Еволюційна біохімія: народження науки
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
26 листопада 1859 року було суботою. В цей день 1250 примірників твору Чарльза Дарвіна, члена Королівського, Геологічного, Ліннеївського та інших товариств, під назвою «Походження видів шляхом природного відбору» надійшли в продаж. А в неділю вдень величезний на ті часи тираж був проданий. Один з друзів Дарвіна в понеділок вже не зміг дістати книгу.
«Це був вибух, якого ще не бачила наука, який так довго готувався і так раптово нагрянув, так нечутно підведений і так смертоносно разючий. За розмірами і значенням виробленого руйнування, з того відлуння, яке відгукнулося в найвіддаленіших галузях людської думки, це був науковий подвиг, що не мав собі подібного», — писав згодом Євген Дюбуа Раймон, вчений, який зробив великий внесок у дарвінське вчення про походження людини. Саме він знайшов у 1894 році останки пітекантропа.
Ключ до розгадки таємниці розвитку життя Дарвін знайшов у принципі, настільки ж простому, наскільки великому. Від кожного створіння народжується нащадків набагато більше, ніж може вижити. А тому путівку в життя здобувають ті, хто є сильнішим, спритнішим. Якщо діти чемпіона успадкують якості батьків — їм теж забезпечено на час щастя перемог. Повторіть цю операцію відбору кращих з кращих стільки разів, скільки поколінь брало участь в еволюційних іграх, і ви зрозумієте, чому сьогоднішні чемпіони живого світу настільки пристосовані до навколишнього середовища.
Після повідомлення про теорію еволюції багато кинулися спростовувати її. Критикам здавалося, що це не складе особливих труднощів. Але сталося дивне! З надзвичайною простотою і навіть якоюсь лагідністю Дарвін розправився з усіма доводами наукових супротивників. Кожен незначний на перший погляд факт був заздалегідь ретельно обміркований, проти будь-якого можливого заперечення були готові спокійні, вагомі контраргументи. Для незнайомих з Дарвіном це було незбагненно!
І, тим не менш, в міркуваннях Дарвіна один пункт залишався неясним. «Якщо діти чемпіона успадкують якості батьків — їм теж забезпечено на час щастя перемог». Що значить успадкують? Яким чином? А чи можливо це в принципі? Дарвін відповіді не знав.
Скінчилося це трагічно. На вчення Дарвіна послідувала несподівана критика. У коротенькій замітці професор-фізик Флемінг Дженкін коректно, але рішуче вибивав підпори, які утримували будівлю Дарвіна.
Припустимо, — міркував Дженкін, — що Дарвін правий. Випадково один організм отримує корисне спадкове відхилення, яке збільшить його шанси в боротьбі за місце під сонцем. Але всі його родичі такого відхилення не мають. Для продовження роду щасливцеві волею-неволею доведеться вступити в шлюб з особою, позбавленою переваг. Результат цього один — корисне відхилення розділиться порівну між дітьми. У дітей ознака виявиться розділеною у два рази, в онуків — в чотири, у правнуків — у вісім і т. д. Одне з двох, — укладав Дженкін, — або є еволюція — і тоді корисні ознаки повинні виникати відразу у безлічі індивідів, або корисні ознаки випадково з’являються в окремих особин — але немає еволюції.
Простий розрахунок сильно вплинув на Дарвіна, поколивавши його впевненість. Переконливих заперечень Дженкіну він не знайшов. Довелося терміново міняти свою позицію. В п’яте видання «Походження видів» Дарвін вніс виправлення. Правда, він ще сподівався знайти вихід із глухого кута. В одному листі він зізнається: «чи знаю, чому мені так сумно, але моя робота веде мене до дещо більшого визнання прямого впливу з боку фізичних умов. Напевно, тому я шкодую про це, що воно зменшує славу природного відбору, та до того ж воно так диявольски сумнівно. Може бути, я ще змінюсь, коли зберу всі свої факти під одну точку зору, але це буде досить важким завданням».
Виконати бажання Дарвін не зміг. 19 квітня 1882 року його не стало. Потрібно бути дуже проникливим психологом, щоб вгадати, як відреагував би Дарвін, якби дізнався: і в момент появи статті Дженкіна в «Північному Британському Огляді», і в момент його власних гарячкових пошуків рішення вже існувало. За кілька тисяч кілометрів від Англії у тихому богемському містечку Брюне вчитель природознавства Грегор Йоганн Мендель довів: спадкові ознаки не розчиняються, не розподіляються порівну між дітьми, не змішуються і не розсмоктуються. Вони передаються цілком!
Правда, Мендель був далекий від проблем еволюції і не здогадався залучити свої дані до «жаху Дженкіна», але перше рішення загадки в його роботі містилося. Очевидний зв’язок між менделізмом і дарвінізмом довгий час залишався непоміченим.
Вперше такий аналіз з’явився в 1926 році. В «Журналі експериментальної біології» була надрукована велика стаття відомого генетика С. С. Четверикова під назвою «Деякі моменти еволюційного вчення з точки зору сучасної генетики». «Чи можна підійти до питань мінливості, боротьби за існування, відбору — словом, дарвінізму — виходячи не з тих абсолютно безформних, розпливчастих поглядів на спадковість, які тільки й існували в часи Дарвіна і його безпосередніх попередників, а з чітких законів генетики?» — таке питання ставив Четвериков. Відповідь викладався на 48 сторінках.
Стаття була насичена математичними викладками, статистичними узагальненнями, екскурсами в старі роботи по мінливості видів, розселення нових різновидів і абсолютно новими даними. При всьому при тому робота була написана, що називається, на одному диханні — легко, вільно, навіть поетично.
Основа еволюції – точкові мутації
Основний висновок Четверикова був простий і універсальний. В повній згоді з початковими поглядами Дарвіна Четвериков стверджував: матеріал для природного відбору постачають точкові мутації, що випадково виникають в окремих організмах, — зміни на невеликих відрізках хромосом, що зберігають в собі запис спадкових програм. Наслідки такої зміни можуть бути величезними, однак сама зміна захоплює лише крихітний ділянку — точку спадкової програми.
Але сказати — одне, а довести — інше. Тому Четвериков взявся за розрахунки. Він взяв початкову цифру (частоту виникнення мутацій в природних умовах), вніс у формулу, яка враховувала, скільки організмів може входити до складу одного виду, швидкість їх розмноження і т. д. Отримана відповідь була така: щоб одинично виникла точкова мутація поширилася в живій природі, треба стільки-то поколінь. Але це розрахунки. А що насправді? Четвериков використовував дані, вже відомі вченим, і порівняв ці реальні цифри з отриманими в розрахунках. Цифри зійшлися!
Отже, висновок перший. Якщо нова точкова мутація хоча б незначно збільшує шанси організму в боротьбі за життя — вона не пропаде. Вона буде неодмінно підхоплена відбором.
З теорії випливало — мутаційний процес йде постійно. Коли б не вивчались живі істоти — тварини або рослини, комахи або мікроби, — завжди можна зустріти темряву змін, треба лише переглянути багато організмів: адже мутації виникають рідко, і потрібно не пропустити їх.
Так народжується схема досвіду. В передгір’я Кавказу виїжджає експедиція учнів Четверикова. Вони ловлять мух-дрозофіл і з великою колекцією повертаються. Тепер попереду найважче — розсортувати мух, перевірити їх спадковість, вивчити потомство від кожної мушки, підрахувати зустрінуті аномалії: зміни кольору очей, форми крил або ніжок, втрату щетинок. Словом — вловити рідкісні спадкові зміни та оцінити їх частоту.
Розповідаючи про цю роботу Четверикова, академік Н. К. Кольцов згадував: «Все це дослідження охопило понад 200 000 особин і велося вісьмома науковими співробітниками. Ідея, покладена в основу дослідження, блискуче підтвердилася: виведення їх наочно показує, що мутації в природі виникають так само часто, як в лабораторії, і можуть давати… і в природі початок новим різновидам і видами».
Щоб усунути останні недомовки, Четвериков знову привертає математику. Він вивчає числові показники «корисності» спадкових змін, і знову отримує точні відповіді: яка ж мінімальна перевага мутації ще може бути помічена відбором.
Теоретична база під процеси еволюції була підведена. Кошмар Дженкіна розсіявся.
Еволюція і молекули
Пожовк папір журналів, в яких були надруковані звіти лабораторії Четверикова. Пішла вперед наука. Але, мабуть, ніколи не вичерпається інтерес до еволюції. Так само допитливо будуть вдивлятися вчені в минуле землі, в її сьогодення і майбутнє. Основний принцип був Дарвіном і Четвериковим знайдений. Але і сучасним вченим знайшлося що сказати. Четвериков стверджував: головний постачальник еволюційних перетворень — точкові мутації. Якщо еволюція — це сходи, то її сходинки — точкові мутації.
Однак від того, як Четвериков розумів мутації, до сьогоднішнього уявлення про спадковості та її мінливості — немов від першої лупи до ультрасучасного електронного мікроскопа.
Коли умами вчених оволоділи молекули, колишні закономірності треба було перекласти на мову атомів та їх угруповань. «За традиційними законами «зубів і пазурів» ми шукаємо тепер їх молекулярні еквіваленти»,— каже американський біохімік Дж. Уолд. І на цьому шляху в молекулярних нетрях еволюції зустрічаються не менш захоплюючі проблеми, а слідопитів очікують не менш хвилюючі відкриття. Перше, що треба твердо засвоїти, вирушаючи в подорож по молекулярній еволюції, — принцип природного відбору. Ми говорили: з’явиться маленька спадкова зміна, що полегшує організму його боротьбу за місце під сонцем, і ця зміна не пропаде безслідно. Замислимося ще раз над цим.
Хоча сама зміна відбувається в спадкових структурах (ДНК), результат її буде помічений в перерві ознаки. Корисна зміна — це корисна зміна якоїсь ознаки організму. І в боротьбу включається саме ознака. Уолд образно характеризує цю ситуацію: «ДНК подібна продавцю, який викладає свої вироби і живе добре не залежно від того, хто він є, а від того, що він може запропонувати. Якщо його вироби задовольняють запити краще, ніж вироби його конкурентів, він процвітає. У протилежному випадку він бідніє».
Але будь-яка ознака — похідне всіляких молекул: ферментних, будівельних, транспортних білків, вуглеводів, різних азотистих сполук, словом, всього того будівельного матеріалу, який складає органи живих істот. Тому вдала конструкція органу, більш сучасна його архітектура — це, насамперед, вдала архітектура молекул, що служать цеглою. Коли так, то шукати еволюційні перетворення треба не на поверхні органів, не на фасаді будівлі, а всередині її. Цей принцип ліг в основу еволюційної біохімії, народженої в наші дні.
Далі буде.
Автор: В. Сойфер.