Эволюционная биохимия: рождение науки

26 ноября 1859 года было субботой. В этот день 1250 экземпляров сочинения Чарлза Дарвина, члена Королевского, Геологического, Линнеевского и других обществ, под названием «Происхождение видов путем естественного отбора» поступило в продажу. А в воскресенье днем громадный по тем временам тираж был продан. Один из друзей Дарвина в понедельник уже не смог достать книгу.

«Это был взрыв, какого еще не видывала наука, — так долго подготовлявшийся и так внезапно нагрянувший, так неслышно подведенный и так смертоносно разящий. По размерам и значению произведенного разрушения, по тому эхо, которое отозвалось в самых отдаленных областях человеческой мысли, это был научный подвиг, не имеющий себе подобного», — писал впоследствии Евгений Дюбуа Раймон, ученый, сделавший крупный вклад в дарвиновское учение о происхождении человека. Именно он нашел в 1894 году останки питекантропа.

Ключ к разгадке тайны развития жизни Дарвин нашел в принципе, настолько же простом, насколько великом. От каждого существа рождается потомков намного больше, чем может выжить. А потому путевку в жизнь добывают те, кто сильнее, ловче, приспособленее. Если дети чемпиона унаследуют качества родителя — им тоже обеспечено на время счастье побед. Повторите эту операцию отбора лучших из лучших столько раз, сколько поколений участвовало в эволюционных играх, и вы поймете, почему сегодняшние чемпионы живого мира столь приспособлены к окружающей их среде.

После сообщения о теории эволюции многие кинулись опровергать ее. Критикам казалось, что это не составит особого труда. Но случилось удивительное! С необыкновенной простотой и даже какой-то кротостью Дарвин разделался со всеми доводами научных противников. Каждый самый незначительный на первый взгляд факт был заранее тщательно обдуман, против любого возможного возражения были готовы спокойные, веские контрдоводы. Для незнакомых с Дарвиным это было непостижимо!

И, тем не менее, в рассуждениях Дарвина один пункт оставался неясным. «Если дети чемпиона унаследуют качества родителя — им тоже обеспечено на время счастье побед». Что значит унаследуют? Каким образом? А возможно это в принципе? Дарвин ответа не знал.

Окончилось это трагически. На учение Дарвина последовала неожиданная критика. В коротенькой заметке профессор-физик Флеминг Дженкин корректно, но решительно вышибал подпоры, удерживавшие постройку Дарвина.

Допустим, — рассуждал Дженкин, — что Дарвин прав. Случайно один организм получает полезное наследственное уклонение, которое увеличит его шансы в борьбе за место под солнцем. Но все его сородичи такого уклонения не имеют. Для продления рода счастливцу волей-неволей придется вступить в брак с особью, лишенной преимуществ. Результат этого один — полезное уклонение разделится поровну между детьми. У детей признак окажется разбавленным в два раза, у внуков — в четыре, у правнуков — в восемь и т. д. Одно из двух, — заключал Дженкин, — либо есть эволюция — и тогда полезные признаки должны возникать сразу у множества индивидов, либо полезные признаки случайно появляются у отдельных особей — но нет эволюции.

Простой расчет сильно повлиял на Дарвина, поколебав его уверенность. Убедительных возражений Дженкину он не нашел. Пришлось срочно менять свою позицию. В пятое издание «Происхождения видов» Дарвин внес исправления. Правда, он еще надеялся найти выход из тупика. В одном письме он признается: «Едва ли знаю, почему мне так грустно, но моя работа ведет меня к несколько большему признанию прямого воздействия со стороны физических условий. Наверное, я потому жалею об этом, что оно уменьшает славу естественного отбора, да к тому же оно так чертовски сомнительно. Может быть, я еще переменюсь, когда соберу все свои факты под одну точку зрения, но это будет довольно трудной задачей».

Выполнить желание Дарвин не смог. 19 апреля 1882 года его не стало. Нужно быть слишком проницательным психологом, чтобы угадать, как отреагировал бы Дарвин, если бы узнал: и в момент появления статьи Дженкина в «Северном Британском Обозрении», и в момент его собственных лихорадочных поисков решение уже существовало. За несколько тысяч километров от Англии в тихом богемском городке Брюнне учитель естествознания Иоганн Грегор Мендель доказал: наследственные признаки не растворяются, не распределяются поровну между детьми, не смешиваются и не рассасываются. Они передаются целиком!

Правда, Мендель был далек от проблем эволюции и не догадался привлечь свои данные к «кошмару Дженкина», но первое решение загадки в его работе содержалось. Очевидная связь между менделизмом и дарвинизмом долгое время оставалась незамеченной.

Впервые такой анализ появился в 1926 году. В «Журнале экспериментальной биологии» была напечатана большая статья видного генетика С. С. Четверикова под названием «Некоторые моменты эволюционного учения с точки зрения современной генетики». «Можно ли подойти к вопросам изменчивости, борьбы за существование, отбора — словом, дарвинизма — исходя не из тех совершенно бесформенных, расплывчатых воззрений на наследственность, которые только и существовали во времена Дарвина и его непосредственных предшественников, а из четких законов генетики?» — такой вопрос задавал Четвериков. Ответ излагался на 48 страницах.

Статья была насыщена математическими выкладками, статистическими обобщениями, экскурсами в старые работы по изменчивости видов, расселению новых разновидностей и совершенно новыми данными. При всем притом работа была написана, что называется, на одном дыхании — легко, свободно, даже поэтично.

Основа эволюции – точечные мутации

Основной вывод Четверикова был прост и универсален. В полном согласии с первоначальными взглядами Дарвина Четвериков утверждал: материал для естественного отбора поставляют точечные мутации, случайно возникающие у отдельных организмов, — изменения на небольших отрезках хромосом, сохраняющих в себе запись наследственных программ. Последствия такого изменения могут быть огромными, однако само изменение захватывает лишь крошечный участок — точку наследственной программы.

Но сказать — одно, а доказать — другое. Поэтому Четвериков принялся за расчеты. Он взял исходную цифру (частоту возникновения мутаций в естественных условиях), внес в формулу, которая учитывала, сколько организмов может входить в состав одного вида, скорость их размножения и т. д. Получившийся ответ гласил: чтобы единично возникшая точечная мутация распространилась в живой природе, надо столько-то поколений. Но это расчеты. А что на самом деле? Четвериков использовал данные, уже известные ученым, и сравнил эти реальные цифры с полученными в расчетах. Цифры сошлись!

Итак, первый вывод. Если новая точечная мутация хотя бы незначительно увеличивает шансы организма в борьбе за жизнь — она не пропадет. Она будет непременно подхвачена отбором.

Из теории следовало — мутационный процесс идет постоянно. Когда бы ни изучать живые существа — животные или растения, насекомые или микробы, — всегда можно встретить тьму изменений, надо только просмотреть много организмов: ведь мутации возникают редко, и нужно не пропустить их.

Так рождается схема опыта. В предгорья Кавказа выезжает экспедиция учеников Четверикова. Они ловят мух-дрозофил и с большой коллекцией возвращаются. Теперь предстоит самое трудное — рассортировать мух, проверить их наследственность, изучить потомство от каждой мушки, подсчитать встречающиеся аномалии: изменения цвета глаз, формы крыльев или ножек, утрату щетинок. Словом — уловить редкие наследственные изменения и оценить их частоту.

Рассказывая об этой работе Четверикова, академик Н. К. Кольцов вспоминал: «Всего это исследование охватило более 200 000 особей и велось восемью научными сотрудниками. Идея, положенная в основу исследования, блестяще подтвердилась: вывод их наглядно показывает, что мутации в природе возникают так же часто, как в лаборатории, и могут… давать и в природе начало новым разновидностям и видам».

Чтобы устранить последние недомолвки, Четвериков снова привлекает математику. Он изучает числовые показатели «полезности» наследственных изменений, и опять получает точные ответы: какое же минимальное преимущество мутации еще может быть замечено отбором.

Теоретическая база под процессы эволюции была подведена. Кошмар Дженкина рассеялся.

Эволюция и молекулы

Пожелтела бумага журналов, в которых были напечатаны отчеты лаборатории Четверикова. Ушла вперед наука. Но, видимо, никогда не иссякнет интерес к эволюции. Так же пытливо будут вглядываться ученые в прошлое земли, в ее настоящее и будущее. Основной принцип был Дарвиным и Четвериковым найден. Но и современным ученым нашлось что сказать. Четвериков утверждал: главный поставщик эволюционных преобразований — точечные мутации. Если эволюция — это лестница, то ее ступеньки — точечные мутации.

Однако от того, как Четвериков понимал мутации, до сегодняшнего представления о наследственности и ее изменчивости — словно от первой лупы до ультрасовременного электронного микроскопа.

Когда умами ученых овладели молекулы, прежние закономерности надо было перевести на язык атомов и их группировок. «За традиционными законами «зубов и когтей» мы ищем теперь их молекулярные эквиваленты»,— говорит американский биохимик Дж. Уолд. И на этом пути в молекулярные дебри эволюции встречаются не менее захватывающие проблемы, а следопытов ожидают не менее волнующие открытия. Первое, что надо твердо усвоить, отправляясь в путешествие по молекулярной эволюции, — принцип естественного отбора. Мы говорили: появится маленькое наследственное изменение, облегчающее организму его борьбу за место под солнцем, и это изменение не пропадет бесследно. Задумаемся еще раз над этим.

Хотя само изменение происходит в наследственных структурах (в ДНК), результат его будет замечен в перемене признака. Полезное изменение — это полезное изменение какого-то признака организма. И в борьбу включается именно признак. Уолд образно характеризует эту ситуацию: «ДНК подобна продавцу, который выкладывает свои изделия и живет хорошо не в зависимости от того, кто он есть, а от того, что он может предложить. Если его изделия удовлетворяют запросы лучше, чем изделия его конкурентов, он преуспевает. В противоположном случае он терпит нужду».

Но любой признак — производное всевозможных молекул: ферментных, строительных, транспортных белков, углеводов, разных азотистых соединений, словом, всего того строительного материала, который составляет органы живых существ. Поэтому удачная конструкция органа, более современная его архитектура — это, прежде всего, удачная архитектура молекул, служащих кирпичами. Коль так, то искать эволюционные преобразования надо не на поверхности органов, не на фасаде здания, а внутри его. Этот принцип и лег в основу эволюционной биохимии, родившейся в наши дни.

Продолжение следует.

Автор: В. Сойфер.