой устраняют только симптомы болезни, не затрагивая ее причин.

Это нас не устраивает. Кроме того, существует несколько наследственных заболеваний, причиной которых является один-единственный дефектный ген. Представляется очень заманчивой идея лечения, которое сводится к исправлению этого гена, то есть к устранению непосредственной причины заболевания. Речь идет о генной терапии.

Сама эта мысль не нова. Наш старый знакомый Маршалл Ниренберг, расшифровавший первый кодон генетического кода, уже в 1967 году опубликовал в журнале Science статью с первыми размышлениями о генной терапии. В то время мы только учились понимать язык матери-природы, но Ниренберг заглядывал далеко вперед. Он был уверен, что введение искусственно созданной информации в ДНК млекопитающих с целью ее перепрограммирования – это лишь вопрос времени.

Статья называлась «Готово ли к этому общество?». Уже из заглавия было понятно, что эта перспектива не только восхищала Ниренберга с научной точки зрения, но и вызывала у него тревогу. Он боялся, что поиск ответов на этические и моральные вопросы займет больше времени, чем решение чисто технических проблем.

Ниренберг считал, что техническое решение будет найдено в течение 25 лет. На самом же деле американскому биохимику Полу Бергу и его коллегам понадобилось для этого вдвое меньше времени. Они сумели так перепрограммировать клетки почек обезьян, что те начали производить гемоглобин, входящий в состав красных кровяных телец кроликов. И пока эти клетки, выращенные в искусственной среде, размышляли, какое отношение к ним имеют грызуны, Берг опубликовал в журнале Nature статью о своем революционном методе и в 1980 году получил Нобелевскую премию.

Пол Берг продемонстрировал, что можно внедрить ген одного млекопитающего в клетки другого. Одновременно он решил еще одну проблему генной терапии. Ведь пытаться заставить наследственную информацию самостоятельно искать пути проникновения в клетки – это то же самое, что поручить свинье разносить почту. Время от времени, если очень повезет, какое-то послание может дойти до адресата, но основная масса будет потеряна по пути. Если человек состоит из 37 000 000 000 000 клеток, каждая из которых содержит дефектный ген, и если необходимо внести коррективы в несколько миллионов клеток, чтобы добиться хоть какого-то терапевтического эффекта, то здесь никак не обойтись без хорошей идеи. Поэтому Берг обратился за помощью к экспертам. Найти их не составляло труда, потому что они уже давно специализировались на подобных вещах. Это были вирусы. С одной стороны, это то же самое, что пустить козла в огород, но с другой – они уже миллионы лет только и делают, что проносят в клетки чужеродный генетический материал. И если уж они создали для человечества столько медицинских проблем, то почему бы им хоть раз не принести пользу?

Итак, Берг воспользовался услугами вируса обезьян SV40, в который он встроил ген кролика. SV40 первоначально был обнаружен в клетках почек зеленых мартышек. Затем выяснилось, что он способен заражать не только обезьяньи, но и человеческие клетки. Кроме того, он становился причиной возникновения опухолей у хомяков. Ученые до сегодняшнего дня спорят, может ли SV40 вызывать рак у людей. Но для эксперимента, в ходе которого надо было всего лишь занести чужой ген в клетку, этот вирус оказался самым оптимальным решением. Правда, для того, чтобы окончательно ввести вирусы в приличное общество и поручить им генную терапию, следовало провести очень большую работу.

Весь трюк заключался в том, чтобы «одомашнить» вирусы и превратить их из диких волков в ручных собачек. В этом случае они становились безобидными носильщиками генов, или векторами, как называют их микробиологи.

Но как приручить этот набор наследственной информации, упакованный в белковую оболочку?

Прежде всего эту информацию надо основательно почистить и удалить из нее все, что нацелено на строительство новых оболочек для вирусов. Кроме того, вирусу необходимо распрощаться и со всеми инструментами, с помощью которых он вмешивается в иммунную систему организма-хозяина и во внутриклеточный обмен веществ. В идеальном случае в нем должна остаться только та информация, которая необходима, чтобы упаковать ген в свою оболочку и занести его в клетку-хозяина. Таким образом, вирусный вектор – это вирус, который способен только проникать в клетку и не имеет никаких дальнейших планов.

А поскольку такие векторы не способны самостоятельно размножаться, то надо найти субподрядчика (чаще всего выращенные в лабораторных условиях культурные линии клеток), сооружающего для них новые вирусные оболочки, в которые затем упаковывается векторный наследственный материал. Поскольку собственный геном вектора основательно вычищен, в нем остается много свободного места, которое можно использовать для размещения там информации терапевтического гена.

Если направить такой вектор на клетку, он инфицирует ее, как и обычный вирус. Но, в отличие от него, он разместит в клетке не вирусные гены, а терапевтические. (Вирус и вектор напоминают мне нашего управляющего Зумпера и соседа Гектора. Оба пользуются одним и тем же механизмом, чтобы войти ко мне в квартиру, – дверным звонком. Но если Гектор в порыве истинного альтруизма скрашивает мое утро свежими вафлями, то Зумпер до одурения нагружает меня своим словесным поносом.)

В отличие от вирусов, способных вызывать заболевания, вектор представляет собой что-то вроде почтальона, который звонит в клетку, входит и оставляет там послание. В настоящее время существует множество различных служб доставки, которые отличаются друг от друга сферами действия и всевозможными дополнительными услугами. Точно также сегодня в генной терапии используется большой набор вирусных векторов.

К числу первых вирусов, которые были приняты на генно-терапевтическую службу, относятся аденовирусы, которые доказали свою способность выступать в качестве векторов несколько необычным путем. Охотясь в 1953 году на новые вирусы гриппа, Морис Гиллеман по ошибке насобирал не те образцы. Вместо того чтобы добыть из гортаней призывников с военной базы в Миссури новые вирусы гриппа, он случайно открыл три новых типа аденовирусов.

Чтобы как-то скрасить свой досадный промах, Гиллеман решил сделать то, в чем всегда был силен, – разработать новую вакцину против аденовирусов, которые доставляли немало хлопот военному начальству и в зимние месяцы отправляли на больничные койки до 90 процентов призывников.

Чтобы изготовить вакцину, аденовирусы размножали в клетках обезьяньих почек. Но в этих же почках обитали вирусы SV40. Аденовирусам это пришлось по вкусу, так как выяснилось, что с помощью SV40 им легче размножаться. В этом случае им не приходилось выполнять всю работу самим. Но изготовители вакцин были на этот счет другого мнения. Им SV40 был не нужен. Когда они с большим трудом его удалили, оказалось, что по какой-то причине одна молекула из SV40 по-прежнему осталась в культуре аденовируса. Как такое могло произойти?

Проведя кропотливое детективное расследование, ученые в 1960-е годы в конце концов выяснили, что в культуре присутствовало два разных аденовируса. Один из них выглядел так, как ему и положено, а второй воспользовался геномом SV40 и встроил его часть в собственный наследственный материал. Как ни странно, после этого и один, и другой вирус отказались размножаться в клетках обезьяны.

Благодаря этому открытию ученые уже куда с большим интересом стали присматриваться к смеси вирусов, которые демонстрировали в клеточных культурах неразрывную связь, как Бонни и Клайд. Во-первых, аденовирус показал, что способен включать чужую наследственную информацию в свой геном и затем благополучно доставлять ее в клетки. Во-вторых, возникший в результате вирус терял способность размножаться без посторонней помощи. Размножение возобновлялось лишь после того, как его снабжали недостающими белками с помощью второго вируса. В результате аденовирус по собственной инициативе переквалифицировался в вектор, хотя использования аденовирусов в качестве транспортного средства для генной терапии пришлось ждать до 1980-х годов.

Есть еще ряд причин, по которым аденовирусы подходят на роль векторов. Они довольно легко поддаются размножению, а их геномы – изменениям. Аденовирусы эффективно и надежно доставляют генетические послания куда положено и имеют достаточно свободного места даже для крупных «посылок». Однако при выполнении своей работы они слишком бросаются в глаза (и это их самый большой недостаток). Другими словами, для нашей иммунной системы они представляются чем-то вроде тюнингованного автобуса с хромированными спойлерами, широченными шинами и яркой раскраской в виде золотых мишек по бортам. Тут уж незаметно не проскочишь. Поэтому иммунная система объявляет полную боевую готовность, когда такие автобусы в массовом порядке заезжают в организм, ревя моторами и гудя клаксонами.

В свою очередь, аденоассоциированные вирусы (ААВ) во всех отношениях ведут себя куда скромнее. Они намного меньше по размеру, чем аденовирусы, поэтому могут транспортировать лишь короткие отрезки ДНК. По сравнению с автобусами аденовирусов, ААВ – это маленькие двухместные спортивные автомобили неброской окраски, которые не поднимают по тревоге всю иммунную систему. У ААВ есть еще одно непревзойденное свойство: инфицировав клетку, они затаиваются и больше ничего не делают. Если бы Диоген был знаком с ААВ, то с удовольствием пригласил бы их погостить в своей бочке. Их можно сравнить с гостем на вечеринке, который весь вечер молча торчит в углу и только портит настроение всем остальным. Но именно поэтому специалисты по генной терапии считают аденоассоциированные вирусы идеальными посыльными: позвонили, вошли, отдали посылку – и все.

Поэтому нет ничего удивительного в том, что аденоассоциированные векторы пользуются в сфере генной терапии все большей популярностью. Замечательно и то, что их можно «натаскивать» на определенные типы клеток. Это, конечно, достаточно длительный и трудоемкий процесс, но при помощи терпения и некоторой доли везения удается получить векторы, доставляющие послания только в конкретные клетки. И это просто поразительно, особенно если учесть, что большинство служб по доставке, которые существуют уже значительно дольше и славятся своими традициями, обычно оставляют посылки, предназначенные для пятого этажа, внизу, возле входной двери подъезда.

Однако и аденоассоциированным, и аденовирусным векторам свойственна одна проблема: их послания, доставленные в клетку, после ее деления пропадают. Это объясняется тем, что дополнительный фрагмент ДНК всего лишь приклеивается к хромосоме, словно записка на клейком листке, и не удваивается при делении.

Но на помощь приходит другая группа вирусов – ретро-вирусы. Их использование в качестве векторов для генной терапии представляет большой интерес, поскольку после проникновения в клетку они встраивают свою наследственную информацию непосредственно в ее геном, и клетка несет ее по жизни как свою неотъемлемую часть (это что-то вроде того, как тетя Хедвиг стала постоянным членом нашей семьи, хотя сама считает, что приехала лишь с кратким визитом).

Одним из самых полезных вирусов этой группы оказался вирус иммунодефицита человека (ВИЧ). Поскольку ВИЧ не является воплощением бескорыстного стремления к улучшению мира и повышению благополучия человечества, то на первый взгляд это можно счесть неудачной шуткой. Но использование ВИЧ в качестве вектора вовсе не такая уж сумасшедшая затея. Перед тем как стать вектором, ВИЧ полностью очищается, из него извлекаются специфичные для него гены. Происходит даже переименование, и после всех процедур ему дают неприметное имя – лентивирусный вектор (как видите, векторам тоже приходится заботиться о своем имидже). И действительно, лентивирусные векторы имеют ряд преимуществ по сравнению с другими ретровирусными коллегами. В частности, они могут инфицировать клетки, находящиеся в состоянии покоя, то есть не делящиеся. Это существенно расширяет меню лентивирусных векторов, потому что далеко не все клетки организма подвержены частому делению.

Встраивая свой геном в хромосомы клетки-хозяина, лентивирусные векторы ведут себя более аккуратно. Ведь при всей эффективности генной терапии здесь не обходится без проблем. Многим вирусам в конечном счете абсолютно наплевать, в какое место генома клетки добавить свою информацию. Главное, что она доставлена внутрь клетки. Но легко представить, к какой беде может привести посылка, небрежно брошенная курьером службы доставки на горячую плиту.

В переводе на уровень клетки-хозяина это означает, что многие ретровирусы встраивают свой наследственный материал в область промотора, то есть в самый центр регулирования и управления. А ведь нарушение деятельности этого центра может привести к неконтролируемому росту клетки и, в экстремальном случае, к раку. В свою очередь, лентивирусные векторы, встраивая свой геном, избегают области промотора и не нарушают его функций.

Поэтому в настоящее время лентивирусные векторы играют в генной терапии все более значимую роль. Кроме того, они служат впечатляющим примером того, что даже отъявленные злодеи типа ВИЧ могут быть обращены в истинную веру, если с ними как следует поработать.

Однако право дебюта в сфере генной терапии лентивирусные векторы должны были уступить своему ретровирусному коллеге из царства животных, образованному от вируса лейкемии мышей. Шел 1990 год, и научный мир пребывал в эйфории от возможностей, которые сулила новая область генной терапии. Появление вирусных векторов стало инструментом, с помощью которого можно было втихомолку пронести недостающую наследственную информацию в клетки. Все горели желанием опробовать новый метод.

Гонку в конечном счете выиграл американский врач У. Френч Андерсон, осуществивший первое официально разрешенное лечение человека методом генной терапии. В классической манере первопроходца он шел к этому долгие годы каменистыми тропами бюрократических согласований. Его целью было лечение тяжелого комбинированного иммунодефицита (ТКИД) – редкого наследственного заболевания. Иммунная система пациентов в значительной степени выведена из строя, и даже малейшая инфекция может иметь тяжелые последствия – вплоть до смертельного исхода. Причиной заболевания является дефицит лимфоцитов – важных иммунных клеток, функция которых состоит в целенаправленном распознавании возбудителей болезней. Лимфоциты – это белые кровяные тельца, производством которых занимаются кроветворные стволовые клетки костного мозга.

Детям, появившимся на свет с ТКИД, необходимо как можно скорее пересадить костный мозг от здорового донора, чтобы наладить производство здоровых лимфоцитов. К сожалению, найти подходящего донора удается не всегда, и тогда остается только изолировать маленьких пациентов, чтобы как можно лучше оградить их от инфекций. Если же они все-таки заболеют, используется заместительная иммунотерапия. Такое лечение можно сравнить с пластырем, который приносит какое-то облегчение, но не способен повлиять на причину ТКИД.

Печальную известность приобрел «мальчик в пузыре» – Дэвид Веттер из Техаса. Дэвид страдал ТКИД и с самого рождения в 1971 году жил в стерильной пластиковой оболочке вплоть до того момента, когда в возрасте двенадцати лет ему была сделана пересадка костного мозга. К сожалению, вместе с клетками, которые должны были вернуть ему здоровье, в организм попал вирус и Дэвид умер спустя четыре месяца после трансплантации.

Причина ТКИД заключается в генах. И хотя к настоящему времени мы знаем уже о нескольких генетических мутациях, которые приводят к ТКИД, у каждого пациента имеется только один дефектный ген, который нуждается в исправлении, и это обстоятельство делает ТКИД особенно интересным для специалистов генной терапии.

Андерсон и его команда специализировались на ТКИД, вызванном дефицитом аденозиндеаминазы (АДА) – фермента, который вырабатывается лимфоцитами и в обязанности которого входит разложение токсичных продуктов обмена веществ. Если этот процесс нарушается, то лимфоциты тонут в собственных отходах и умирают. Для данной формы заболевания характерно то, что определенный уровень самочувствия можно поддерживать и без пересадки костного мозга, только за счет регулярных инъекций недостающего фермента. Правда, этого не всегда удается достичь, и в случае с четырехлетней Ашанти де Сильва возникла угрожающая ситуация, когда заместительная ферментная терапия дала сбой.

Во избежание самого тяжелого исхода Френч Андерсон и его коллеги Майкл Блейз и Кеннет Калвер взяли у девочки часть ее же лимфоцитов и в лабораторных условиях внедрили в них с помощью ретровирусного вектора правильную копию гена АДА. Измененные клетки были размножены в лаборатории и затем на протяжении двух лет регулярно вводились в кровеносные сосуды Ашанти.

Поскольку лимфоциты имеют ограниченный срок жизни, всем было ясно, что такая генная терапия имеет временный характер. Однако эффект нового метода превзошел все ожидания. Иммунная система Ашанти восстановилась, ее здоровье улучшилось. Даже спустя десять лет после последней процедуры в 10 процентах ее лимфоцитов все еще обнаруживались измененные гены.

Научный мир и пресса ликовали. Андерсона носили на руках, во всех учебниках его называли основателем генной терапии.

Фанфары, ликование и крики «Браво!»

Хэппи-энд!

Вот так выглядит научный успех!

Однако в случае с Ашанти мы вынуждены сделать небольшую оговорку. Дело в том, что она, как и прежде, продолжала получать заместительную ферментную терапию.

Секундочку! Но ведь тогда не совсем понятно, какая часть успеха приходится на генную терапию, а какая – на ферментную. Итак, фанфары пока умолкают. Остается только скромная радость по поводу успеха.

А потом была еще одна девочка, Синтия Катшолл, к которой спустя несколько месяцев после Ашанти был применен тот же метод лечения. Но добиться такого же успеха, как у Ашанти, не удалось. Правда, и Синтия продолжает получать заместительную ферментную терапию и до сих пор жива.

Фанфары и радостные крики окончательно отменяются…

Сегодня все согласны с тем, что эффект первого опыта генной терапии был преувеличен. Хотя Ашанти де Сильва и Синтия Катшолл до сих пор неплохо себя чувствуют, можно со всей определенностью сказать, что такой положительный исход нельзя приписывать одной только генной терапии. Но в 1990-е годы на этот счет господствовала иная точка зрения. Все превозносили новый метод.

Однако в сентябре 1999 года в США произошел трагический случай. Врач Джеймс Уилсон производил в Пенсильванском университете исследование редкого наследственного заболевания – недостаточности орнитинтранскарбамилазы (ОТК).

Эта болезнь встречается примерно у одного из 30 тысяч новорожденных, а ее причиной служит один дефектный ген. Как видно из названия, пациенту не хватает ОТК – фермента, который в печени преобразует ядовитый аммиак в мочевину, впоследствии выводимую из организма через почки.

Аммиак выделяется при разложении белков. Если пациенты с недостаточностью ОТК едят богатую белками пищу, например яйца, мясо, рыбу, молочные продукты, бобовые и т. и., у них повышается содержание аммиака в крови, следствием чего становятся такие типичные симптомы, как сильная рвота, судорожные приступы, увеличение печени или повреждение нервных клеток. В особо тяжелых случаях может наступить кома и смерть или тяжелое поражение головного мозга. Особенно часто подобная картина наблюдается у новорожденных.

О Джессе Гелсингере можно сказать, что ему еще повезло. Он родился с недостаточностью ОТК, но болезнь протекала в довольно мягкой форме. Отказываясь от богатой белками пищи (например, от яичницы с беконом на завтрак) и регулярно принимая лекарства, Джесс мог поддерживать уровень аммиака в крови на приемлемом уровне и довольно неплохо себя чувствовать. Он сумел окончить школу, строил планы на дальнейшую жизнь, был полон собственных идей и открыт для идей окружающих. Узнав о клинических исследованиях Уилсона, он пришел в восторг: генная терапия против недостаточности ОТК! Будущее стучалось в дверь, и Джесс был готов ее открыть.

Уилсон и его команда сконструировали аденовирусный вектор, который должен был доставить правильный вариант гена ОТК в печень. Поскольку сомнений в том, что иммунная система быстро обнаружит этот вектор, не было, все понимали, что действие генной терапии будет носить временный характер. Поэтому цель первого клинического эксперимента заключалась лишь в том, чтобы выяснить, какая доза вирусных векторов хорошо переносится организмом и приведет ли это хотя бы к кратковременному улучшению состояния пациента. В случае успеха данный вид терапии можно было применить по отношению к маленьким детям, родившимся с этим заболеванием.

Джесс, его отец и лечащий врач Стив Рейпер вели долгие беседы, в которых обсуждались факторы риска и возможности новой терапии. Доктор Рейпер с энтузиазмом поддерживал проект. Он рассказал об одной участнице эксперимента, у которой резко улучшились анализы после первого же применения этого метода (впоследствии выяснилось, что это улучшение было результатом случайного колебания и не имело никакого отношения к лечению). Однако Рейпер умолчал о том, что эксперименты на обезьянах с применением предшествующего варианта аденовирусного вектора закончились смертью нескольких животных.

В конце концов Джесс, которому только что исполнилось восемнадцать лет, подписал согласие на проведение опыта и получил официальный индекс ОТК.019, то есть стал девятнадцатым испытуемым в генно-терапевтическом исследовании лечения недостаточности ОТК.

И вот тут удача отвернулась от Джесса Гелсингера. Девятого сентября 1999 года его положили в клинику Пенсильванского университета. Было проведено полное обследование и взяты все анализы, чтобы определить состояние здоровья и пригодность к участию в эксперименте. Анализ показал повышенное содержание аммиака в крови. Согласно официальным правилам, Джесса должны были отстранить от участия в опытах, но этого сделано не было.

Вместо этого 13 сентября 1999 года ему ввели в общей сложности 38 триллионов измененных вирусов непосредственно в печень. Таким образом, в организме Джесса в тот момент находилось, по крайней мере, столько же вирусов, сколько и собственных клеток тела. Через несколько часов его состояние резко ухудшилось, поднялась температура. Иммунная система всеми силами боролась с введенным вектором, следствием чего стали воспалительные процессы во всем теле. Через четыре дня он скончался от множественного отказа внутренних органов.

Смерть Джесса стала настоящей трагедией и вызвала множество вопросов. Почему так произошло? Можно ли было избежать смертельного исхода? Имел ли он вообще право участвовать в эксперименте?

Ответить на них непросто. Факт заключается в том, что проведенная терапия не вызвала подобной тяжелой реакции у восемнадцати предшественников Джесса и что, по крайней мере, одной участнице было введено такое же количество вирусов, как и Джессу. Но неоспорим и тот факт, что Джесса необходимо было исключить из эксперимента ввиду повышенного содержания аммиака в крови и что в проведенных перед опытом беседах слишком приукрашивались шансы нового метода и скрывались факторы риска.

О причинах остается только догадываться. Однако действия первопроходцев генной терапии можно смело сравнить с золотой лихорадкой. Возможности представлялись безграничными, а первые результаты хоть и были не совсем обнадеживающими, но не демонстрировали каких-либо отрицательных последствий вплоть до самой смерти Джесса. Перепек-тивы успеха заставили отодвинуть соображения риска на задний план. На них попросту закрыли глаза.

После смерти Джесса золотоискательская эйфория закончилась. Исследования в области генной терапии были резко остановлены. Министерство здравоохранения запретило продолжение клинических экспериментов в Пенсильванском университете и многих других заведениях. Деньги, выделенные на научную деятельность, были отозваны.

Но на этом неприятности не закончились. В клинических испытаниях терапии ТКИ Д, которые проводились в Париже и Лондоне начиная с 1999 года, кроветворные стволовые клетки двадцати детей были подвергнуты воздействию ретровирусного вектора. Поначалу эксперимент дал хорошие результаты. У девятнадцати детей заметно улучшилась деятельность иммунной системы. Но затем пятеро из юных участников заболели лейкемией. В качестве причины были опять-таки названы векторы. Это исследование тоже пришлось прекратить.

В последующие годы в США и Европе в области генной терапии наступило затишье. Эйфория прошла, и новая технология заняла по популярности место рядом с зубной болью и генитальными бородавками. Но пока здесь все пребывали в оцепенении от шока, в Китае новая методика развивалась стремительными темпами. В 2003 году там было объявлено о создании первого в мире генно-терапевтического медикамента – гендицина. Гендицин представляет собой аденовирусный вектор, с помощью которого в раковые клетки внедряется ген р53, подавляющий развитие опухолей.

В качестве пояснения необходимо сказать, что рЗЗ выступает в роли охранника генома и, говоря предельно упрощенно, сдерживает радостные порывы клетки. Как только в ней начинаются неконтролируемые процессы (например, повреждение наследственного материала или попытка бесконтрольного размножения), р33 вступает в действие, грозит пальцем и многозначительно откашливается. Если это не приводит к желаемому результату, р53, не церемонясь, запускает процесс самоубийства клетки (молекулярная педагогика отличается экстремальной строгостью). Поскольку во многих раковых клетках ген р53 поврежден и не действует, ученые надеются, что искусственное введение исправного гена приведет к гибели раковых клеток.

Все это выглядит многообещающе. Тем не менее по поводу гендицина в Европе и США ведутся ожесточенные споры, так как собственные результаты с практически аналогичными векторами не демонстрируют такого убедительного эффекта, о котором заявляет китайский фармацевтический концерн SiBiono GeneTech. Тот факт, что китайские исследователи, за редким исключением, публикуют свои данные только в отечественных научных журналах, тоже не способствует устранению сомнений.

Но, несмотря ни на что, некоторые исследователи в США и Европе продолжили работу. Среди них, в частности, профессор Пенсильванского университета Джин Беннет. Она пришла в университет в 1992 году с целью разработки методов генной терапии против врожденной слепоты.

К 1999 году Беннет вместе со своим мужем Альбертом Магуайром сумела разгадать несколько важных загадок, стоящих на пути успешного лечения глаз. Аденоассоциирован-ные вирусные векторы стали для них подходящим инструментом, с помощью которого можно успешно внедрять генетическую информацию в клетки сетчатки глаза, не вызывая сильной иммунной реакции. Из трудов других ученых Беннет и Магуайр уже знали, что дефект гена RPE56 приводит к особой форме врожденной слепоты – амаврозу Лебера.

Впервые врожденный амавроз Лебера был описан в 1869 году офтальмологом Теодором Карлом Густавом фон Лебером. Пациенты, страдающие этим заболеванием, появляются на свет практически слепыми. Вследствие генетического дефекта у них нарушается процесс восстановления светочувствительного пигмента рецепторов света (палочек), в результате чего они перестают посылать в мозг сигналы о световом возбуждении, что выражается в неспособности видеть. Неиспользуемые рецепторы в конечном итоге деградируют и отмирают.

Пути научной карьеры порой бывают воистину неисповедимы. До того как Джин Беннет стала профессором Пенсильванского университета и начала разрабатывать методы генной терапии врожденного амавроза Лебера, она защитила диссертацию по зоологии, посвященную эмбриональному развитию морских огурцов, в Калифорнийском университете.

Вдохновившись новыми возможностями генной терапии, Джин прошла дополнительный курс медицины в Гарвардском университете, где на занятиях по анатомии мозга и познакомилась с Альбертом Магуайром, который стал не только ее личным счастьем, но и главным партнером на пути становления как ученого.

Путь от морских огурцов до светочувствительных рецепторов глаза проделывают немногие ученые. Но при всей редкости подобной карьеры она все же возможна.

План Джин Беннет состоял в том, чтобы внедрить в сетчатку действующую копию гена RPE56 с помощью ААВ-вектора. Первые пациенты, на которых был опробован новый метод лечения, носили бороды, были высокорослыми, славились благородным происхождением и отличались неумеренным слюнотечением. Речь идет о бриарах – французской породе собак, которая разводится уже с XVIII века. Из-за своего аристократического происхождения и связанного с ним близкородственного скрещивания у представителей этой породы относительно часто наблюдается дефект гена RPE56.

Генная терапия увенчалась успехом, и бриары прозрели. Кстати, отдельные проблемы со зрением у них можно устранить и путем подстригания длинной лохматой челки, полностью закрывающей глаза.

Окрыленные успешными экспериментами на животных, Беннет и ее команда начали готовиться к клиническим испытаниям на людях. Полученные результаты, особенно у очень юных испытуемых, также оказались многообещающими. Спустя всего четыре дня после лечения восьмилетняя Кори Хаас впервые в жизни узнала, что чувствует человек, когда солнце слепит глаза.

Правда, последние данные показывают, что генная терапия врожденного амавроза Лебера действительно может улучшить зрение пациентов, но в перспективе не способна предотвратить деградацию светочувствительных рецепторов. Тем не менее этот эксперимент стал своего рода поворотным пунктом на пути возрождения генной терапии.

В 2012 году на европейский рынок был выпущен первый генно-терапевтический медикамент «Глибера». С его помощью можно лечить особо тяжелые случаи недостаточности липопротеинлипазы – очень редкого заболевания жирового обмена, которым страдает около одного миллиона человек. Полный курс такой терапии стоит всего-навсего миллион евро, но, к счастью, эту сумму покрывает медицинская страховка.

Все чаще можно услышать и другие истории успеха достижений генной терапии против нейродегенеративных заболеваний, лейкемии и анемии в ходе клинических испытаний.

Спустя 26 лет после первого экспериментального случая применения генной терапии для лечения АДА-ТКИД в Европе был разрешен выпуск генно-терапевтического медикамента Strimvelis для лечения именно этого заболевания с помощью ретровирусных векторов, которые воздействуют на кроветворные стволовые клетки пациентов.

Значит, все-таки хэппи-энд?

Да нет, все только начинается.

Эпилог

Огромный Христос с широко распростертыми руками всматривается каменными глазницами вдаль, возвышаясь на фоне безоблачного неба. Похожие фотографии из Рио-де-Жанейро можно увидеть во всех туристических каталогах. Непонятно только одно: на фотографии, которая пришла по почте без всяких комментариев', видны две босые мужские ноги с ярко-зелеными накрашенными ногтями, и расположены они там, где под статуей обычно можно увидеть зеленую вершину горы Сахарная Голова. Между ногами зажата картонка с датой, которая приходится на следующее воскресенье. Как же фотограф умудрился сделать этот снимок? Я откидываюсь на диване, поднимаю ноги, прищуриваю глаза и смотрю сквозь свои домашние тапки в сторону окна… Это утомительно. Но, видимо, так все и было. Я немного поворачиваюсь в сторону, и в поле моего зрения между ногами попадает Хедвиг. Я опускаю ноги и протягиваю ей фотографию.

– Ты не знаешь, что бы это могло значить?

Она только пожимает плечами, не отворачиваясь от окна. Она молчит? Может ли такое быть? И это Хедвиг, которая любому свидетелю Иеговы, не сходя с места, продаст старый пылесос? Неужели ее так выбил из колеи этот странный снимок? Тут что-то не так. За этим кроется нечто совершенно из ряда вон выходящее!

– Хедвиг, – не унимаюсь я, – что происходит?

Через некоторое время она поворачивается ко мне, откидывается в кресле и со вздохом произносит:

– Ах, это длинная и нелепая история.

Уже лучше! Я ободряюще улыбаюсь и пододвигаю к себе вазочку с арахисом.

– Это случилось, когда я ехала к вам, – начинает она в конце концов свой рассказ. – Я сидела за столиком в поезде и читала детектив. На остановке незадолго до Ганновера в вагон вошел мужчина. Он подошел и спросил, свободно ли место напротив. Мужчина выглядел очень респектабельно, в рубашке, выглаженных брюках, с чемоданом на колесиках. Правда, на нем не было обуви и ногти у него были выкрашены в изумрудно-зеленый цвет. Только он устроился, как рядом со мной на сиденье плюхнулся какой-то длинноволосый юнец в пальто из искусственной кожи. Он нацепил наушники и включил музыку на полную громкость. О каком чтении тут можно говорить? Я захлопнула книгу и тронула его за плечо. Он повернулся ко мне, но едва я собралась объяснить ему, что означает «личное пространство», как он достал из кармана мобильник, выключил музыку и… набрал номер! Я пыталась возражать, но он, широко ухмыляясь, поднял три пальца и начал по очереди загибать их. При счете ноль на том конце послышалось «алло». И что же делает эта дубина неотесанная? Громко рыгает в телефон. Можешь себе такое представить? А потом со смехом продолжает: «Клаус, здорово, старый! Узнал? Я тут сижу в поезде, еду в Гамбург, и у меня куча свободного времени… А у тебя что нового?» Похоже было, что он собирается всю дорогу до Гамбурга тарахтеть мне в ухо. А ведь еще только объявили: «Следующая остановка – Ганновер». Надо было что-то делать. Обычно все нравоучительные беседы выпадают на мою долю, но в этот раз… Тот приличный мужчина напротив наклонился ко мне и шепнул: «Я возьму его на себя. Вы позволите?» Настоящий кавалер, такие в наши дни редкость. Я кивнула и отдала этого щенка ему на растерзание.

Пока Хедвиг рассказывала, у нее появлялось все больше жизни в голосе:

– Он достал фотоаппарат из сумки и сфотографировал длинноволосого. Буквально вплотную к лицу, со вспышкой. Конечно, красивая фотография в классическом стиле вряд ли получится, – произносит Хедвиг, хитро улыбаясь. – Этот грубиян поморгал немного и сказал в телефон: «Погоди минутку, здесь одному придурку проблем захотелось». Потом он встал и заорал: «Тебе что, жить надоело?» Но мой визави, даже глазом не моргнув, достал ручку, листок бумаги и сказал: «Мне нужна ваша фамилия». «Что?» – переспросил этот хам, опираясь костяшками пальцев на стол, словно горилла. «Фамилия. Она же у вас должна быть. Мне она нужна для подписи к фотографии». – «Какой еще подписи?» «Я работаю над фотоальбомом, – объяснил мужчина и пошевелил на виду у этого гориллы пальцами босых ног, чем вообще привел его в ступор. – А для вашей фотографии у меня даже подходящая подпись имеется: «Неугомонный болтун, опоздавший на свой поезд». В этот момент мы как раз остановились в Ганновере. «Что значит опоздавший?» – спросил юнец, неотрывно глядя, словно загипнотизированный, на зеленые ногти.

На щеках у Хедвиг появляется румянец. Похоже, воспоминания о кавалере взволновали ее.

– И тут наступил финал. Мужчина сказал: «Такое случается, когда говоришь по телефону и ничего вокруг не слышишь. А между тем было объявлено, что в Ганновере наш поезд делится на две части и в Гамбург отправляются только последние вагоны». «Что, действительно так объявили?» – «Точно!» – «Да вы меня разыгрываете…» Мужчина повернулся к супружеской паре, сидевшей за соседним столиком и жевавшей бутерброды. «Извините, вы слышали сейчас объявление насчет Ганновера?» Те кивнули с набитыми ртами. «Вот же черт!»

Юнец вскочил, быстро схватил вещи и со всех ног помчался из вагона.

Хедвиг на минутку замолкает. Ее глаза сияют.

– Когда все успокоилось, я поблагодарила своего спутника и поинтересовалась, почему он ходит босиком. Тот рассказал, что ездит по миру в поисках сюжетов для фотографий, а босые ноги помогают ему легче вступать в контакт с людьми и определять, с кем стоит разговаривать, а с кем нет. Ну, и я разговорилась с Уве, – хотите верьте, хотите нет, но Хедвиг краснеет. – Мы прекрасно понимали друг друга. А потом он спросил меня, не хочу ли я попутешествовать вместе с ним… и я… я сказала, что подумаю.

– А что потом? – спрашивает моя жена, которая уже давно стоит возле дивана и слушает рассказ.

– Он сказал, что напишет мне, где я смогу с ним встретиться.

– Почему же он тогда пишет мне? – интересуюсь я.

– Ну какой же ты непонятливый! – вздыхает моя жена и щиплет меня за бок. – Настоящая дама не дает свой адрес незнакомым, да к тому же босым мужчинам.

– А мой, значит, можно давать?

– Да ладно, папа, – вмешивается мой сын, который взялся тут неизвестно откуда.

Жена присаживается рядом со мной на диван, складывает руки на коленях и тихо спрашивает Хедвиг:

– Значит, ты так долго задержалась у нас, потому что ждала от него письма?

Хедвиг кивает:

– И теперь я не знаю, что делать.

Все замолкают, а потом я говорю:

– Раз уж ты так долго ждешь, то наверняка знаешь, что делать. Только захвати с собой баллончик со слезоточивым газом.

– У меня кирпич лежит на дне сумочки.

– Хорошо, забудь про баллончик, а я пока подыщу тебе подходящий рейс.

Спустя два дня мы все стоим в аэропорту. На Хедвиг широкие брюки и большая шляпа. С собой у нее сумочка и мой старый рюкзак с эмблемой фестиваля тяжелого рока в Бакене. Жена сует ей в руку флакончик с голубым лаком для ногтей:

– Это для Уве, – говорит она.

Сын передает Хедвиг шесть исписанных мелким шрифтом листов бумаги с адресами всех бразильских кафе, где подают пирожные с вишнями. Прощание настраивает всех на грустный лад. Даже меня. И мне это немного удивительно. Наконец Хедвиг в последний раз машет нам рукой и исчезает за барьером, отправляясь в дальний путь за приключениями.

Краткий словарь терминов. Что есть что в стране диких генов

А

Аденоассоциированные вирусы – пожалуй, самые большие халявщики в мире вирусов! Если остальные вирусы пытаются уговорить клетку предоставить им все, что требуется для существования, то аденоассоциированные вирусы даже этого не в состоянии сделать сами и уступают право перепрограммирования кому-нибудь другому, преимущественно аденовирусам.

Аденовирусы – широко распространенная и очень древняя группа вирусов с ДНК в геноме. Они похожи на двадцатигранную игральную кость, по углам усеянную шипами. Примерно так выглядели старые морские мины. Они уже давно используются как транспортное средство в генной терапии.

Аденозинтрифосфат (АТФ) – компонент РНК и универсальный носитель энергии. Подобно шоколадному батончику, моментально заряжает клетку энергией. Без АТФ ничего (почти) не может произойти!

Аминокислоты – двадцать различных «кирпичиков», из которых строятся белки (своего рода конструктор «Аего» для клеток).

Антибиотик – субстанция, которая затормаживает рост бактерий или убивает их. Против вирусов антибиотики бесполезны.

Антитела – важное оружие нашей иммунной системы. Эти белки целенаправленно выискивают чужеродные материалы и маркируют их, чтобы впоследствии вместе с другими компонентами иммунной системы вести с ними борьбу.

Апоптоз – клеточное самоубийство, к которому организм прибегает в случае тяжелого повреждения клетки. Иногда клетка делает это по собственной инициативе, а иногда получает соответствующий толчок от иммунной системы.

Археи – одноклеточные организмы, не имеющие ядра и наряду с бактериями и эукариотами образующие три столпа жизни. Известны тем, что зачастую прекрасно чувствуют себя в местах, где никто больше не хочет жить, потому что там слишком жарко, слишком холодно или окружающая среда насыщена вредными веществами.

АТФ-синтаза – белок, обладающий поразительным сходством с турбиной гидроэлектростанции, за исключением того, что в данном случае используется поток не воды, а атомных частиц и производится не электричество, а АТФ.

Б

Бактерии – одноклеточные организмы, не имеющие ядра и наряду с археями и эукариотами образующие три столпа жизни. Предполагается, что на нашем теле и внутри его обитает в десять раз больше бактерий, чем клеток собственного организма. Поэтому мы настоятельно рекомендуем не допускать демократии при решении гигиенических вопросов на клеточном уровне.

Белки – подлинные универсалы в составе клетки. Их многочисленные свойства создаются за счет ловкого комбинирования из 20 аминокислот строго по генетическому плану. Они готовы взять на себя практически любые функции: опоры, транспортного средства или ножниц.

В

Векторы – «одомашненные» вирусы, применяемые в генной терапии и специализирующиеся на доставке терапевтических генов в клетки.

Вертикальный перенос генов – передача генетического материала от родителей потомству (в отличие от горизонтального переноса).

Вирус иммунодефицита человека (ВИЧ) – возбудитель синдрома приобретенного иммунодефицита (СПИД).

Вирусы – инфицирующие образования, не обладающие собственным обменом веществ и способные размножаться только в клетках организма-хозяина. Официально не считаются живыми организмами, но и мертвыми их назвать нельзя. Восстановление ДНК – комплекс различных механизмов нашего тела, выявляющих и устраняющих повреждения наследственного материала.

Г

Ген – фрагмент наследственного материала, с которого изготавливаются копии РНК, обычно служащие инструкциями по производству какого-либо белка или его части, а также нескольких белков. Детальное описание слишком сложно; исследователи проводят бессонные ночи, мечтая о простом и красивом определении этого понятия.

Ген-супрессор опухолей – ген, кодирующий белки, которые предотвращают бесконтрольное деление клетки и тем самым препятствуют возникновению раковой опухоли.

Генетика – отрасль биологии, занимающаяся вопросами наследственности.

Генетический код – система, в соответствии с которой последовательность ДНК переводится в последовательность аминокислот. Каждой аминокислоте соответствует набор, содержащий три нуклеотида (кодон).

Генная терапия – ремонт дефектных генов в живых организмах. Гистоны – белки, на которые, словно на веретено, наматывается ДНК.

Горизонтальный перенос генов – передача генетического материала в геном организма, который не является потомком, например генов мха в геном папоротника (в отличие от вертикального переноса генов).

Д

Двойная спираль – структура нашего генома, представляющая собой две нити ДНК, закручивающиеся вокруг друг друга в виде спирали.

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) – химическое вещество, содержащее в себе наследственную информацию.

ДНК-полимераза – клеточный копировальный механизм наследственной информации.

И

Иммунная система – система защиты организма от бактерий, вирусов, вырожденных клеток и паразитов.

Нитрон – отрезок гена, который не переводится в последовательность аминокислот.

К

Капсид – белковая оболочка, в которую упаковывается наследственная информация вирусов. Зачастую она имеет больше функций, чем швейцарский складной нож.

Клеточная мембрана – двойная липидная оболочка, имеющая внутренний и внешний слой и отделяющая клетку от внешней среды.

Клеточное ядро – окруженное мембраной образование в клетках эукариотов, в котором расположена ДНК, управляющая функциями клетки.

«Клуб галстуков РНК» – самопровозглашенный джентльменский клуб, состоявший из двадцати четырех ученых со странными галстуками, которые использовали любую возможность, чтобы выпить, покурить и порассуждать о генетике.

Кодон – три следующих друг за другом нуклеотидных основания (генетические буквы), в которых закодирована аминокислота или окончание пептидной цепочки. Например, АТГ – это код аминокислоты метионина.

Л

Лактаза – фермент, способствующий усвоению молочного сахара.

Лентивирусы – подсемейство ретровирусов, самым известным представителем которого является вирус иммунодефицита человека.

М

Матричная РНК (мРНК) – РНК, образующаяся при считывании гена и содержащая в себе инструкцию по производству белка.

Микоплазмы – крошечные бактерии без клеточной мембраны, которые обосновываются и размножаются на клетках, имеющих клеточное ядро, или внутри их.

Митохондрии – «электростанции» в клетках эукариотов.

Н

Недостаточность орнитинтранскарбамилазы (ОТК) – генетическое заболевание, вызванное отсутствием важного энзима, необходимого для разложения ядовитого аммиака в крови. Нейроны – нервные клетки.

Нобелевская премия – высокая научная награда, учрежденная Альфредом Нобелем и с 1901 года ежегодно присуждаемая в Стокгольме в области физики, медицины, химии, литературы и сохранения мира. Финансирование осуществляется из средств, заработанных Нобелем за изобретение динамита. Нуклеотидные основания – составные части ДНК: аденин, гуанин, цитозин и тимин, – несущие в себе информацию. ГАТЦ – это алфавит жизни из четырех букв (при этом РНК ведет собственную игру и заменяет тиамин на очень схожий с ним урацил).

О

Опухолевая клетка – клетка, получившая в результате мутаций способность бесконтрольно делиться и, как следствие, образовывать опухоли.

П

Полипептид – цепочка более чем из десяти взаимосвязанных аминокислот.

Прокариоты – организмы без клеточного ядра.

Промотор – расположенный в ДНК центр управления процессом считывания гена.

Протеины, см. Белки.

Протоонкогены – гены, содержащие коды белков, которые выполняют важные контрольные функции в процессе деления клеток. Как там говорил Человек-паук? «Большая власть означает большую ответственность!» Если вследствие мутаций клетка теряет контроль над этими белками, может возникнуть рак.

Псевдогены – подобно развалинам древних замков, напоминают о блеске прошедших времен. Выглядят как гены, но на самом деле представляют собой дефектные остатки.

Р

Реверсивная транскриптаза – белок ретровирусов и ретротранспозонов, способный переводить последовательность РНК в соответствующую последовательность ДНК.

Репрессор – белок, затрудняющий считывание гена. Ретровирусы – семейство вирусов, геном которых строится на базе РНК. После внедрения в клетку информация переписывается на ДНК и включается в геном клетки.

Ретротранспозон – «ретро-» не означает, что транспозон одет по моде 1970-х годов. Это прыгающий ген, который осуществляет перенос информации с РНК на ДНК и затем внедряется в геном.

Рибозим – энзим, состоящий из РНК и ускоряющий химические реакции.

Рибонуклеиновая кислота (РНК) – мастер на все руки в клетке. Служит промежуточным носителем информации, но может выполнять массу других функций и даже служить эмблемой для галстуков, см. также «Клубгалстуков РНК».

Рибосома – клеточная машина, состоящая из РНК и белка, которая, следуя инструкциям мРНК, создает новые белки.

Рибосомная РНК (рРНК) – вещество, из которого при участии определенных белков строится рибосома.

С

Секвенирование – определение последовательностей нуклеотидных оснований в молекуле ДНК, то есть чтение последовательности генов, хотя их содержание не может похвастаться выдающимися литературными качествами: «ГАТТЦЦАГТАГТЦ…».

Сплайсинг – вырезание интронов из мРНК.

Сплайсосома – большая клеточная машина, состоящая из РНК и белков, которая может разрезать и заново «склеивать» молекулы мРНК.

Т

Талассемия (средиземноморская анемия) – заболевание, причиной которого являются мутации в генах гемоглобина – белка, отвечающего за транспортировку кислорода красными кровяными тельцами.

Теломера – окончание хромосомы, состоящее из некоторого количества коротких повторяющихся последовательностей ДНК и при каждом делении клетки укорачивающееся на один фрагмент.

Теломераза – энзим, способный удлинять теломеру. Транскрипция – перенос информации гена в мРНК. Трансляция – перевод мРНК в цепочку аминокислот.

Транспортная РНК (тРНК) – молекула-посредник, у которой с одной стороны расположено устройство распознавания кодона мРНК, а с другой – нужная аминокислота. Это центральное передаточное звено в процессе перевода мРНК в белок.

Тяжелый комбинированный иммунодефицит (ТКИД) – тяжелая наследственная болезнь, вызванная тем, что дефектный ген полностью или в значительной степени выводит из строя иммунную систему.

X

Хемиосмотическая гипотеза – гипотеза, выдвинутая Питером Митчеллом. Этот англичанин предположил, что клетка для выработки энергии создает дисбаланс заряженных частиц, подобно тому как в гидроэлектростанциях используется разная высота уровня воды до плотины и после нее. Вода в этом случае готова даже совершать работу, чтобы восстановить равновесие! Хлоропласты – «одомашненные» сине-зеленые водоросли, поселившиеся в клетках растений и отвечающие за фотосинтез, то есть за выработку энергии из света, углекислого газа и воды.

Хромосомы – длинные, имеющие линейную структуру фрагменты ДНК, в которых размещается наследственный материал эукариотов и которые для удобства хранения намотаны на специальные белки (см. Тистонъ, с), словно волосы на бигуди. Клетка человека, как правило, содержит 46 хромосом, а шампиньона – только 8.

Ц

Цитоплазма – окруженное клеточной мембраной жидкое содержимое клетки.

Э

Экзоны – отрезки генов, переводимые в последовательности белков.

Эндосимбиотическая гипотеза – теория, предполагающая, что митохондрии и хлоропласты являются бактериями, проникшими в клетки эукариотов.

Энзимы (ферменты) – молекулы, состоящие из белка и/или РНК и ускоряющие химические реакции в организме.

Эпигенетика – наука, занимающаяся модификациями ДНК и белков хромосом, которые передаются по наследству, не основываются на изменениях последовательностей ДНК, но оказывают достаточно сильное влияние на использование этих последовательностей.

Эукариоты – организмы, клетки которых содержат ядро.

С

Caenorhabditis elegans – крошечный червь, любимец биологов-экспериментаторов. У него даже есть собственная газета – Worm Breeders Gazette («Листокчервевода»).

D

Directors – рок-группа, состоящая исключительно из ученых и основанная Фрэнсисом Коллинзом – руководителем проекта «Геном человека».

Drosophila melanogaster – чернобрюхая фруктовая мушка, безоговорочная фаворитка большинства генетиков и причина порчи фруктов.

Е

Eagles Pub – любимое питейное заведение Уотсона и Крика, в котором они впервые ознакомили избранную и, возможно, слегка подвыпившую публику с открытием структуры ДНК.

Благодарности

Иногда случается так, что гости приходят неожиданно.

Так произошло и с этой книгой, идею которой нам внезапно подсказал Уве Науманн. Сначала наша новая квартирантка вела себя скромно и сдержанно, была приятным собеседником. С ней можно было непринужденно поболтать о науке, обменяться творческими идеями. Это очень скрашивало повседневную рутину.

Вот так и росла наша книга, становилась длиннее, радовала нас какими-то неожиданными моментами.

Но уже вскоре она начала требовать к себе все больше внимания, высказывала какие-то претензии и даже устраивала истерики, когда мы пытались ей объяснить, что в жизни есть и другие вещи, которым надо уделять время.

Если бы не поддержка Доминики, Матиаса, Жюли, Мими, Натали, Ирмтрауд, Фреда, Клаудии, команды КГЗ, Йоханны и многих других помощников, то в один прекрасный момент мы связали бы нашу гостью, затолкали бы ногами в мусорный контейнер и долго аплодировали бы мусоровозу, увозящему ее с глаз долой.

Но с их помощью мы продолжали кормить книгу все новыми идеями, пока она однажды не насытилась и с довольным иканием от переедания не отправилась в издательство.

Мы были немало удивлены, когда уже вскоре она вновь появилась у нас на пороге – наряженная и отглаженная. Из нашей надоедливой и неуживчивой квартирантки получилась настоящая книга, которая изъявила желание начать собственную жизнь.

И мы отпустили ее…

Как видно, пути нашей книги и ваши, дорогие читатели, где-то пересеклись. Мы надеемся, что вам понравилось хотя бы несколько страниц нашей бывшей гостьи.

Примечания

1

Супермен и Кларк Кент – персонажи популярной серии комиксов; Криптонит – вымышленное вещество из этих же комиксов. – Прим. перев.

2

Рекламный слоган сорта сливочного печенья с 52 зубчиками по периметру. – Прим. перев.

Content

Тимо Зибер, Хельга Хофманн-Зибер
Дикие гены. О скрытой жизни внутри нас

Введение

Глава 1 Дорогая, у тебя, оказывается, есть ДНК…

Глава 2 Кометы, РНК и кухня жизни

Глава 3 Ошибочная эволюция

Глава 4 Три жизни ♥♥♥

Глава 5 Все кувырком

Глава 6 Человек: инструкция по сборке

Глава 7 Танцы высших животных

Стоп!

Глава 8 Разбойничий набег диких генов на генетическое захолустье

Глава 9 Мастера манипуляции

Глава 10 На помощь, идут мутанты!

Глава 11 Лишь бы пошло на пользу…

Эпилог

Краткий словарь терминов. Что есть что в стране диких генов

Благодарности

Примечания