Глава 1. Гены. Энтузиасты. ДНК

Как живые существа передают свои черты детям?

Холод и зной, мороз и пламя, лед и огонь. У двух ученых, совершивших первые величайшие открытия в области генетики, было много общего – не только то, что они оба умерли в безвестности, никем не оплаканные и благополучно забытые почти всеми, кто их знал. Судьба распорядилась так, что наследие одного из них погибло в огне, а другой не сумел разгадать главную загадку в его жизни из-за зимних морозов.

Пламя, поглотившее великий труд, разгорелось зимой 1884 года в одном из монастырей на территории современной Чехии. Холодный январский день монахи потратили на разбор архива в кабинете недавно скончавшегося аббата Грегора Менделя: папки безжалостно опустошались, а их содержимое отправлялось в костер, разведенный тут же, во внутреннем монастырском дворике. Мендель был дружелюбным и очень одаренным человеком, и тем не менее к концу жизни он доставил немало хлопот монастырской братии. Он постоянно привлекал внимание правительства, становился причиной газетных слухов и даже вступил в открытое противостояние с местным земским начальником, одержав, в конце концов, победу. Никто из родственников Менделя не заявил о правах на архив, поэтому монахи попросту сожгли бумаги аббата. Их можно понять, ведь таким образом они пытались залечить и забыть рану, которая беспокоила их на протяжении долгих лет. К сожалению, свидетельств о том, как выглядел архив Менделя, не сохранилось, однако известно, что среди его бумаг была стопка сшитых листов или, возможно, блокнот в простой обложке, покрывшийся толстым слоем пыли. Пожелтевшие страницы наверняка сохранили наброски рисунков гороха и таблицы с числами (Мендель любил числа). Эти страницы сгорели так же, как и все остальные, превратившись в обычный пепел. В этом костре, разведенном как раз на том месте, где за много лет до этого стояла знаменитая теплица Менделя, было уничтожено единственное письменное свидетельство открытия гена.

Зима 1884 года выдалась морозной, как многие прежние зимы и те немногие, что оставались у них впереди. Иоганн Фридрих Мишер, профессор физиологии одного из швейцарских университетов, изучал физиологию лосося. Долгие годы, на протяжении которых Мишер занимался и другими исследованиями, его волновала загадка серого пастообразного вещества, которое он выделил из спермы лосося. Поскольку сперма на открытом воздухе быстро теряет свои качества и становится непригодной для исследований, Мишер постоянно держал окна лаборатории открытыми настежь, охлаждая помещение старым, веками проверенным способом. Сам ученый, проводя исследования, изо дня в день работал в холоде швейцарской зимы. Любой эксперимент в таких условиях требовал нечеловеческой сосредоточенности и концентрации внимания, которые были свойственны Мишеру – это признавали даже те, кто был невысокого мнения об ученом. (На заре его научной карьеры случился такой курьез: однажды друзьям пришлось силой оттягивать Мишера от лабораторного стола, чтобы он не опоздал на собственную свадьбу, о которой он попросту забыл!) Несмотря на одержимость наукой, Мишер не достиг выдающихся результатов. Можно сказать, список его научных достижений был скуден. И все же он никогда не закрывал окон лаборатории, дрожа от холода каждую зиму из года в год, прекрасно понимая, что такой образ жизни медленно убивает его. К сожалению, ему так и не удалось проникнуть в тайну обнаруженного им светлосерого вещества – ДНК.

ДНК и гены, гены и ДНК. В наши дни эти слова воспринимаются как синонимы. В сознании современного человека гены и ДНК – это единое целое, как Гильберт и Салливан, как Уотсон и Крик. Тем более неудивительным и вполне логичным кажется тот факт, что Мишер и Мендель – оба вели отшельнический образ жизни, оба жили в Центральной Европе на расстоянии 600 км друг от друга и говорили на одном языке – одновременно (в 1860-е) открыли ДНК и гены. В этом усматривается не только логика, в этом было предопределение.

Тем не менее, чтобы понять, что на самом деле представляют собой гены и ДНК, необходимо развести, разделить эти понятия. Они вовсе не тождественны и никогда таковыми не были. ДНК материальна – это химическое соединение, клейкое вещество, которое можно потрогать. Гены также имеют физическую природу: они представляют собой длинные участки ДНК. И все же гены правильнее считать не материальными, а абстрактными единицами. Ген по сути является информацией, короткой историей, записанной на языке ДНК. Последовательность множества генов в молекуле ДНК образует более крупную структуру – хромосому. Хромосомы – это тома, в которых записаны многочисленные истории на языке ДНК. Они хранят большинство генов всех живых организмов. Хромосомы, в свою очередь, располагаются в ядрах клеток – своеобразных библиотеках, хранящих бесчисленные руководства по функционированию наших организмов.

Все эти структуры являются ключевыми понятиями генетики и играют важную роль в понимании механизма наследственности. Все они были открыты в XIX веке почти одновременно, однако еще около ста лет после открытия ДНК и генов никому не удавалось увидеть связь между ними. Как вы уже знаете, оба первооткрывателя умерли в безвестности.

Первой важнейшей вехой в истории науки о механизмах наследственности стал момент, когда биологи наконец поняли связь между генами и ДНК. Более того, в наше время попытки скорректировать и уточнить эту связь способствуют развитию генетики.

* * *

Мендель и Мишер приступили к научным исследованиям в эпоху расцвета обыденных теорий наследственности, в основном нелепых и диких, но местами по-своему оригинальных. Эти теории столетиями определяли представления людей о том, почему некоторые черты наследуются от предыдущих поколений.

Безусловно, не обязательно быть ученым, чтобы понимать, что дети похожи на своих родителей. Рыжие волосы, облысение, лунатизм, срезанный подбородок и даже лишний палец на руке – все эти черты могут прослеживаться у представителей одного рода на протяжении столетий. Даже сказки, в которых запечатлено коллективное бессознательное, с древних времен рассказывали людям о том, как в бродяге легко можно было распознать «настоящего» принца или «настоящую» принцессу – ведь королевскую кровь и благородное происхождение не скроют ни лохмотья, ни облик лягушки.

Разумеется, это всего лишь здравый смысл. Тайна механизма наследственности (а значит и ответ на вопрос, как именно черты передаются из поколения в поколение) долгое время ставила в тупик и сбивала с толку ученых мужей. Попытки разгадать эту тайну приводили к появлению весьма причудливых теорий, которые были широко распространены до девятнадцатого века и продолжали влиять на представления людей о наследственности до наступления века двадцатого. Согласно одной из популярных в то время обыденных теорий наследственности – теории «материнских впечатлений», если женщина во время беременности увидит что-то страшное или перенесет сильное эмоциональное потрясение, ее впечатления передадутся малышу.

Так, одна женщина ела во время беременности слишком много клубники и родила малыша, с ног до головы усыпанного красными пятнами в форме ягод. Разумеется, если бы женщина ела чересчур много бекона, пятна малыша были бы другой формы. Другая женщина, будучи на сносях, ушибла голову о мешок с углем, и поэтому у новорожденного половина (именно половина!) головы была покрыта черными волосиками. Еще более зловещий случай зафиксирован врачами XVII века: беременную женщину испугали морские чудища, и вскоре она родила сына, покрытого чешуей. От младенца пахло морем, и питался он исключительно рыбой. Священники рассказывали прихожанам предостерегающую историю о женщине, которая склонила мужа-актера к соитию прямо за кулисами перед спектаклем. Муж в этом момент был в костюме и гриме своего персонажа. А играть он должен был не кого-нибудь, а самого Мефистофеля. Неудивительно, что зачатый в таких обстоятельствах ребенок родился с копытцами и рожками. У женщины, которую соблазнил однорукий бродяга, родился однорукий младенец. Ходили рассказы о девицах, которые во время беременности, не имея сил терпеть, сворачивали с оживленных улиц и справляли малую нужду за церковными оградками, а спустя какое-то время их дети долго страдали недержанием. Существовало поверье, что если женщина во время беременности носит в фартуке – как раз под животом – поленья для камина, то у нее обязательно родится мальчик с чересчур большим половым членом. Едва ли не единственный случай «наследования» положительных материнских впечатлений описан во Франции в 1790-е годы: в Париже у патриотически настроенной женщины, поддерживающей революцию, родился малыш, у которого на груди было родимое пятнышко в форме фригийского колпака – мягкой шапочки, напоминающей эльфийскую, со свисающим вперед верхом. Фригийский колпак был символом свободы молодой Французской республики, поэтому изумленное и растроганное правительство назначило матери малыша пожизненную пенсию.

Большинство обыденных представлений о наследственности пересекалось с религиозными верованиями. Люди долгое время вполне естественно считали врожденные дефекты (увеличенные глазницы, дополнительное сердце, обильный волосяной покров по всему телу) карой за грехи, проявлением божественного гнева или высшей справедливости, неизменно ссылаясь на цитаты из Библии. Так, в конце XVII века в Шотландии жестокий помощник шерифа по имени Белл арестовал двух женщин, по его мнению сектанток. Он привязал их к деревянным столбам, врытым в песок у самого моря – накатывающие волны прилива накрывали их с головой. Он оскорблял арестанток, издевался над ними, затем собственноручно утопил одну из них, которая была моложе и яростнее сопротивлялась. Позже, когда его спрашивали о том, что произошло, Белл без конца улыбался и шутил, что его жертвы, должно быть, весело проводят время в компании крабов. Злая шутка обернулась против самого Белла. Вскоре он женился, и все его дети появились на свет с врожденной аномалией – их недоразвитые ручки напоминали ужасные клешни. Этот изъян был унаследован его внуками и правнуками. Современнику Белла вовсе не нужно было быть ученым библеистом, чтобы понять очевидное: за страшное беззаконие Белла были наказаны его потомки до четвертого колена, и не только они – случаи рождения детей с подобным пороком развития фиксировались в Шотландии вплоть до начала ХХ века.

Итак, сторонники теории материнских впечатлений верили в то, что на внутриутробное развитие малыша влияют внешние факторы. Другие теории основывались на убеждении в том, что главную роль в механизме наследственности играют факторы внутренние.

Одно из таких учений, получившее название преформизм, возникло из представлений средневековых алхимиков о возможности создать гомункула – микроскопического человечка. Гомункул воплощал собой философский камень биологии: вера в возможность его создания убеждала людей в том, что алхимики обладают силой богов. (Стоит отметить, что процесс создания гомункула был не таким уж величественным по сравнению с божественным творением. Согласно одному из рецептов, гомункул вызревает за шесть недель в результате брожения человеческой спермы, смешанной с конским навозом и мочой. Емкостью для этой смеси непременно должна была служить тыква.) К концу XVII века идея создания гомункула проникла в околонаучные круги, где нашла горячую поддержку некоторых ученых-натуралистов. Со временем появились представления о том, что гомункул есть внутри каждой женской яйцеклетки. Подобное предположение эффектно снимало вопрос о том, как из неживой смеси жидкостей получить живой эмбрион. Преформисты были уверены в бессмысленности спонтанного зарождения, поскольку полагали, что готовые гомункулы заранее сформированы в яйцеклетке (идея преформации), и для развития им необходим толчок – попадание в яйцеклетку сперматозоида. У этой идеи был один серьезный недостаток: как справедливо отмечали критики, она приводила к бесконечной регрессии – в организме одной женщины, словно в матрешке, должны храниться одновременно все ее будущие дети, а также их дети, и дети их детей.

Сторонники овизма могли лишь ответить общей фразой о том, что Господь заключил весь род человеческий в утробу Евы в первый день творения (или все же в шестой день). Спермисты пошли еще дальше: согласно их представлениям, все человечество было заключено в каждом сперматозоиде Адама, словно сардины в банке (сперматозоиды во много раз меньше яйцеклетки). Даже с появлением первых микроскопов некоторые сторонники спермизма разглядели в сперматозоидах миниатюрных человечков.

Овизм и спермизм получили широкое распространение отчасти потому, что они объясняли сущность первородного греха: на момент изгнания Адама и Евы из рая мы все находились либо внутри первого мужчины, либо в утробе первой женщины, а следовательно, разделяем их участь и несем бремя проклятия. Однако не обошлось без теоретических загвоздок. Так, без ответа оставался занимательный вопрос: что же происходит с многочисленными некрещеными душами, которые гибнут при каждой эякуляции?

Несмотря на поэтичность, а местами и очаровательную непристойность, во времена Мишера эти теории вызывали насмешки биологов, которые верили в них не более, чем в бабушкины сказки. Ученые мужи стремились очистить науку от нелепых историй и фантазий о туманных «жизненных силах». Они надеялись объяснить механизмы наследственности и онтогенеза с помощью химии.

У Мишера изначально не было никаких планов вливаться в новую волну ученых, которые стремились разгадать давние загадки мироздания. Молодой швейцарец получил медицинское образование, желая продолжить семейное дело. Однако у Мишера появились проблемы со слухом (как осложнение после тифа), которые не позволяли ему пользоваться стетоскопом и затрудняли диагностирование некоторых заболеваний. Его отец, выдающийся гинеколог, предложил сыну продолжить научную карьеру. Так, в 1868 году молодой Мишер едет в немецкий город Тюбинген и поступает на работу в лабораторию, возглавляемую биохимиком Феликсом Гоппе-Зейлером. Лаборатория Гоппе-Зейлера располагалась в подвале живописного средневекового замка – в помещении, где когда-то размещалась королевская прачечная. Мишер работал в соседней комнате, некогда служившей замковой кухней.

Гоппе-Зейлер мечтал каталогизировать все химические соединения, входящие в состав клеток крови человека. Он уже давно исследовал эритроциты – красные кровяные тельца, и поручил Мишеру исследование состава лейкоцитов – белых клеток крови. Для нового ассистента это был настоящий счастливый случай, ведь лейкоциты (в отличие от эритроцитов) имеют внутри крошечные капсулы. Эти капсулы называются клеточными ядрами. В то время ученые, занимавшиеся исследованиями клетки, попросту оставляли ядро без внимания, поскольку не знали, какие именно функции оно выполняет. В клетке ученых по вполне понятным причинам интересовала прежде всего цитоплазма – жидкость, заполняющая практически весь объем клетки. Тем не менее Мишер был рад возможности исследовать нечто новое, неизвестное.

В этой лаборатории, бывшей кухне в подвале замка города Тюбинген (Германия), Фридрих Мишер (фото вверху слева) открыл ДНК (фото из архива библиотеки Тюбингенского университета)

Для изучения клеточных ядер Мишеру постоянно требовались свежие лейкоциты, поэтому он наладил связи с местной больницей. Больница была открыта для ухода за ветеранами, которые перенесли тяжелейшие операции по ампутации конечностей еще на полях сражений или страдали от последствий менее серьезных ран. Однако в клинике постоянно находились обычные тяжело больные пациенты, и каждый день больничный санитар доставлял пропитанные гноем пожелтевшие бинты в лабораторию Мишера. На открытом воздухе гной обычно превращается в слизь со специфическим зловонным запахом, поэтому Мишеру приходилось проверять запах каждого бинта и выбрасывать ткань, издающую гнилостный запах (за время доставки большинство бинтов обычно было уже «испорчено»). Немногочисленные же бинты без запаха, на которых гной оставался «свежим», буквально кишели лейкоцитами.

Стремясь произвести впечатление (а на самом деле ставя под сомнение свой исследовательский талант), Мишер с большим энтузиазмом приступил к изучению ядра. Он работал так усердно, словно его усердие компенсировало тяжелые условия его исследований. Один из коллег позже вспоминал, что Мишер работал так, «словно в него вселился демон». Ежедневно ученый имел дело со всевозможными веществами, и без присущей ему одержимости он вряд ли совершил бы свое главное открытие, поскольку основное вещество – таинственная составляющая клеточного ядра – оказалось едва уловимым. Сначала Мишер промывал бесценный для него гной в теплом спирте, а затем в кислотной вытяжке из желудка свиньи, чтобы растворить клеточные мембраны. В результате этой процедуры ему удалось выделить из ядра серое пастообразное вещество. Предположив, что это белок, ученый стал исследовать его свойства. Выяснилось, что для неизвестного вещества не характерна усваиваемость, типичная для белков. Кроме того, открытое Мишером вещество, в отличие от белков, не расщеплялось в соленой воде, кипящем уксусе и разбавленной соляной кислоте. Тогда химик применил один из самых легких способов узнать состав вещества – жег его до тех пор, пока оно не разложилось на составные компоненты. Среди них предсказуемо оказались углерод, водород, кислород и азот, но тот факт, что вещество на 3 % состоит из фосфора, стал еще одним доказательством небелковой природы открытого соединения. Мишер был убежден, что обнаружил уникальное вещество; он назвал это вещество «нуклеином», а через много лет ученые дали ему другое название – дезоксирибонуклеиновая кислота, или ДНК.

После года тщательных исследований, осенью 1969-го, Мишер стоял у входа в бывшую королевскую прачечную – лабораторию Гоппе-Зейлера, готовый поделиться открытием со своим старшим коллегой. Пожилой ученый отнесся к открытию без особого энтузиазма: подняв брови и сморщив лоб, он высказал сомнения в том, что в состав ядра входит некое особое, небелковое вещество. Мишер наверняка допустил ошибку в исследованиях. Молодой ученый пытался возражать, однако Гоппе-Зейлер настоял на проведении повторных экспериментов – прежде чем опубликовать результаты своей работы, Мишеру предстояло пройти весь путь заново, шаг за шагом, бинт за бинтом. Снисходительность Гоппе-Зейлера нисколько не убавила уверенности Мишера в значимости своего открытия, и он без спешки приступил к тщательной проверке результатов. И даже после двух лет упорного труда, которые только подтвердили догадки молодого ученого, Гоппе-Зейлер согласился на публикацию Мишера только в сопровождении введения от своего имени. Во введении Гоппе-Зейлер уклончиво хвалил Мишера за то, что он «расширил наши представления… о составе гноя». Как бы то ни было, работа была опубликована в 1871 году, и благодаря ей Мишер справедливо считается первооткрывателем ДНК.

Вскоре после публикации Мишера были сделаны новые открытия, пролившие свет на загадку молекулы клеточного ядра. Так, протеже Гоппе-Зейлера установил, что в состав нуклеина входят молекулы нескольких типов: фосфаты, сахара (или дезоксирибозы), а также четыре типа кольцевидных соединений, получивших название азотистых оснований – аденин, цитозин, гуанин и тимин. Оставалось неясным, какие связи заставляют эти составные части складываться в одну молекулу. Именно эта неясность долгое время поддерживала мнение о странности и непостижимости неоднородной структуры ДНК. (В настоящее время ученым известно, как все эти компоненты соотносятся друг с другом в составе ДНК. Молекула ДНК образует двойную спираль, которая напоминает веревочную лестницу, скрученную в штопор. Остов каждой из цепей спирали – опорные канаты воображаемой лестницы – состоит из чередующихся фосфатов и сахаров. Перекладины лестницы – самые важные части молекулы – представляют из себя цепочки из соединенных между собой двух нуклеиновых оснований. Основания связываются между собой строго определенным образом: аденин (А) образует связи только с тимином (Т), а цитозин (Ц) только с гуанином (Г). Чтобы учащиеся не путали связи между азотистыми основаниями, им предлагается такой мнемонический прием: запомнить пары слов Ананас – Тарелка (А – Т) и Цыпленок – Гнездо (Ц – Г).)

Тем временем другие открытия лишь подкрепляли репутацию ДНК как интереснейшего вещества. Во второй половине XIX века ученые обнаружили, что при делении клетки количество хромосом удваивается, и в каждой из двух новых клеток сохраняется их исходное количество. Это натолкнуло ученых на мысль о большой значимости хромосом – в противном случае клетки не стали бы так беспокоиться и удваивать их количество. Позже другие исследователи выяснили, что хромосомы передаются от родителей ребенку в неизменном виде. Еще один выдающийся немецкий химик установил, что хромосомы почти полностью состоят именно из ДНК. Оставалось взглянуть на это блестящее созвездие открытий хотя бы с малой толикой воображения, и из маленьких кусочков сложилась бы большая картина. Эту картину удалось сложить совсем небольшой группе ученых, которые благодаря всем перечисленным выше открытиям догадались, что ДНК играет ключевую роль в передаче наследственной информации. Загадочный нуклеин притягивал все больше внимания.

Мишеру, прямо скажем, очень повезло, что нуклеин вдруг стал объектом пристального внимания ученых – когда он сосредоточился на исследовании неизвестного и непонятного вещества, его карьерный рост приостановился. Поработав в Тюбингене, он вернулся в родной Базель, но руководство университета, куда он устроился работать, не выделило ему отдельной лаборатории. Его рабочее место находилось в углу помещения, которое он делил с другими сотрудниками. Химический анализ веществ ученый был вынужден проводить в старом коридоре (оказалось, что замковая кухня не лучшее место для химической лаборатории). Кроме того, теперь он должен был заниматься преподаванием. По натуре Мишер был замкнутым, даже холодным человеком – среди людей он чувствовал себя некомфортно. Несмотря на то, что он тщательно готовился к лекциям, как преподаватель Мишер не состоялся. Студенты вспоминали о нем как о «неуверенном в себе, суетливом… близоруком… сложно излагающем мысли, нервном» человеке. Мы привыкли думать о великих ученых как о людях энергичных, способных передавать свой азарт всем окружающим, но у Мишера не было ни харизмы, ни даже потенциала для ее развития. Поскольку преподавание лишь тяготило его и даже негативно сказывалось на самооценке, Мишер решил вновь посвятить все свое время научным исследованиям.

Оправдывая слова одного наблюдателя, который назвал ученого «поклонником малоприятных выделений организма», Мишер продолжил изучать ДНК, но теперь источником нуклеина для него служил не гной, а сперма. Половые клетки, содержащиеся в сперме, напоминали нуклеиновые снаряды – ДНК в них было предостаточно, а ненужной для исследований цитоплазмы гораздо меньше. Кроме того, Мишер нашел удобный источник ДНК: он проводил исследования на сперме лосося, которым Рейн, протекавший неподалеку от университета, просто кишел, особенно осенью и зимой. В период нереста яички лосося сильно набухают, увеличиваясь в размере в 20 раз по сравнению с обычным периодом (яичко лосося в период нереста может весить до 0,5 кг). Наловить рыбы для исследований не составляло никакого труда: при желании Мишер мог бы протянуть леску в Рейн прямо из окна лаборатории. Из каждого яичка рейнского лосося ученый высвобождал миллионы озадаченных крошечных пловцов. Единственный недостаток работы с таким материалом заключался в том, что сперма лосося начинает разлагаться при более-менее комфортной для человека температуре. Мишер приходил на рабочее место в холодные предрассветные часы, раскрывал настежь окна лаборатории, пока температура в помещении не падала примерно до 2 °С – только тогда можно было приступать к работе. Еще одно неудобство было связано с тем, что Мишер иногда разбивал лабораторную посуду, а поскольку он был совсем не богат, то не мог покупать новые стеклянные изделия, необходимые для опытов. Чтобы закончить исследования, он потихоньку уносил из дома в лабораторию изделия из фарфорового сервиза своей любимой женушки.

Исследования спермы лосося, проводимые Мишером, а также результаты работы его коллег, которые изучали состав других клеток, помогли ученому прийти к выводу о том, что все клеточные ядра содержат ДНК. Мишер даже предложил новое определение клеточных ядер, сильно различающихся по форме и размеру – «структурный компонент клетки, содержащий нуклеин (ДНК)». И хотя ученого совсем не волновала собственная репутация, это смелое предложение могло бы нанести по ней последний сокрушительный удар. Если бы оказалось, что ДНК не играет никакой значимой роли в организме человека, Мишер, по крайней мере, остался бы первооткрывателем состава загадочного ядра. Но, как вы понимаете, ДНК никак не могла оказаться незначимой. Несмотря на то, что Мишер во многом был прав в своем определении ядра, другие ученые скептически отнеслись к его откровенно преждевременному предложению. Его современникам не хватало доказательств. И если ученые все же согласились бы с предложенным определением ядра, они ни за что не поддержали бы его очередное, еще более смелое предположение о важной роли ДНК в передаче наследственной информации. Их скептицизм подкреплял тот факт, что Мишер понятия не имел о том, каким образом ДНК передает наследственную информацию. Как и многие ученые того времени, Мишер сомневался, что сперматозоид передает что бы то ни было яйцеклетке: он предполагал (и в подобных предположениях слышатся отголоски представлений о гомункулах), что в яйцеклетке изначально содержатся все элементы, необходимые для развития новой жизни. Он, скорее, считал, что нуклеин, содержащийся в сперме, действовал как своего рода химический дефибриллятор, запускающий работу яйцеклетки. К сожалению, у Мишера не было времени на дальнейшие исследования, которые подтвердили бы его правоту. Он должен был вернуться к преподаванию. Кроме того, по поручению швейцарского правительства Мишеру пришлось выполнять «неблагодарную и скучную» работу – готовить доклады о качестве питания в тюрьмах и начальных школах. Несколько лет (а точнее – суровых швейцарских зим) работы в лаборатории при открытых окнах пагубно сказались на его здоровье: Мишер ослаб и заболел туберкулезом. В конце концов, он отказался от исследования ДНК.

Тем временем в умах других ученых сомнения относительно значимости ДНК только крепли, перерастая в агрессивное неприятие идеи. Снижению интереса к ДНК способствовало новое открытие: состав ДНК ограничивается фосфатами, сахарами и основаниями А, Г, Ц, Т, а вот в хромосомах есть кое-что поинтереснее. Оказалось, что хромосомы содержат белковые цепочки, которые гораздо больше подходили на роль ключа к разгадке химического механизма наследственности. Дело в том, что хромосомные белки состоят из двадцати разных элементов – аминокислот. Каждый из этих элементов мог бы служить отдельной «буковкой» для написания химического кода. Казалось, из этих «букв» можно было составлять бесконечное количество «текстов», что объяснило бы удивительное многообразие самой жизни. По сравнению с этим открытием, структурные элементы ДНК – А, Г, Ц и Т – казались до уныния простыми, словно четырехбуквенный алфавит пиджина с минимальными выразительными возможностями. Многие ученые решили, что функции ДНК сводятся лишь к хранению фосфора, необходимого для жизнедеятельности клетки.

К сожалению, даже сам Мишер начал сомневаться в том, что ДНК содержит достаточное количество элементов для кодирования информации. Он также стал задумываться о роли белков в передаче наследственной информации и предположил, что белки кодируют информацию боковыми ответвлениями собственных молекул, располагающимися под разными углами (действуя, как своего рода химический семафор). Тем не менее оставался неясным важный вопрос: каким образом сперматозоиды передают эту информацию яйцеклетке. Мишер был в замешательстве. В конце жизни он снова обратился к ДНК и продолжал настаивать на том, что именно это вещество является важнейшим механизмом наследования информации. Однако его исследования почти прекратились: он был вынужден все больше времени проводить в альпийских санаториях для больных туберкулезом. Находясь в шаге от разгадки одной из величайших тайн жизни, в 1895 году Мишер слег с воспалением легких и вскоре скончался.

Дальнейшие исследования ДНК еще больше ослабили теорию Мишера и укрепили веру ученых в то, что если хромосомы контролируют процесс наследования, то сама информация содержится именно в хромосомных белках, а не в ДНК. После смерти Мишера его дядя, тоже ученый, издал письма и неопубликованные статьи племянника под общим названием «Избранное», подходившим скорее сборнику рассказов или повестей. Составитель написал введение к этой книге, в котором с уверенностью сказал: «Значимость Мишера и его научного труда никогда не уменьшится. Напротив, она лишь возрастет, а его открытия и идеи станут семенами будущих плодов науки». В то время казалось, что эти теплые слова близкого человека выражают тщетные надежды: в некрологах Мишера нуклеин почти не упоминался. Казалось, что и ДНК, и Мишер окончательно отошли в науке на второй план. Тем не менее Мишер не умер в забвении – в научных кругах, пусть и весьма узких, его помнили.

* * *

Грегор Мендель при жизни прославился вовсе не открытием, а скандалом. По собственному признанию, Мендель постригся в монахи Августинского монастыря вовсе не из-за благого набожного порыва, а потому, что орден оплачивал все расходы нового брата, в том числе обучение. Мендель родился в крестьянской семье, которая смогла дать сыну начальное образование в сельской школе только потому, что ее открыл дядя Менделя. Чтобы Грегор мог учиться в философских классах института Ольмюца, одна из сестер пожертвовала часть своего приданого. Когда все расходы Менделя стали оплачиваться церковью, он поступил в Венский университет, где изучал естественные науки. Среди его преподавателей были известные ученые. Так, опыт, демонстрирующий эффект Доплера, Менделю-студенту показывал и объяснял сам Кристиан Доплер (правда, Доплер сперва отказал Менделю в посещении своего курса, поскольку, вероятно, был наслышан о том, что во время контрольных работ и экзаменов у студента случались нервные срывы).

Аббат монастыря Святого Фомы, где Мендель был пострижен в монахи, поощрял его увлечение наукой и статистикой отчасти из корыстных побуждений: аббат полагал, что применение научного подхода к ведению хозяйства поможет монастырю увеличить поголовье овец и урожай фруктов и винограда, а следовательно, вылезти из долгов. Но у Менделя хватало времени и на другие интересы: в течение нескольких лет он составлял карту солнечных пятен, следил за ураганами, держал пасеку и разводил пчел (следует сказать, что представители одной из пород, выведенных Менделем, оказались настолько агрессивными и мстительными, что их пришлось уничтожить), а также основал Австрийское метеорологическое общество.

В начале 1860-х годов, незадолго до того, как Фридрих Мишер был вынужден отказаться от медицинской практики и уйти в науку, Мендель стал проводить на первый взгляд довольно простые опыты на горохе в монастырском саду. Он выбрал горох не только потому, что любил его есть и был не прочь иметь постоянный источник любимого вкуса. Он выбрал горох еще и для чистоты эксперимента: ни пчелы, ни ветер не опыляли цветки его гороха (горох в обычных условиях – самоопылитель), поэтому Мендель мог наблюдать, какие именно растения скрещиваются между собой. Кроме того, ученый монах придавал большое значение двойственной (так сказать, «либо-либо») природе растений гороха: стебли у растений либо высокие, либо низкие; семена либо зеленые, либо желтые; горошины либо морщинистые, либо гладкие – третьего не дано. К слову, с этой особенностью гороха связан первый важный вывод, к которому пришел Мендель в ходе своих исследований: в паре альтернативных признаков один из признаков «доминирует» над другим. Например, при скрещивании чистой линии гороха с зелеными семенами с чистым растением гороха с желтыми семенами, у всех растений-потомков семена будут желтыми. Вывод: желтый цвет семян – доминирующий признак.

Важно отметить, однако, что второй признак – зеленый цвет семян – не исчезает у потомков полностью. Когда Мендель скрестил растения «второго поколения» друг с другом (все они отличались желтым цветом семян), среди полученных гибридов было несколько растений с зелеными семенами – один гибрид с рецессивным признаком (зелеными семенами) на три гибрида с доминирующим признаком (желтыми семенами). На других признаках их расщепление в соотношении 3:1 также подтвердилось.

Не менее важным оказался вывод Менделя о том, что наличие одного доминантного или рецессивного признака не влияет на наследование другого признака – каждый признак наследуется независимо от других. Например, несмотря на то, что высокий стебель является доминирующим признаком, а короткий – рецессивным, растение с коротким стеблем может иметь желтые семена (доминирующий признак). И наоборот – у растения с высоким стеблем (доминирующий признак) может проявляться рецессивный признак – зеленые семена. Каждый из семи признаков, которые изучал Мендель, например гладкие горошины (доминирующий) или морщинистые (рецессивный), фиолетовые (доминирующий) или белые (рецессивный) цветки, наследовался растениями гороха независимо от других.

Эксперименты Менделя были удачными потому, что он сконцентрировался на отдельных, независимых признаках в отличие от других ученых-садоводов, увлеченных механизмами наследования. Если бы Мендель описывал сходство растения с «родителями» в целом, ему пришлось бы учитывать слишком много признаков. Все признаки растений, полученных в результате скрещивания, сложились бы в запутанный пестрый коллаж «материнских» и «отцовских» черт. (Чарльз Дарвин тоже разводил горох и экспериментировал с растениями, однако ему не удалось разгадать механизм наследования признаков по описанной выше причине – он пытался объяснить все сходства и отличия сразу.) Мендель сужал задачу каждого эксперимента до изучения одной черты, поэтому смог догадаться, что наследование каждой черты зависит от отдельного фактора. Мендель не использовал слово «ген», однако он говорил о структурных единицах наследственности, которые мы сегодня называем генами. Горох Менделя стал ньютоновским яблоком в биологии.

Мендель не только поставил биологию на новый качественный уровень, но и сформировал надежные математические основы генетики. Его очень увлекала статистическая обработка данных метеорологии, например, составление из ежедневных показаний барометра и термометра общей картины климатических данных. Тот же подход Мендель применял и при разведении гороха, от отдельных растений переходя к общим законам наследственности. Кстати, уже больше века из уст в уста передается порочащее ученого мнение о том, что именно в применении этого подхода Мендель сильно увлекся и позволил своей страсти к идеально точным данным ввести себя в заблуждение.

Если подбросить монету тысячу раз, то орел и решка выпадут примерно по пятьсот раз, но у вас вряд ли получится ровно по пятьсот орлов и решек, поскольку результат каждого броска монетки случаен. Подобным образом из-за случайных факторов результаты экспериментов нередко отклоняются от теоретических прогнозов. Следовательно, соотношение 3:1 полученных в результате скрещивания растений с высоким и низким стеблем (и другими признаками, которые исследовал Мендель) является приблизительным. Тем не менее Мендель утверждал, что расщепление признаков в соотношении 3:1 без каких-либо погрешностей наблюдалось на материале нескольких тысяч растений гороха. Современные генетики ставят данное утверждение под сомнение. Одна из новейших статистических программ вычислила, что погрешность вычислений Менделя, известного своей педантичностью в расчетах, которая отражена в журналах учета данных и описаниях метеорологических экспериментов, составляет менее одной десятитысячной.

Многие историки на протяжении десятилетий защищали Менделя, утверждая, что ученый был абсолютно прав либо допустил ошибки в расчетах неосознанно. В то время требования к публикации и верификации данных отличались от современных (один из симпатизирующих Менделю историков даже предположил без всяких на то оснований, что у ученого был чересчур рьяный ассистент, который знал, каких именно результатов ожидает Мендель, и тайком удалял лишние растения, чтобы ученый был доволен экспериментом). Записи хода исследований, сделанные самим Менделем, были сожжены почти сразу после его смерти, поэтому мы не знаем наверняка, фальсифицировал ли ученый данные. Как это ни парадоксально, если Мендель намеренно вносил исправления в полученные данные, это говорит о его удивительной проницательности: выходит, он интуитивно, не опираясь на доказательства, пришел к открытию «золотого» соотношения генетики 3:1. Не следует забывать, что Мендель был монахом и мог сфальсифицировать данные намеренно, чтобы превратить несовершенные данные в более убедительные и показать всем то, что ему было дано понять в результате откровения.

Интересно, что никто из современников Менделя не заподозрил его в мошенничестве – отчасти потому, что никто попросту не относился к этим экспериментам всерьез. В 1865 году на одной из научных конференций Мендель выступил с докладом о механизмах наследственности растений гороха. Современник ученого и очевидец отметил: «Аудитория отнеслась к докладу так, как любая аудитория, сталкивающаяся с большим количеством математических данных и расчетов, которые она не в силах осмыслить, – Менделю не задали ни одного вопроса, и обсуждение затронутых их тем не состоялось». Казалось, после такой реакции научного сообщества можно было не продолжать исследования. Тем не менее в 1866 году Мендель публикует результаты своих опытов. В итоге ни отзывов, ни откликов. Снова тишина.

Мендель продолжал исследования на протяжении нескольких лет, однако в 1868 году шансы на то, что ему удастся когда-нибудь повысить научную репу тацию, резко уменьшились, – его избрали аббатом. Мендель не имел опыта управления, поэтому ему пришлось многому учиться. Ежедневные заботы по управлению монастырем Святого Фомы заняли все время, и для опытов с растениями его совсем не осталось. Кроме того, новая должность предполагала новые привилегии. Жирная пища и сигары (Мендель выкуривал по 20 сигар в день и вскоре набрал лишний вес; его пульс в состоянии покоя достигал 120 ударов в минуту) привели к тому, что он стал меньше двигаться, и работа в саду и теплицах перестала приносить ему былое удовольствие. Один из посетителей монастыря вспоминал, что аббат Мендель пригласил его прогуляться по саду и с радостью обратил внимание на цветущие растения гороха, однако при первом же вопросе о его экспериментах аббат сменил тему, слегка смутившись. Когда его спросили, как ему удалось вырастить одинаковые высокие растения гороха, Мендель осторожно ушел от разговора: «Есть один небольшой секрет, а также одна история, связанная с ним, однако она слишком долгая и отнимет много времени».

Научная карьера Менделя не состоялась во многом потому, что ученый потратил много времени на политические распри и споры, особенно вокруг вопроса отделения церкви от государства (по его научной деятельности этого не скажешь, но Мендель и правда мог проявить огненный темперамент в отличие от холодного и рассудительного Мишера). Мендель был едва ли не единственным аббатом-католиком с либеральными политическими взглядами, однако либералы, находившиеся у власти в Австрии в 1874 году, не оправдали его надежд. Например, ими был отменен закон о том, что монастыри не могут облагаться налогами. Отныне монастырь Святого Фомы должен был ежегодно платить в государственную казну 7300 гульденов (что составляло 10 % предполагаемых доходов монастыря). Мендель, в гневе от того, что его предали те, кого он долгие годы поддерживал, выплатил лишь часть суммы и наотрез отказался отдавать остальное. В ответ правительство наложило арест на имущество ферм, принадлежавших монастырю Святого Фомы. В аббатство даже прибыл шериф, который должен был конфисковать монастырскую мебель. Мендель встретил противника в аббатском облачении у монастырской ограды. Чиновник смутился, опустил глаза и, так и не решившись ступить на территорию аббатства, уехал ни с чем.

Как Мендель ни старался, его усилия по отмене нового закона были тщетны. В какой-то момент он превратился в настоящего жалобщика. Стремясь возместить ущерб и вернуть утраченную прибыль, он только и занимался тем, что писал законодателям длинные письма, в которых многословно затрагивал сложные вопросы клерикального налогообложения. Юрист, современник Менделя, с сожалением отмечал, что ученый «был очень подозрительным и считал, что его окружают только враги, предатели и интриганы». Благодаря так называемому «делу Менделя» аббат, а в прошлом ученый, стал известным, а точнее, печально известным, во всей Вене. Принимая во внимание неблаговидную репутацию, преемник Менделя принял решение сжечь архив после смерти непримиримого аббата, надеясь прекратить бессмысленные споры и спасти репутацию братства. В этом огне были утрачены и бесценные записи о ходе опытов с растениями гороха.

Мендель скончался в 1884 году, когда конфликт между государством и церковью был в самом разгаре. Сиделка нашла его мертвым на диване – у него отказали сердце и почки. Нам известна причина смерти аббата, потому что Мендель боялся быть похороненным заживо и завещал подвергнуть свое тело вскрытию. В каком-то смысле обеспокоенность Менделя тем, что его могут похоронить преждевременно, оказалась пророческой: на протяжении 35 лет после его смерти лишь 11 ученых упомянули его работу о механизмах наследственности, которая в наше время считается классическим трудом генетики. Да и те немногие ученые, которые обращались к публикации Менделя, писали в основном о сельском хозяйстве и воспринимали его опыты как увлекательные инструкции по выращиванию гороха, а не как источник открытия общих закономерностей наследственности. Таким образом, ученые действительно похоронили теории Менделя слишком рано.

Тем временем биологи все глубже проникали в тайны строения клетки, и их новые открытия (если бы они только знали!) подтверждали догадки Менделя. Важнейшими из них стали открытия точных соотношений распределения признаков у потомков, а также цельных фрагментов, с помощью которых хромосомы передают наследственную информацию, – эта идея перекликается с идеей цельных наследственных признаков, выделенных Менделем. Именно поэтому три биолога, которые, штудируя сноски и примечания научных трудов конца XIX века, независимо друг от друга обнаружили публикацию о растениях гороха и поняли, как тесно выводы Менделя связаны с их собственными исследованиями, решили немедленно воскресить научную репутацию покойного монаха.

Менделю приписывается фраза, сказанная будто бы одному из его коллег: «Мое время еще придет». Так и случилось. После 1900 года менделизм стал быстро распространяться в научных кругах, причем его приверженцы обладали таким идеологическим запалом, что учение Менделя составило серьезную конкуренцию теории естественного отбора Чарльза Дарвина в борьбе за звание первостепенной биологической теории. Многие генетики считали дарвинизм и менделизм взаимоисключающими теориями, а некоторые ученые прилагали немалые усилия для того, чтобы имя Дарвина ушло в небытие, безвестность, хорошо знакомую Фридриху Мишеру.

 

Глава 2. Дарвин на краю гибели

Почему генетики решили отказаться от естественного отбора?

Иной раз судьба подыскивает для нобелевских лауреатов самые неожиданные занятия. В конце 1933 года, вскоре после присуждения высшей научной награды Томас Хант Морган получил от своего ученика и многолетнего сотрудника Кэлвина Бриджеса отчаянное письмо с просьбой о помощи: Бриджес в очередной раз запутался в своих амурных делах.

За несколько недель до этого, в поезде, идущем через весь североамериканский континент, любвеобильный ученый познакомился с мошенницей из Гарлема. Женщина скоро сумела убедить его, что она принцесса одного из индийских княжеств и что ее отец, несметно богатый махараджа, только что открыл (вот так совпадение!) на Индостане научно-исследовательский институт, который будет заниматься генетикой дрозофил – именно той областью науки, в которой работали Бриджес с Морганом. Покровитель науки искал ученого на должность директора института, и «принцесса» предложила эту должность своему попутчику. Бриджес с его темпераментом Казановы, пожалуй, в любом случае спутался бы с этой женщиной, но открывшиеся карьерные перспективы лишь придали ей обаяния в его глазах. Влюбленный по уши, он пустился предлагать коллегам работу в Индии и, казалось, не замечал обыкновения «Ее Высочества» делать огромные долги каждый раз, когда они весело проводили время. Собственно, в отсутствие Бриджеса мнимая принцесса выдавала себя за его жену и записывала на его счет все, что можно. Когда вскрылась правда, она попыталась вытянуть из него еще больше денег, угрожая судом «за то, что он перевез ее через границы штатов с аморальными целями». Охваченный паникой и смятением – несмотря на свою «взрослую профессию», Бриджес был довольно инфантилен – он обратился к Моргану.

Морган, конечно, посоветовался со своим вторым ассистентом, Альфредом Стертевантом. Как и Бриджес, Стертевант работал с Морганом не один десяток лет, и на долю этого трио приходилось несколько наиважнейших в истории генетики открытий. Стертевант и Морган в душе осуждали увлечения и выходки Бриджеса, но дружеское расположение к нему было сильнее любых осуждений. Они решили использовать статус Моргана. Они пригрозили женщине выдать ее полиции и не оставляли ее в покое до тех пор, пока липовая принцесса не исчезла, сев на ближайший поезд. Морган укрывал Бриджеса, пока ситуация не утряслась.

Приглашая Бриджеса в ассистенты, Морган никогда бы не подумал, что однажды будет относиться к нему как к хорошему приятелю. Никогда он не смог бы представить себе большую часть того, что произошло в его жизни. Когда-то он трудился, прозябая в безвестности, а после стал едва ли не самым влиятельным ученым-генетиком. Когда-то он работал в тесной каморке на Манхэттене, а спустя годы стал заведовать просторной лабораторией в Калифорнии. Годами он окружал своих «мушиных мальчиков» заботой и нежностью, а после отражал нападки со стороны бывших ассистентов, обвинявших его в краже чужих идей. Когда-то он яростно боролся против засилья амбициозных научных теорий, а через несколько лет не только уступил, но и сам способствовал распространению двух самых амбициозных теорий во всей биологии.

За последнее Морган прежний, скорее всего, презирал бы Моргана нынешнего. Начало деятельности Моргана относится ко времени, крайне интересного для историков науки, – рубежу XIX–XX веков, когда в биологии развернулась настоящая «гражданская война» между генетикой Менделя и учением Дарвина о естественном отборе. Накал страстей был высок, и, по мнению большинства ученых, одну из двух теорий непременно ожидал разгром. В этом противостоянии Морган старался сохранять нейтралитет, поначалу отказавшись принять чью-либо сторону. Обе теории казались ему чересчур умозрительными, а такие построения Морган совершенно не уважал и вообще готов был объявить теорию ненаучной, если не видел своими глазами фактов, подтверждающих ее. Часто бывает, что науку двигают вперед блестящие теоретики, которым удается предельно ясно сформулировать свои идеи. В Моргане воплотился противоположный тип ученого – недоверчивый, упрямый, без склонности к рассуждениям, внимательный только к фактам.

Тем не менее именно благодаря его неопределенной позиции многие последовали за ним, пока адепты Дарвина и Менделя топили друг друга в презрении. Поначалу Морган не доверял ни учению о наследственности, ни теории естественного отбора, но его кропотливые опыты с дрозофилами позволили разглядеть в каждой из двух теорий свою полуправду. Моргану (вместе с группой талантливых сотрудников) удалось в конце концов объединить генетику и эволюционизм и вплести их в величественный гобелен современной биологии.

* * *

Упадок дарвинизма, который еще называют его «затмением» начался в конце XIX века по вполне понятным причинам. Прежде всего, признавая эволюцию, биологи отвергали дарвиновскую трактовку ее механизма. Естественным отбором, выживанием наиболее приспособленных особей невозможно было объяснить те изменения, о которых говорил Дарвин. Считалось, что единственная функция естественного отбора – уничтожать слабейших, и это положение особенно часто подвергалось критике, ведь тогда непонятно, откуда берутся новые или выгодные признаки. По словам современника, естественный отбор объясняет выживание наиболее приспособленных, но не их появление. Дело усложнил еще сам Дарвин, который настаивал, что естественный отбор протекает крайне медленно, закрепляя ничтожно малые различия между особями. Больше никто из ученых не верил, что такие незначительные изменения могут за долгий срок привести к большим отличиям; об эволюции предпочитали думать как о скачкообразном процессе. Даже Томас Гексли, «бульдог Дарвина», припоминал впоследствии, что пробовал убедить Дарвина (к его неудовольствию), будто развитие видов иногда происходит скачкообразно. Дарвин остался непоколебим: он признавал только бесконечно малые шаги.

Уже после смерти Дарвина (ученый скончался в 1882 году) набрали силу и другие аргументы против естественного отбора. Как показали статистики, распределение значений какого-либо признака у особей одного вида обычно образует колоколообразную гауссову кривую: . Так, рост у большинства людей средний, а численность людей, имеющих рост больше и меньше среднего, плавно убывает к обоим концам шкалы. У животных такие признаки, как скорость, сила или сообразительность, тоже распределены по такой кривой, и по выраженности каждого признака многие особи оказываются средними. Ясно, что естественный отбор искоренит медлительных и глупых: их попросту съедят хищники. Но, по мнению большинства биологов того времени, этого недостаточно для эволюции: надо еще, чтобы среднее значение возросло. Средняя особь должна стать быстрее, сильнее или умнее, иначе вид останется по существу прежним. Но ведь после гибели самых медлительных животных остальные, кто уцелел, не научатся бегать быстрее, так что потомство этих уцелевших вновь будет средним, посредственным. Более того, как думали исследователи, при скрещивании редкостно быстрой особи с более медленной у их потомства скорость упадет – опять посредственность! По этой логике, однажды войдя в колею средних признаков, вид уже не способен выбраться из нее ни под каким давлением естественного отбора. Значит, «настоящая» эволюция, такая, как превращение обезьяны в человека, должна двигаться скачками.

Помимо очевидных статистических нестыковок, кое-что еще работало против дарвинизма – эмоции. Современникам внушала отвращение сама концепция естественного отбора, фигура всемогущей и безжалостной смерти, которая сокрушает слабые жизненные формы и щадит сильные. Интеллектуалам, таким как драматург Джордж Бернард Шоу, даже казалось, что Дарвин их предал. Шоу прежде симпатизировал Дарвину за нанесенный им сокрушительный удар по религиозной догме. Но чем больше Шоу узнавал о естественном отборе, тем меньше оставалось симпатий. «Когда вы постигаете до конца его подлинный смысл и значение, – впоследствии жаловался писатель, – ваше сердце уходит в пятки. Теория Дарвина скрывает в себе чудовищный фатализм, гнусное и омерзительное низведение красоты и интеллекта, силы, благородства и страстной целеустремленности до уровня хаотически случайных броских перемен». Природу, управляемую такими законами, Шоу уподобляет «всеобщей свалке возле кормушки со свиным пойлом».

Повторное открытие находок Менделя в 1900 году оживило деятельность антидарвинистов. На горизонте появилась научная альтернатива, которая вскоре оформилась в серьезную конкурирующую доктрину. В работах Менделя на передний план были выдвинуты не голод и убийство, а рост и размножение. Кроме того, опыты Менделя на горохе свидетельствовали о скачкообразной изменчивости: стебли бывают длинными или короткими, горошины желтыми или зелеными – никаких промежуточных вариантов. Уже в 1902 году английский биолог Уильям Бэтсон помог врачам обнаружить первый известный науке человеческий ген, отвечающий за настораживающее, но в целом не опасное заболевание – алкаптонурию, при которой у детей темнеет моча. Вскоре Бэтсон придумал для менделизма новое название – «генетика» и сделался «бульдогом Менделя» в Европе: неустанно пропагандировал его работы и даже, подобно Менделю, пристрастился к шахматам и курению сигар.

Неистовая одержимость Бэтсона заразила и тех, кому дарвинизм казался несовместимым с прогрессивным духом нового века. В 1904 году немецкий исследователь Эберхард Деннерт издевательски писал: «Сегодня мы стоим у смертного одра дарвинизма и готовимся выслать друзьям умирающего немного денег, чтобы хватило на достойные похороны». (Сейчас бы, пожалуй, так могли сказать о креационизме.) Разумеется, среди биологов остались приверженцы дарвиновской идеи постепенной эволюции, и это меньшинство, вопреки Бэтсонам и Деннертам всего мира, яростно отстаивало свои взгляды; один историк обращает внимание на «крайне стервозный» характер полемики с обеих сторон. Но немногие упрямцы были не в силах рассеять сгущающийся мрак «затмения дарвинизма».

Впрочем, в лагере антидарвинистов так и не сложилось единства. К началу 1900-х годов уже были известны многие важнейшие факты о генах и хромосомах – факты, которые и по сей день лежат в основе генетики. Ученые установили, что у всех живых организмов есть гены; что гены могут видоизменяться – мутировать; что хромосомы в клетках сцеплены попарно; что организм наследует одинаковое число хромосом от материнского и отцовского организмов. Но свести эти открытия в единую картину не удавалось: мозаика рассыпалась на множество отдельных мелких деталей. Возникло нагромождение минитеорий: теория хромосом, теория мутаций, теория генов и т. д. В каждой из них акцентировался какой-либо один узкий аспект наследственности, и то, как он был оторван от всех остальных, сегодня кажется просто нелепым. Одни ученые считали (ошибочно), что гены размещаются вне хромосом, другие – что каждая хромосома несет ровно один ген, третьи – что хромосомы вообще не имеют никакого значения для наследственности. Нам-то сейчас легко судить, оглядываясь назад, но все же листая труды биологов начала века, порой так и хочется крикнуть автору, словно игроку телевикторины: «Подумай хорошенько, до правильного ответа остался один шаг!» Увы, каждый кулик хвалил свое болото, открытия конкурентов не брались в расчет, и генетики пререкались друг с другом почти так же ожесточенно, как и с дарвинистами.

Пока в Европе продолжались распри между революционерами и контрреволюционерами от науки, в Америке тихо трудился тот, кому было суждено впоследствии положить конец войне дарвинизма с генетикой. Томас Хант Морган, как уже было сказано, не доверял теоретическим разглагольствованиям обеих сторон, однако он заинтересовался наследственностью после поездки в Голландию в 1900 году. Там Морган посетил ботаника Хуго де Фриза – одного из троих переоткрывателей Менделя. По степени известности в Европе де Фриз в те годы соперничал с Дарвином, отчасти благодаря тому, что предложил альтернативную теорию происхождения видов. Согласно «мутационной теории» де Фриза, в истории вида есть краткие периоды интенсивных мутаций, когда от родительских организмов рождаются так называемые спорты, или единичные вариации, – потомство с резко отличающимися признаками. Свою теорию де Фриз разработал после того, как на заброшенном картофельном поле под Амстердамом ему попались странные экземпляры энотеры. У этих экземпляров были необычно гладкие листья, длинные стебли, крупные желтые цветы с большим, чем обычно, числом лепестков. Что самое важное, эти «спорты» не скрещивались с прежней, обыкновенной энотерой: они как бы перескочили за границы вида и образовали новый вид. Дарвин отрицал скачкообразную эволюцию, полагая, что единичные вариации будут скрещиваться с нормальными особями, так что их выдающиеся признаки постепенно растворятся в массе. Де Фриз отклонил это возражение: в мутационный период, как он считал, появится сразу много «спортов», скрещиваемых только между собой.

Моргана впечатлили результаты наблюдений над энотерой. Его совершенно не беспокоило, что де Фриз не мог объяснить причины и механизм мутаций. Здесь, по крайней мере, были не рассуждения, а факт – появился новый вид. И вот, получив место в Колумбийском университете (Нью-Йорк), Морган стал изучать мутационные периоды у животных. Он начал эксперименты на мышах, морских свинках и голубях, но обнаружил, что все они размножаются слишком медленно, и по совету коллеги стал исследовать плодовых мушек – дрозофил.

Как и многие жители Нью-Йорка того времени, плодовые мушки были иммигрантами: они прибыли в город в 1870-х годах на первых кораблях, груженных бананами. Пока эти экзотические желтые плоды были в новинку, они продавались обернутыми в фольгу по десять центов штука, а нью-йоркские портовые склады тщательно охранялись, чтобы народ не растащил фрукты. Но к 1907 году и бананы, и мушки прижились в городе, так что ассистенты Моргана без труда могли наловить для исследований хоть целую стаю дрозофил: достаточно было разрезать банан на кусочки и разложить их гнить на подоконнике.

Дрозофилы отлично подошли для исследований Моргана. Они быстро размножались (каждые двенадцать дней – по одному поколению), были нетребовательны к пище и тесным манхэттенским помещениям. В лаборатории Моргана, так называемой мушиной комнате номер 613 в Шермерхорн-Холле, одном из корпусов Колумбийского университета, на тридцати пяти квадратных метрах стояло восемь столов. Но тысяча неприхотливых мушек могла спокойно ужиться в литровой бутылке из-под молока, так что на лабораторных полках скоро выстроились ряды бутылок, которые, по легенде, ассистенты Моргана «заимствовали» из студенческой столовой и соседних дворов.

Морган расположился в лаборатории за центральным столом. В ящиках стола сновали тараканы, лакомясь подгнившими фруктами; вся комната шуршала и жужжала на разные лады, а Морган терпеливо рассматривал под лупой бутылку за бутылкой в поисках де-фризовских мутантов. Когда в бутылке не оказывалось интересных образцов, Морган, бывало, давил мушек пальцем, иногда прямо на страницах лабораторных журналов. К несчастью для санитарного состояния комнаты, это происходило постоянно: дрозофилы плодились, а «спорты» все не появлялись.

Лаборатория Т. Х. Моргана в Колумбийском университете – тесная, заставленная бутылками «мушиная комната». Внутри каждой бутылки роятся сотни мушек, выведенных на гнилых бананах. Снимок предоставлен Американским философским обществом

Тем временем удача улыбнулась Моргану в другой сфере. В осеннем семестре 1909 года, единственный раз за время работы в Колумбийском университете, он читал лекции студентам младших курсов (вместо коллеги, взявшего творческий отпуск). Тогда-то, по замечанию современника, Морган и совершил свое «величайшее открытие», найдя себе двух блестящих сотрудников среди студентов. Первый из них, Альфред Стертевант, узнал о лекциях от старшего брата, который преподавал в том же университете латынь и греческий. К удивлению Моргана, второкурсник Стертевант самостоятельно написал работу о наследовании масти у лошадей. (Моргану, уроженцу штата Кентукки, это было очень близко: как и вся его родня, он знал толк в лошадях. К слову, во время гражданской войны его дядя организовал знаменитый рейд кавалеристов Юга, известный в истории как рейд Моргана.) С тех пор Стертевант был на особом счету у Моргана и, наконец, заполучил желанное место в лаборатории. Стертевант был начитан, любил разгадывать сложные английские кроссворды – словом, производил впечатление человека культурного (правда, однажды в ящиках его рабочего стола среди творческого лабораторного беспорядка обнаружилась мертвая мышь). Молодому ученому мешал в работе лишь один физический изъян – дальтонизм. В юности на семейной ферме в Алабаме Стертеванта оттого и приставили к лошадям, что при сборе урожая от него не было проку: он не мог рассмотреть красные ягоды земляники на зеленых кустах.

Другой студент, Кэлвин Бриджес, являл собой полную противоположность подслеповатому и чопорному Стертеванту. Бриджес был сиротой, и поначалу Морган просто из жалости взял его лаборантом. Но, промывая бутылки, молодой человек прислушивался к разговорам коллег и скоро научился невооруженным глазом замечать сквозь грязное стекло интересные экземпляры мушек. Тогда Морган перевел его на исследовательскую должность, и до конца своей жизни Бриджес, по сути, не менял работодателя. Это был чувственный красавец с пышной шевелюрой, практиковавший «свободную любовь» еще до появления этого термина. Впоследствии, в двадцатые годы, он ушел от жены и детей, сделал вазэктомию и стал варить самогон в своей холостяцкой берлоге на Манхэттене. Он продолжал волочиться за женщинами, приставая к каждой юбке, включая жен своих коллег. Многие дамы пали жертвами его наивного обаяния, однако даже после того, как «мушиная комната» стала легендой, ни один другой университет не взял бы его на должность выше ассистента, дабы не запятнать свою репутацию.

Молодой повеса Кэлвин Бриджес (слева) и одна из немногих дошедших до нас фотографий Т. Х. Моргана (справа). Морган настолько не любил фотографироваться, что однажды ассистенту, который захотел сделать снимок шефа, пришлось спрятать фотоаппарат в стол и спустить затвор дистанционно, дернув за шнурок. Снимки предоставлены Национальной медицинской библиотекой США

Должно быть, приобретение таких сотрудников, как Бриджес и Стертевант, ободрило Моргана, так как его эксперименты к тому времени зашли в тупик. Не находя среди дрозофил естественных мутантов, он стал подвергать мушек воздействию низких и высоких температур, впрыскивать в их гениталии (которые не так-то легко найти) кислоты, щелочи, соли и другие потенциальные мутагены. Результатов по-прежнему не было. В январе 1910 года почти отчаявшийся Морган наконец обнаружил мушку со странным пятном в форме трезубца на груди – не бог весть что, но уже что-то. В марте появились еще два мутанта: один с шершавыми «родинками» у оснований крыльев, похожими на волосатые подмышки, другой с желтым телом (в норме оно должно быть серым). В мае того же года был замечен особенно впечатляющий экземпляр: мушка с белыми (а не красными, как обычно) глазами.

В надежде на прорыв – наверняка начался мутационный период! – Морган тщательно изолировал белоглазую особь. Он откупорил бутылку, приставил к ее горлышку кверху ногами другую, пустую бутылку и посветил через нее фонариком, чтобы выманить мушку наверх. Естественно, вместе с белоглазой в верхнюю бутылку устремились сотни других мушек, так что Моргану пришлось быстро закупорить посуду, снова взять пустую бутылку и раз за разом повторять всю процедуру, понемногу уменьшая число насекомых. На его счастье, при этих манипуляциях мушка с белыми глазами не вырвалась наружу, и ее (вернее, его – это был самец) удалось отсадить от остальных. Морган скрестил белоглазого мутанта с красноглазыми самками, а затем разными способами стал скрещивать между собой их потомство. Результаты были неоднозначными, но один из них особенно взволновал Моргана: после скрещивания некоторых красноглазых потомков соотношение между красноглазыми и белоглазыми мушками в следующем поколении было 3:1.

За год до этого, в 1909 году, Морган присутствовал на лекции датского ботаника Вильгельма Йохансена в Колумбийском университете, посвященной менделевским отношениям. Йохансен воспользовался случаем для популяризации придуманного им недавно слова – ген (ученый так назвал предполагаемую единицу наследственности). Йохансен и другие открыто признавали ген удобным вымыслом, лингвистической заменой для, скажем, «чего-то». Но при этом они настаивали на том, что отсутствие биохимических сведений о генах не должно обесценивать практическую значимость концепции генов для дела изучения наследственности (подобно тому, как современные психологи могут изучать эйфорию или депрессию, не понимая досконально устройство мозга). Морган нашел лекцию слишком отвлеченной, однако результаты его экспериментов – 3:1 – быстро свели на нет его предвзятость по отношению к Менделю.

Это событие кардинально изменило взгляды Моргана – и это было только начало. Соотношение между красноглазыми и белоглазыми мушками убедило его, что теория генов – не чепуха. Однако где на самом деле располагаются гены? Возможно, в хромосомах, однако плодовые мушки имели сотни наследственных признаков и всего четыре хромосомы. Если исходить из того, что на одну хромосому приходится один признак, как считали многие ученые, хромосом не хватает. Морган не хотел быть втянутым в споры о так называемой теории хромосом, однако следующее открытие не оставило ему выбора. При внимательном рассмотрении своих белоглазых мух он обнаружил, что все без исключения мутанты были самцами. Ученые уже знали, что пол мух определяется одной хромосомой (как и млекопитающие, мухи женского пола имеют две X-хромосомы, а самцы – одну). Теперь с этой хромосомой связывался еще и ген белых глаз – так, что она отвечала уже за два признака. Вскоре у мух мужского пола проявились дополнительные признаки – короткие крылья, желтые тельца, – также свойственные исключительно самцам. Этот факт неопровержимо доказывал следующее: в одной хромосоме находилось множество генов. То, что Морган доказал это практически против своей собственной воли, значения не имело; так или иначе, он начал продвигать теорию хромосом.

Подобное ниспровержение старых представлений вошло у Моргана в привычку – черта, которая одновременно восхищала и приводила в бешенство. Поощряя теоретические рассуждения в «мушиной комнате», Морган вместе с тем считал новые теории дешевыми, поверхностными и никчемными – пока они не будут подвергнуты тщательной экспериментальной проверке в лаборатории. Казалось, ему не приходило в голову, что теории необходимы ученым как ориентиры, с помощью которых они могут оставлять нужное и отбрасывать лишнее, формулировать полученные результаты и избегать путаницы в рассуждениях. Даже студенты, например Бриджес, Стертевант и особенно раздражающе гениальный и гениально раздражающий Герман Мёллер, который присоединился к работе в «мушиной комнате» позднее, все больше озлоблялись на Моргана из-за бесчисленных ссор по поводу генов и наследственности. Не меньше раздражало и то, что когда кто-то загонял Моргана в угол и убеждал его в его неправоте, Морган отбрасывал свои старые идеи и невозмутимо принимал новые, как нечто само собой разумеющееся.

Морган не придавал большого значения подобному квазиплагиату. Все работали во имя одной цели (ведь так, парни?), и, в конце концов, значение имели лишь эксперименты. К чести Моргана надо сказать, что такие резкие изменения во мнении доказывают, что он прислушивался к своим ассистентам – в отличие от большинства европейских ученых, которые относились к своим помощникам снисходительно. По этой причине Бриджес и Стертевант всегда открыто заявляли о своей преданности Моргану. Однако сторонние наблюдатели иногда замечали детскую ревность между ассистентами, а также признаки тихо тлеющей скрытой ненависти друг к другу. Морган не собирался вмешиваться в происходящее – так мало значили для него идеи.

Тем не менее ненавистные идеи подстерегали Моргана на каждом шагу. Поскольку, едва появившись на свет, его теория генов-хромосом чуть было не потерпела крах, спасти ее могла только радикальная идея. Вспомним, что Морган установил наличие в одной хромосоме множества генов. Кроме того, из работ других ученых ему было известно, что родители передают своим детям целые хромосомы. Следовательно, все генетические признаки каждой хромосомы должны наследоваться вместе – они всегда должны быть сцеплены. Возьмем гипотетический пример: если набор генов одной хромосомы требует, чтобы щетинки были зелеными, крылья – остроконечными, а усики – толстыми, то муха с одним признаком должна проявить все три. Такие группы признаков существуют у мух, однако, к своему разочарованию, команда Моргана обнаружила, что некоторые сцепленные признаки иногда проявляются не вместе: зеленые щетинки и остроконечные крылья, которые должны всегда появляться вместе, почему-то проявлялись по отдельности у разных мух. Случаи разрыва связи не были обычным делом – сцепленные признаки могли проявляться в 2–4 % случаев – однако они происходили с таким постоянством, что могли разрушить всю теорию, если бы Морган не позволил себе редкий полет фантазии.

Он вспомнил одну статью бельгийского священника-биолога, который использовал микроскоп для изучения процесса формирования яйцеклеток и сперматозоидов. Одним из ключевых фактов биологии (мы будем постоянно к нему обращаться) является то, что хромосомы составляют пары почти идентичных близнецов. (Человеческая клетка содержит сорок шесть хромосом, объединенных в двадцать три пары.) При формировании яйцеклеток и сперматозоидов эти практически идентичные хромосомы выстраиваются в центре родительской клетки. В ходе деления одна «хромосома-близнец» отталкивается в одну сторону, а другая – в другую, и рождаются две отдельные клетки.

Однако священник-биолог заметил, что, перед тем как разделиться, хромосомы-близнецы иногда взаимодействуют между собой, обвивая друг друга кончиками. Почему так происходит, он не знал. Морган предположил, что в процессе такого взаимодействия кончики отрываются и меняются местами. Это объясняло, почему сцепленные признаки иногда разделяются: хромосома разрывается где-то между двумя генами и разделяет их. Морган продолжал рассуждать в правильном направлении и пришел к мысли о том, что признаки, разделяющиеся в 4 % случаев, вероятно, располагаются в хромосоме дальше друг от друга, чем те признаки, которые разделяются в 2 % случаев, поскольку дополнительное расстояние между первой парой увеличивает вероятность разрыва на этом участке.

Догадка Моргана оказалась верной, и с помощью идей Стертеванта и Бриджеса в течение последующих нескольких лет в «мушиной комнате» была в общих чертах описана новая модель наследственности – та самая, благодаря которой команда Моргана вошла в историю науки. Согласно этой модели, все признаки контролируются генами, которые располагаются в определенных местах хромосом, следуя друг за другом, подобно жемчужинам в ожерелье. Поскольку живые существа наследуют одну копию каждой хромосомы от каждого родителя, хромосомы передают наследственные признаки от родителя к ребенку. При кроссинговере (и мутации) хромосомы немного изменяются, благодаря чему каждая живая особь является уникальной. Тем не менее хромосомы (и гены) большей частью остаются в неизменном состоянии, что объясняет наличие общих признаков у членов одной семьи. Вот он – первый важнейший шаг к пониманию того, как работает наследственность.

По правде говоря, в лаборатории Моргана была разработана лишь малая часть этой теории, которую, как мозаику, по кусочкам сложили биологи из разных стран. Однако именно команда Моргана окончательно объединила эти разрозненные идеи, а мушки-дрозофилы обеспечили их неопровержимое экспериментальное подтверждение. По крайней мере, вряд ли кто-либо посмел бы отрицать сцепление признаков с полом, когда на полке у Моргана жужжало десять тысяч мутантов, среди которых не было ни единой самки.

Понятное дело, что, получив признание за объединение этих теорий, Морган не сделал ничего, чтобы примирить их с дарвиновской теорией естественного отбора. Несмотря на то, что сама работа, проводимая в «мушиной комнате», подталкивала ученого к этому шагу, Морган в который раз «позаимствовал» идею у ассистентов – в том числе у того, кто не отнесся к этому так же покорно, как Бриджес и Стертевант.

Герман Мёллер начал время от времени интересоваться «мушиной комнатой» с 1910 года. На его попечении была престарелая мать, поэтому жизнь его была суетливой: он работал курьером в гостиницах и банках, по ночам обучал иммигрантов английскому языку, наспех перекусывая бутербродами, пока добирался на метро с одной работы на другую. Каким-то образом Мёллер все же нашел время, чтобы подружиться с писателем Теодором Драйзером в Гринвич-Виллидж, увлечься социализмом и регулярно ездить за двести миль в Корнелльский университет ради степени магистра. Однако, как бы ни был он изнурен, свой единственный свободный день – четверг – Мёллер отводил на то, чтобы заглянуть к Моргану и «мушиным мальчикам» и обменяться мнениями о генетике. Благодаря незаурядному интеллекту, Мёллер вскоре стал одним из самых активных участников этих научных посиделок. В 1912 году Мёллер окончил Корнелльский университет, и Морган выделил ему рабочее место в «мушиной комнате». Проблема заключалась в том, что Морган отказался платить Мёллеру, так что рабочий режим молодого энтузиаста остался прежним. Вскоре у него случился нервный срыв.

С тех пор (и на протяжении последующих десятилетий) Мёллер негодовал по поводу своего положения в «мушиной комнате». Его раздражало то, что Морган открыто благоволил буржуа Стертеванту и перекладывал черную работу – например, подготовку бананов – на плечи «пролетария» Бриджеса. Его раздражало то, что и Бриджес, и Стертевант получали плату за проведение экспериментов на основе его, Мёллера, идей, в то время как ему приходилось бегать по всему Нью-Йорку, чтобы заработать мелочь. Он негодовал по поводу того, что Морган рассматривал «мушиную комнату» как клуб для избранных и иногда заставлял друзей Мёллера работать в коридоре. Но больше всего Мёллера возмущало то, что Морган не обращал внимания на его заслуги. Отчасти виной тому была медлительность Мёллера в том, что Морган ценил превыше всего – в проведении хитроумных экспериментов, которые он (Мёллер) сам и придумал. В действительности Мёллер едва ли мог найти худшего наставника, чем Морган. При всех своих симпатиях к социализму Мёллер ценил интеллектуальную собственность и чувствовал, что в «мушиной комнате», с ее свободным и коммунальным укладом, его талант эксплуатировался и оставался без внимания. И уж точно Мёллер не мог претендовать на роль мистера Конгениальность. Он бестактно и нудно критиковал Моргана, Бриджеса и Стертеванта и воспринимал как личное оскорбление все, кроме чистой логики. Больше всего Мёллера задело небрежное принижение Морганом роли естественного отбора в процессе эволюции, которую сам Мёллер считал основой биологии.

Несмотря на личные конфликты, инициатором которых был он сам, Мёллер незаметно вел «мушиную» группу вперед, к большим достижениям. После 1911 года Морган едва ли внес какой-либо вклад в формирующуюся теорию наследования, в то время как Мёллер, Бриджес и Стертевант продолжали совершать фундаментальные открытия. К сожалению, сегодня трудно разобраться, кто что открыл, и не только из-за постоянного обмена идеями. Морган и Мёллер часто набрасывали мысли на разрозненных клочках бумаги, при этом Морган каждые пять лет очищал свой шкаф от документов – вероятно, по причине малых размеров лаборатории. Мёллер хранил все документы, однако много лет спустя еще один коллега, с которым Мёллер враждовал, выбросил его записи, пока Мёллер работал за рубежом. Кроме того, Морган (как и собратья Менделя по монастырю) уничтожил архив Бриджеса, когда адепт свободной любви скончался от сердечного приступа 1938 году. Выяснилось, что Бриджес был бабником, и когда Морган нашел подробные записи о его похождениях, он счел благоразумным сжечь все бумаги и сохранить репутацию генетики, как и многих обманутых мужей-генетиков, незапятнанной.

Как бы то ни было, историки располагают достоверными данными о некоторых открытиях. Так, все «мушиные мальчики» участвовали в выявлении группы признаков, наследуемых вместе. Более того, они обнаружили у мух четыре отдельные группы признаков, что в точности соответствовало числу пар хромосом. Этот факт явился мощным толчком для развития теории хромосом, поскольку доказывал, что каждая хромосома содержит множество генов.

Опираясь на эти данные, Стертевант вывел понятие сцепления генов и хромосом. Согласно догадке Моргана, гены, которые разделяются в 2 % случаев, должны располагаться ближе друг к другу в хромосомах, чем гены, которые разделяются в 4 % случаев. Однажды вечером, размышляя над этим предположением, Стертевант понял, что проценты можно перевести в реальные расстояния. Так, гены, которые разделяются в 2 % случаев, должны располагаться в два раза ближе друг к другу, чем другие пары; эта же логика работала и для сцеплений с другими процентами. Забросив университетские задания и засев на всю ночь за работу, этот девятнадцатилетний юноша набросал к утру первую схематическую карту хромосомы. Когда Мёллер увидел карту, он «буквально подскочил от волнения», после чего указал, как ее можно усовершенствовать.

Бриджес обнаружил явление «нерасхождения» – редкие случаи, когда хромосомы не полностью расходятся после кроссинговера и сплетения плеч (в результате чего возникает избыток генетического материала, что может привести к таким проблемам, как синдром Дауна). Помимо научных открытий, Бриджес, мастер на все руки, провел индустриализацию «мушиной комнаты». Взамен кропотливого отделения мух путем переворачивания одной за другой бутылок вверх дном, Бриджес изобрел пульверизатор, с помощью которого мух можно было оглушать, оросив их крошечными дозами эфира. Он также заменил лупы бинокулярными микроскопами и ввел в обиход белые фарфоровые тарелки и остроконечные кисти, чтобы было проще рассматривать мух и проводить с ними различные манипуляции. Кроме того, он заменил гниющие бананы на питательную смесь из патоки и кукурузной муки и соорудил шкафы с регулируемой атмосферой, так что мушки, плохо переносящие падение температуры, могли размножаться зимой и летом. Он даже построил «мушиный морг», чтобы послужившие науке мушки уходили в небытие достойно. Не все нововведения ассистента были приняты Морганом – так, он продолжал прихлопывать мух везде, где бы они ни приземлились, несмотря на наличие морга. Однако Бриджес знал, что мутанты появляются крайне редко, и когда это произойдет, его биологическая фабрика позволит каждому из них благоденствовать и производить миллионы потомков.

Мёллер был постоянным поставщиком озарений и идей, рассеивая противоречия и подпирая шаткие теории непоколебимой логикой. И хотя ему приходилось до хрипоты спорить с Морганом, в конце концов, ему удалось заставить старшего ученого увидеть, что гены, мутации и естественный отбор работают в тесном сотрудничестве. Вот что Мёллер (среди прочих) говорил об этом: гены наделяют существ признаками, а мутации генов изменяют признаки, создавая существ, различающихся по цвету, высоте, скорости и т. д. Однако в противовес де Фризу, который считал мутации значительными событиями, в результате которых появляются «спорты» и «внезапные виды», большинство мутаций изменяют существ совсем незначительно. Кроме того, естественный отбор позволяет наиболее приспосабливаемым из этих существ выжить и чаще производить потомство. Тут в игру вступает кроссинговер. Происходит перетасовка генов между хромосомами, в результате чего новые варианты генов собираются воедино, поставляя на нужды естественного отбора еще более разнообразный рабочий материал. (Кроссинговер имеет такое большое значение, что некоторые современные ученые считают, что сперматозоиды и яйцеклетки «отказываются» формироваться до тех пор, пока кроссинговер хромосом не произойдет минимальное количество раз.)

Мёллер также помог расширить представления ученых о потенциале генов. Более того, он утверждал, что на признаках, подобных тем, что изучались Менделем (двойные признаки, контролируемые одним геном), история не заканчивается. Многие важные признаки контролируются несколькими генами и даже десятками генов. Таким образом, эти признаки проявятся в разной степени, в зависимости от того, какие именно гены унаследует та или иная особь. Некоторые гены также могут «усилить» или «ослабить» другие; подобные крещендо и диминуэндо, в свою очередь, производят еще более тонкие градации. Наконец, самым важным является то, что благодаря дискретности и стабильности генов выгодные мутации не будут разбавляться между поколениями. Такой ген остается в целости и сохранности, а значит, более совершенные родители могут скрещиваться с менее совершенными видами и при этом передавать этот ген дальше.

Мёллер считал, что дарвинизм и менделизм прекрасно дополняли и усиливали друг друга. И когда он, наконец, убедил в этом Моргана, Морган стал дарвинистом. Легко смеяться над этим очередным обращением Моргана «в новую веру» – кроме того, в более поздних работах Морган продолжает ставить генетику выше естественного отбора. Тем не менее одобрение Моргана имело значение в более широком смысле. В то время в биологии господствовали высокопарные теории (включая теорию Дарвина), и благодаря Моргану наука сохраняла под собой твердую почву, ведь этот авторитетный ученый оставался сторонником веских доказательств. Биологи знали: если какая-то теория сумела убедить даже Томаса Ханта Моргана, значит, она чего-нибудь, да стоит. Более того, даже Мёллер признавал огромное влияние Моргана на развитие науки. «Мы не должны забывать, – однажды заметил он, – о роли руководящей личности Моргана, который заразил всех остальных своим собственным примером, своей неутомимой деятельностью, своей рассудительностью, веселостью и бодростью духа». В конце концов, своим дружелюбием Морган сделал то, что было неподвластно блестящей иронии Мёллера: убедил генетиков критически отнестись к собственным предубеждениям против Дарвина и серьезно обдумать обоснованность предложенного синтеза теорий Дарвина и Менделя – естественного отбора и генетики.

Многие ученые действительно увлеклись работой команды Моргана в 1920-х годах, поставляя непритязательных плодовых мушек в лаборатории по всему миру. Очень скоро дрозофила стала «стандартным животным» в генетике, позволяя ученым в любой точке земного шара сравнивать открытия в равных условиях. Руководствуясь такими стандартами работы, в 1930-х и 1940-х годах новое поколение биологов с математическим мышлением приступило к исследованиям распространения мутаций в естественных популяциях вне лаборатории. В ходе этих исследований выяснилось, что если ген дает некоторым существам хотя бы небольшое преимущество для выживания, оно может (при условии достаточно длительного сохранения) подтолкнуть вид к развитию в новых направлениях. Более того, большинство изменений будет проходить крошечными шажками – в точности, как утверждал Дарвин. Если работа «мушиных мальчиков», в конце концов, показала, как примирить Менделя с Дарвином, то биологи более позднего времени представили обоснования не менее веские, чем евклидово доказательство. Дарвин как-то посетовал, что математика ему «отвратительна» и что любая задача, на шаг отходящая от простейших вычислений, для него непосильна. В действительности именно математика стала опорой для теории Дарвина и повторно спасла ее репутацию. Таким образом, так называемое затмение дарвинизма, пришедшееся на начало 1900-х годов, ознаменовало собой период мрака и путаницы в науке, однако он в скором времени завершился.

Помимо научных открытий, распространение дрозофил по всему миру имело еще одно важное последствие, во многом благодаря «веселости» Моргана. Дело в то, что в генетике названия большинства генов представляют собой уродливые сокращения, за которыми стоят чудовищно нелепые слова, значение которых может понять человек шесть во всем мире. Так при обсуждении, скажем, гена ALOX12B зачастую нет смысла расшифровывать его название (арахидонат 12-липоксигеназа, тип 12R), поскольку, как нам кажется, это не столько проясняет смысл, сколько сбивает с толку (чтобы не напрягать читателей, отныне я буду указывать лишь сокращенные названия генов и делать вид, что за ними ничего не стоит). В отличие от устрашающе сложных названий генов, названия хромосом отличаются поразительной банальностью. Планеты были названы в честь богов, химические элементы – в честь мифов, героев и великих городов. Хромосомы получили названия, по оригинальности сопоставимые с размерами обуви. Хромосома один – самая длинная, хромосома два – вторая по длине (зевок) и так далее. На самом деле 21-я человеческая хромосома короче, чем 22-я, но к тому времени, как ученые обнаружили это, 21-я хромосома успела прославиться, поскольку лишняя 21-я хромосома является причиной синдрома Дауна. И в самом деле, с такими скучными названиями не стоило и бороться, пытаясь что-то изменить.

Ученые, изучавшие дрозофил (да благословит их Господь!), были людьми исключительными. Команда Моргана выбирала для мутантных генов достаточно иллюстративные названия: например, «пятнистый», «бисерный», «недоразвитый», «белый» и «аномальный». Традиция эта жива до сих пор, и названия большинства генов дрозофилы лишены и намека на научную сложность. Гены плодовой мушки носят такие названия, как «граучо», «смурф», «страх близости», «затерянный в космосе», «потеря обоняния», «бледная колбаса», «триббл» (расплодившиеся пушистые существа шаровидной формы из научно-фантастического сериала «Звездный путь»), «туфф» (в честь миссис Туфф, персонажа из сказки Беатрикс Поттер). При мутации гена «броненосец» плодовые мушки рождаются с панцирным наружным скелетом. Ген «болван» делает дрозофил глупыми. «Тюдор» делает самцов бесплодными (как это было с детьми Генриха VIII). «Клеопатра» может убить мушку при взаимодействии с другим геном, «змеей». «Дешевое свидание» делает мушек особенно восприимчивыми к алкоголю. Половая жизнь дрозофил, кажется, особенно вдохновляет на создание изощренных названий. У мутантов «Кена и Барби» нет наружных половых органов. При наличии у самца мутантного гена coitus interruptus (с лат. «прерванный половой акт») соитие длится всего десять минут (норма составляет двадцать минут), в то время как мутантный ген «стопор» не позволяет мушкам физически расцепиться после полового акта. Что до самок, мушки, имеющие мутантный ген «неудовлетворенность», вообще не вступают в половые контакты – всю свою энергию они тратят на то, чтобы отпугивать ухажеров хлопаньем крыльев.

К счастью, эта причуда с названиями генов дрозофил является источником вдохновения для ученых, работающих в других областях генетики. Ген, наделяющий млекопитающих лишними сосками, получил название «скараманга», по имени злодея из фильма о Джеймсе Бонде, имевшего такой же изъян. Ген, который удаляет эритроциты из кровообращения у рыб, назвали «влад цепеш» в честь Влада Цепеша, исторического прототипа Дракулы. Бэкроним для гена мышей «эритроидный миелоидный онтогенетический фактор ПОК» – «покемон» – чуть было не спровоцировал судебный иск против его авторов: данный ген (в настоящее время известный – увы! – как ZBTB7) способствует развитию рака, а адвокаты медиаимперии «Покемон» вовсе не хотели, чтобы их милых маленьких карманных монстров ассоциировали с опухолями. Однако пальму первенства за самое причудливое название, на наш взгляд, следует присудить гену мучного хрущака – «медее» – названному в честь героини древнегреческих мифов, совершившей детоубийство. «Медея» отвечает за белок с любопытным свойством: это и яд, и противоядие одновременно. Так, если у матери есть этот ген, но он не передается эмбриону, ее тело убивает плод – и она ничего не может с этим поделать. Если у плода есть этот ген, он / она вырабатывает противоядие и остается жить. («Медея» – «эгоистичный генетический элемент», ген, который, прежде всего, требует собственного распространения, даже если наносит ущерб особи-носителю.) Если опустить весь этот ужас, следует отметить, что это название как никакое другое подходит научной традиции Колумбийского университета, где исследовались дрозофилы. И вполне логично, что наиболее важная клиническая работа над «медеей», которая привела к изобретению весьма эффективных инсектицидов, началась после того, как ученые внедрили этот ген в организм дрозофилы для дальнейшего изучения.

Однако задолго до появления этих милых названий, и даже до того, как плодовые мушки колонизировали генетические лаборатории по всему миру, первоначальная «мушиная» группа ученых из Колумбийского университета распалась. Морган перебрался в Калифорнийский технологический институт в 1928 году, прихватив с собой Бриджеса и Стертеванта и обосновавшись в солнечной Пасадене. Пять лет спустя Морган стал первым генетиком, получившим Нобелевскую премию, – как заметил один историк, «за утверждение тех самых принципов, которые он изначально собирался опровергнуть». У Нобелевского комитета есть правило, согласно которому премию в одной отрасли в один год могут получить не более трех человек, однако комитет присудил ее одному Моргану, а не разделил ее – как это следовало бы сделать – между ним, Бриджесом, Стертевантом и Мёллером. Некоторые историки утверждают, что Стертевант проделал достаточно важную работу, чтобы получить отдельную Нобелевскую премию, однако его преданность Моргану и готовность отказаться от авторства идей уменьшили его шансы. Возможно, Морган был с этим согласен, поскольку он все же поделился вознаграждением с Бриджесом и Стертевантом, учредив для их детей фонды на высшее образование. Мёллер не получил ничего.

Мёллер к тому времени покинул Колумбийский университет и перебрался в Техас. В 1915 году он начал преподавать в Университете Райса (где кафедрой биологии заведовал Джулиан Гексли, внук «бульдога Дарвина»), а впоследствии обосновался в Техасском университете. И хотя теплые рекомендации Моргана помогли ему получить работу в Университете Райса, Мёллер активно подогревал соперничество между его группой из «штата одинокой звезды» и группой Моргана из «имперского штата», и каждый раз, как техасская группа делала значительный шаг вперед, ее участники трубили о «полном успехе» и сияли от радости. В ходе одного из таких прорывов биолог Теофилус Пейнтер открыл первые хромосомы (в слюнных железах дрозофил), размер которых позволял исследовать их визуально, что давало ученым возможность изучить физическую основу генов. Но как бы ни была важна работа Пейнтера, «джекпот» достался именно Мёллеру. В 1927 году он открыл, что при воздействии на мушек рентгеновским излучением частота мутаций увеличивается в 150 раз. Это означало не только возможные последствия для здоровья, но и то, что ученым больше не нужно было ждать появления мутаций. Теперь они могли производить их в промышленных масштабах. Это открытие принесло, наконец, Мёллеру научное признание, которое он (и ему это было известно) давно заслуживал.

Однако, что вполне предсказуемо, Мёллер начал вступать с Пейнтером и другими коллегами в перебранки, которые вскоре переросли в открытые ссоры. В итоге Техас перестал ему нравиться, а он перестал нравиться Техасу. Местные газеты призывали изгнать его как политического провокатора, а Бюро расследований (предтеча ФБР) установило за ним наблюдение. Без видимых причин развалился его брак, и в один из вечеров в 1932 году жена Мёллера сообщила о его исчезновении. Позже группой коллег он был обнаружен в лесу – измазанный в грязи, растрепанный, промокший после ночи, проведенной под дождем, с помутненным от барбитуратов сознанием, которые он проглотил, чтобы убить себя.

Опустошенный, униженный, Мёллер уехал из Техаса в Европу. Здесь он совершил своего рода тур в духе Форреста Гампа по тоталитарным государствам. Он изучал генетику в Германии, пока нацисты не разгромили его институт. Он бежал в Советский Союз, где выступал перед самим Иосифом Сталиным с докладом о евгенике, которая, по мнению некоторых ученых, позволяла вывести сверхчеловека с помощью науки. Сталин не проникся этой идеей, и Мёллер поспешил уехать. Дабы не прослыть «реакционером-дезертиром», симпатизирующим буржуазии, Мёллер принял участие в гражданской войне в Испании на стороне коммунистов, работая на одном из донорских пунктов. Коммунисты проиграли, и грянул фашизм.

Испытав очередное разочарование, Мёллер отправился обратно в Соединенные Штаты, на этот раз в Индиану. Шел 1940-й год. Его интерес к евгенике возрос; позже он помог основать «Репозиторий для выбора зародышей» – «банк спермы гениев» в Калифорнии. Кульминацией его карьеры стало получение собственной, ни с кем не разделенной Нобелевской премии в 1946 году за открытие способности рентгеновского излучения вызывать генетические мутации. Несомненно, Нобелевский комитет хотел компенсировать несправедливость, допущенную по отношению к Мёллеру в 1933 году. Но помимо этого, премия досталась ему в связи с атомными бомбардировками Хиросимы и Нагасаки, которые в 1945 году обрушили на Японию потоки радиационного излучения, что сделало его работы до ужаса актуальными. Если исследования «мушиных мальчиков» в Колумбии доказали существование генов, то теперь ученые должны были выяснить, как гены работают и как в их работе (слишком часто, в губительном свете бомбы) происходят сбои.

 

Глава 3. ДНК и превратности судьбы

Как природа читает ДНК и как она при этом ошибается?

День 6 августа 1945 года вполне неплохо начинался для одного японца, который без преувеличения стал самым невезучим человеком XX века. Цутому Ямагучи вышел из автобуса около штаб-квартиры фирмы «Мицубиси» в городе Хиросима, но вдруг вспомнил, что забыл свой инкан – так японские чиновники называли особую печать, которую макали в красные чернила и проштамповывали ею документы. Ямагучи приуныл из-за такой рассеянности – ничего не оставалось делать, кроме как возвращаться за инканом в дешевую гостиницу, где он остановился. Однако тот день казался ему очень удачным, испортить его было сложно. Ямагучи как раз закончил проектировать для компании «Мицубиси» танкер водоизмещением в пять тысяч тонн, и теперь компания должна была, наконец-то, отпустить его домой, на юго-запад Японии, где Цутому жил вместе с женой и новорожденным сыном. Война нарушила весь ритм его жизни, но уже 7 августа все должно было наладиться.

Стоило Ямагучи разуться на пороге гостиницы, как он сразу же столкнулся с ее пожилыми хозяевами, которые, казалось, поджидали его и тут же пригласили на чай. Ямагучи не мог отказать этим одиноким старикам, и неожиданные посиделки еще немного его задержали. Но вот Ямагучи сходил за инканом, обул ся, поспешил на улицу, поймал такси, вышел неподалеку от работы и пошел по кромке картофельного поля. Именно тогда он и услышал над головой гул вражеского бомбардировщика. Ямагучи едва успел заметить пятнышко, отделившееся от самолета. На часах было 8:15.

Многие уцелевшие вспоминают, что бомба рванула как-то не сразу. Грохот обычной бомбы раздается практически одновременно со вспышкой взрыва. А эта бомба мерцала и разбухала постепенно, раскаляясь все сильнее. Ямагучи понял, что окажется почти в эпицентре взрыва, поэтому не мешкал. К тому времени все уже привыкли к воздушным тревогам, поэтому Ямагучи ринулся на землю, зажмурился и заткнул уши пальцами. Ослепительная вспышка длилась какое-то мгновение, потом раздался страшный гул, а за ним последовала ударная волна. В следующий момент Ямагучи ощутил где-то под собой сильнейший порыв ветра, пробравший его до печенок. Мужчину подбросило высоко вверх, он пролетел какие-то метры по воздуху и без чувств упал на землю.

Очнувшись, Ямагучи не понимал, сколько времени прошло – может быть, считаные секунды, а может быть, час. В городе стоял сумрак. Грибовидное облако подняло с земли тонны пепла и грязи, рядом догорали высушенные листочки картофеля. Кожа Цутому также словно пылала. После выпитого горячего чая он закатал рукава рубашки, а теперь увидел, что предплечья страшно обгорели – по виду увечья напоминали сильнейшие солнечные ожоги. Он поднялся и, пошатываясь, побрел через картофельное поле, через каждые несколько шагов останавливаясь передохнуть, спотыкаясь о другие жертвы – обгоревшие, истекающие кровью, разорванные взрывом. Движимый странным чувством долга, он добрался до офиса «Мицубиси». На месте бывшего здания он нашел дымящиеся развалины, по которым кое-где трепетали последние огоньки, а также обнаружил множество погибших коллег – ему, опоздавшему, так повезло. Ямагучи шел дальше, время медленно текло час за часом. Ямагучи пил воду из покореженных труб, а на станции скорой помощи смог попробовать печенье, после чего его сразу же стошнило. Ближайшую ночь Ямагучи скоротал под перевернутой лодкой на берегу моря. Левая рука Цутому почернела, так как в момент взрыва оказалась без всякой защиты подставлена под белую вспышку.

Все это время под опаленной кожей Ямагучи его ДНК страдала от гораздо более тяжелых увечий. Атомная бомба, сброшенная на Хиросиму, окатила город потоками разнообразного излучения, в том числе высокоэнергетическими рентгеновскими и гамма-лучами. Гамма-лучи, как и другие разновидности радиоактивного излучения, цепляют ДНК и наносят ей точечный ущерб. Гамма-лучи простреливают ДНК и окружающие ее молекулы воды, выбивая из атомов электроны, как зубы при апперкоте. Из-за внезапной потери электронов атомы превращаются в свободные радикалы – химически активные осколки, которые бурно образуют химические связи. Начинается цепная реакция, расплетающая ДНК, а иногда даже рвущая хромосомы на куски.

К середине 1940-х годов ученые начали постепенно понимать, почему дробление или разрушение ДНК вызывает такие катастрофические повреждения в живой клетке. Сначала группе ученых из Нью-Йорка удалось убедительно доказать, что гены являются участками ДНК. Это открытие опровергло всеобщее убеждение в белковой природе наследственности. Но, как показало второе исследование, между ДНК и белками все-таки существует особая связь: ДНК отвечает за сборку белков, причем каждый из генов в ДНК содержит рецепт ровно одного белка. Иными словами, гены постоянно заняты сборкой белков, и именно таким образом они кодируют биологические признаки любого организма.

В сумме два этих открытия объясняли, в чем заключается вред радиации. При разрушении ДНК повреждаются гены; когда гены выходят из строя, нарушается синтез белков, а при дефиците белков гибнут клетки. Ученые пришли к такому выводу не сразу; важнейшая научная статья, в которой описано соотношение «один ген – один белок» была опубликована всего за несколько дней до бомбардировки Хиросимы. Однако к тому времени уже было известно достаточно, чтобы содрогнуться об одной мысли о ядерном оружии. Когда в 1946 году Герман Мёллер получил заслуженную Нобелевскую премию, в интервью газете «Нью-Йорк Таймс» он предрек, что «если бы выжившие после атомной бомбардировки могли увидеть, что станет с их потомками через тысячу лет, то они позавидовали бы мертвым».

Несмотря на весь пессимизм Мёллера, Ямагучи во что бы то ни стало хотел выжить – ради семьи. Он испытывал смешанные чувства относительно войны. Сначала был против нее, затем какое-то время поддерживал, впоследствии вновь склонялся к антивоенным настроениям, когда Япония начала проигрывать. Ямагучи опасался, что на его родной остров высадится неприятель – и что тогда станет с женой и сыном? В таком случае Ямагучи даже был готов дать им смертельную дозу снотворного, чтобы спасти от мучений. Спустя несколько часов после бомбардировки Хиросимы, он очень затосковал по родным. Поэтому, узнав, что из города один за другим уходят поезда, он собрал последние силы и решил побыстрее отправиться домой.

Город Хиросима расположен на множестве островов, и, чтобы попасть на вокзал, Цутому пришлось переправиться через реку. Все мосты обрушились или сгорели, поэтому Ямагучи, сжав волю в кулак, попытался перебраться на другой берег по жуткому месиву мертвых тел, устилавших всю реку. Он буквально полз, отпихивая с пути обгоревшие части тел. Но неожиданно в слое трупов обнаружилась огромная полынья, вынудившая его повернуть назад. Выше по течению реки Ямагучи добрался до железнодорожной эстакады, в которой устоял один из пролетов около сорока метров в длину. Он залез на эту конструкцию, а дальше по металлическому тросу добрался до берега и спустился на землю. Пробравшись через толпу, бедняга очутился на вокзале, а вскоре – и в вагоне поезда. К счастью, поезд тронулся достаточно скоро, Ямагучи был спасен. Поезд летел по рельсам всю ночь, пока, наконец, не прибыл в родной город Цутому – Нагасаки.

* * *

Физик, оказавшийся в Хиросиме, мог бы констатировать, что гамма-лучи искорежили ДНК Ямагучи за триллионные доли секунды. С точки зрения химика, самые драматичные события закончились бы за миллисекунду, – к этому моменту свободные радикалы уже успели бы изрешетить ДНК. Цитолог мог бы наблюдать за организмом уцелевшего несколько часов, отслеживая, как клетки пытаются залатать изорванную двойную спираль. Врач диагностировал бы у пострадавшего лучевую болезнь – головные боли, рвоту, внутренние кровотечения, отслоение кожи, малокровие – все эти симптомы проявляются в течение недели. Наибольшее терпение пришлось бы проявить генетику. Генетический ущерб, нанесенный жертвам атомных бомбардировок, проявляется спустя годы и даже десятилетия. По мрачному стечению обстоятельств, именно за эти десятилетия ученые смогли составить полную картину работы генетических механизмов, а также возникающих при этом сбоев. Можно сказать, что они наблюдали растянутый во времени непрерывный репортаж о разрушении ДНК.

Сегодня, изучая в ретроспективе эксперименты над ДНК и белками, проводившиеся в 1940-е годы, мы находим их очень убедительными. Однако в те годы лишь некоторые ученые смогли распознать, что именно ДНК является носителем генетической информации. Более веские доказательства на этот счет были получены в 1952 году вирусологами Альфредом Херши и Мартой Чейз. Они знали, что вирус инфицирует клетку, подменяя ее генетический материал своим. А поскольку вирусы, которые они изучали, состояли только из ДНК и белков, гены должны были находиться либо в ДНК, либо в белках. Альфред и Марта решили пометить вирусы радиоактивными изотопами серы и фосфора, а затем выпустить их в клеточную культуру. Соответственно, если бы генетическая информация передавалась через белок, то в инфицированных клетках обнаружилась бы радиоактивная сера. Но когда Херши и Чейз отделили зараженные клетки, они нашли там только радиоактивный фосфор. Это означало, что вирус внедряет в клетку именно свою ДНК.

Результаты своего исследования ученые опубликовали в 1952 году, окончив статью предостережением: «Описанные эксперименты не предполагают каких-либо иных выводов химического характера». Точно. Все ученые, которые к тому моменту еще занимались проблемой белковой наследственности, забросили свои прежние исследования и сосредоточились на изучении ДНК. Развернулась настоящая гонка – кому же первому удастся понять структуру ДНК? В апреле 1953 года, спустя всего год после выхода статьи Херши и Чейз, весь мир узнал о двух нескладных парнях, научных сотрудниках Кембриджского университета – Фрэнсисе Крике и Джеймсе Уотсоне (кстати, Уотсон ранее учился у Германа Мёллера). Крик и Уотсон впервые предложили термин «двойная спираль», который впоследствии стал легендарным.

Двойная спираль, описанная Уотсоном и Криком, состоит из двух длинных нитей, сплетающихся в единую правовращающую косичку. Поднимите правую руку и направьте большой палец в потолок. Теперь остальные пальцы у вас на правой руке согнуты в направлении против часовой стрелки; можно сказать, что спираль ДНК завивается вокруг них снизу вверх. Каждая нить состоит из двух главных цепей, которые удерживаются вместе парными нуклеотидными основаниями, входящими друг в друга плотно, как кусочки пазла. Угловатый аденин (А) сочетается с тимином (Т), изогнутый цитозин (Ц) – с гуанином (Г). Гениальная догадка Уотсона и Крика заключалась в том, что в силу такой взаимной дополнительности (комплементарности) парных оснований А – Т, Ц – Г одна нить ДНК может служить шаблоном для копирования другой. То есть, если одна сторона двойной спирали содержит нуклеотиды Ц – Ц – Г – А – Г – Т, то вторая должна иметь вид – Г – Г – Ц – Т – Ц – А. Система настолько проста, что всего за одну секунду можно скопировать сотни оснований ДНК.

Все это замечательно, но в то же время двойная спираль не выдала никакой информации о том, как именно гены ДНК формируют белки, – а ведь именно это важнее всего. Чтобы понять этот процесс, ученым пришлось тщательно исследовать «химического родственника» ДНК – молекулу РНК. Эта молекула похожа на ДНК, но в ней закручена лишь одна нить, и вместо тимина (T) находится урацил (У). Биохимики обратились к РНК, поскольку концентрация этой кислоты резко возрастает, когда клетки начинают вырабатывать белки. Но когда они принялись за поиски РНК внутри клеток, оказалось, что эта кислота неуловима, подобно исчезающему виду птиц; удавалось обнаружить лишь крохи, которые тут же пропадали. Понадобились годы усердных экспериментов, чтобы точно установить, что происходит, – как именно клетки преобразуют последовательность оснований ДНК в инструкции для РНК, при помощи которых затем создаются белки.

Сначала клетки осуществляют «транскрипцию» ДНК в РНК. Этот процесс похож на копирование самой ДНК тем, что одна из ее нитей служит шаблоном. Так, последовательность Ц – Ц – Г– А – Г – Т оснований ДНК превратилась бы в молекуле РНК в последовательность Г – Г – Ц – У – Ц – А (основание У встает вместо Т). После сборки такая цепочка РНК выходит за пределы ядра и направляется к особым образованиям, которые занимаются производством белков, – рибосомам. Поскольку молекула РНК передает сообщение от одной стороны к другой, ее называют информационной или матричной РНК (мРНК).

Построение белка (трансляция) начинается в рибосомах. По прибытии мРНК рибосома захватывает ее недалеко от окончания и выявляет всего лишь три звена цепочки (трипле т). В нашем примере был бы обнаружен триплет ГГЦ. После этого к работе приступает второй тип РНК – транспортная РНК (тРНК). Каждая молекула тРНК содержит две основные части: аминокислоту, прикрепленную к ней (груз, который предстоит передать), и триплет РНК, который выступает, подобно мачте корабля. Различные молекулы тРНК могут попытаться прикрепиться к выявленному триплету РНК, но это пройдет успешно лишь тогда, когда основания окажутся комплементарными. Таким образом, к триплету ГГЦ может присоединиться лишь тРНК с фрагментом ЦЦГ. И только после успешного соединения рибосома принимает груз – аминокислоту.

В этот момент молекула тРНК уходит, молекула мРНК сдвигается на три позиции и все начинается заново. Выявляется другой триплет, к которому стыкуется молекула тРНК с другой аминокислотой. Так занимает свое место вторая аминокислота. В конце концов, после множества шагов создается цепочка аминокислот – белок. А поскольку каждому триплету РНК соответствует одна и только одна аминокислота, информация должна в точности быть передана от ДНК к РНК, а затем белку. Этот процесс происходит в каждом живом существе. Введите одну и ту же молекулу ДНК в морскую свинку, лягушку, тюльпан, слизевик, дрожжи, американского конгрессмена – и вы получите одинаковые цепочки аминокислот. Поэтому не удивительно, что в 1958 году Фрэнсис Крик возвел процесс «ДНК → РНК → белок» в ранг центральной догмы молекулярной биологии.

И тем не менее догма Крика не объясняет всех нюансов в создании белка. С одной стороны, можно заметить, что из четырех оснований ДНК можно составить 64 различных триплета (4 × 4 × 4 = 64). В то же время эти триплеты кодируют всего лишь двадцать аминокислот, которые содержат наши тела. Почему?

В 1954 году физик Георгий Гамов основал «научный» клуб галстуков РНК (RNA Tie Club). В частности, для того чтобы получить ответ на поставленный выше вопрос. Физик, который по совместительству занимается биологией, может выглядеть странно (Гамов тогда занимался радиоактивностью и теорией Большого взрыва), однако в этот клуб вступили и другие «инородные» ученые, вроде Ричарда Фейнмана. Но не только ДНК бросала интеллектуальный вызов. Многие физики были потрясены своей причастностью к созданию ядерных бомб. Казалось, что физика разрушает жизнь, а биология занимается ее восстановлением. Список участников клуба состоял из 24 человек, физиков и биологов, по одному на каждую аминокислоту, плюс четыре почетных члена по числу оснований ДНК. Уотсон и Крик были в числе членов клуба (Уотсон выступал в официальной роли Оптимиста, а Крик – в роли Пессимиста). Каждый участник щеголял зеленым галстуком (стоимостью 4 доллара), на котором золотым шелком была вышита спираль ДНК. Галстуки были выполнены на заказ одним из галантерейщиков Лос-Анджелеса. На канцелярских принадлежностях клуба был нанесен девиз: «Сделай или умри. Или даже не пытайся».

Участники клуба галстуков РНК щеголяют зелеными галстуками, на которых золотым шелком вышита спираль ДНК. Слева направо: Фрэнсис Крик, Александр Рич, Лесли И. Оргел, Джеймс Уотсон. Фото любезно предоставил Александр Рич

Несмотря на совместную интеллектуальную мощь, история клуба завершилась в некоторой степени глупо. Физиков зачастую притягивают проблемы повышенной сложности, и вот некоторые участники клуба с «физическим» складом ума (включая Крика, со степенью доктора философии) ринулись работать с ДНК и РНК, не осознав, насколько простым был процесс «ДНК → РНК → белок». Они сосредоточились главным образом на том, как ДНК хранит инструкции, и почему-то решили сначала, что ДНК должна скрывать свои инструкции в виде сложного кода – биологической криптограммы. Ничто так не увлекает компанию мальчишек, как закодированные сообщения. И тогда Гамов, Крик и другие участники принялись подобно компании десятилетних ребят с пачкой чипсов в руках за взлом этого шифра. Вскоре они уселись за рабочие столы и начали исписывать расчетами страницу за страницей. Воображение было удачно раскрепощено при помощи экспериментов. Они выдумали решения: достаточно мудреные, чтобы заставить Уилла Шортца улыбнуться – «ромбовидные коды», «треугольные коды», «коды в виде запятой», а также множество других, уже забытых. Эти коды пришлись бы по вкусу Управлению национальной безопасности: обратимые коды, коды со встроенными механизмами защиты от ошибок, коды, увеличивающие плотность хранения за счет перекрывающихся триплетов. Парням из Управления очень нравятся коды, которые используют анаграммы (то есть ЦАГ = АЦГ = ГЦА и др.). Такой подход выглядел обоснованным, поскольку после изъятия всех повторяющихся комбинаций число уникальных триплетов в точности равнялось двадцати. Другими словами, ученые, казалось бы, нашли связь между числами 20 и 64 – причину, по которой природа просто обязана использовать 20 аминокислот.

По правде говоря, во всем этом было слишком много нумерологии. Неоспоримые биохимические факты вскоре умерили пыл взломщиков кода, показав, что не существует убедительной причины для того, чтобы молекула ДНК кодировала именно 20 аминокислот, а не 19 или 21. Не нашлось также веских оснований (как надеялись некоторые) для того, чтобы каждому триплету соответствовала бы определенная аминокислота. Система в целом оказалась случайной, внедренной в клетки миллиарды лет назад, и теперь настолько укоренилась, что ее невозможно изменить – своего рода порядок расположения букв на клавиатуре компьютера. Более того, в РНК не используется никаких забавных анаграмм или алгоритмов коррекции ошибок, а уж тем более нет стремления к увеличению свободного пространства. В действительности наш код сводится к расточительному излишеству: два, четыре и даже шесть триплетов РНК могут представлять одну и ту же аминокислоту. Некоторые биокриптографы чуть позже испытали досадное чувство, когда сравнили природные коды с лучшими из кодов клуба галстуков РНК. Эволюционный процесс не показался таким уж мудрым.

Однако вскоре досада растворилась. Разгадка кода ДНК/ РНК наконец позволила ученым объединить две разделенные области генетики, которые рассматривали ген как информацию и ген как химическое вещество. Мишер и Мендель впервые оказались крепко объединены. А то, что код ДНК построен так небрежно, в некоторых случаях оказывается только выигрышным. Выдуманные коды обладают приятными свойствами, но чем причудливее становится код, тем больше вероятность того, что он даст сбой. И какими бы небрежными ни были наши коды, они прекрасно справляются с одной задачей: поддержание жизни и минимизация повреждений, вызванных мутациями. Именно на эту замечательную способность и пришлось положиться Цутому Ямагучи, а также многим другим, в августе 1945 года.

* * *

Ранним утром 8 августа Ямагучи в обморочном состоянии приехал в Нагасаки и побрел домой. Его семья решила, что он погиб, и ему пришлось убеждать свою жену в том, что он не призрак, показав ей свои ступни (согласно японским верованиям у призраков нет ступней). Этот день он провел в покое, то приходя в сознание, то вновь теряя его. Но при этом он твердо решил на следующий день отправиться в штаб-квартиру фирмы «Мицубиси», которая находилась в Нагасаки.

Он прибыл туда незадолго до 11 часов утра. С перевязанными руками и лицом он изо всех сил старался рассказать своим коллегами о масштабе атомной войны. Однако его начальник не позволил запугать себя, скептически назвав весь рассказ враньем. «Ты ведь инженер, – рявкнул он. – Выполни расчеты. Как может одна бомба разрушить целый город?» Замечательные последние слова. Как только наш нострадамус умолк, комната стала наполняться белым светом. Жар стал терзать кожу Ямагучи, а сам он рухнул на пол офиса.

«Я подумал, – вспоминал он позже, – что это грибовидное облако пришло за мной из Хиросимы».

80 тысяч человек погибли в Хиросиме и еще 70 тысяч – в Нагасаки. Среди нескольких сотен тысяч уцелевших жертв всего лишь около 150 человек (что подтверждается свидетельствами) были в обоих городах в эти дни, а совсем небольшая их часть оказалась в пределах зоны взрыва – внутри круга диаметром около двух с половиной километров с мощным радиоактивным излучением. Некоторые хибакуся (nijyuu hibakusha), дважды облученные, но уцелевшие, могут поведать такое, от чего даже камни зарыдают. (Одному из таких уцелевших удалось пробраться внутрь своего разрушенного дома в Хиросиме, собрать обугленные кости своей жены и поместить их в умывальную раковину, чтобы затем доставить родителям жены, жившим в Нагасаки. Супруг с умывальной раковиной под мышкой с трудом добрался до улицы, на которой жили родители жены, как вдруг вновь утренний воздух притих, а небо растворилось в ослепительной белизне…) Однако среди всех двойных жертв японское правительство официально признает только одного хибакуся – Цутому Ямагучи.

Вскоре после взрыва в Нагасаки Ямагучи оставил своего обомлевшего начальника и коллег, а затем забрался на один из наблюдательных пунктов, расположенный на холме неподалеку. Под гнетущей завесой грязных облаков он увидел воронку на месте родного города и своего дома. Начался черный радиоактивный дождь, и Ямагучи изо всех сил поспешил спуститься с холма, опасаясь худшего. Но его жена Хисако и сын Кацутоси были в бомбоубежище и остались целы.

Когда радость от встречи с ними утихла, Ямагучи стал чувствовать себя еще хуже, чем раньше. Всю следующую неделю он фактически пролежал в убежище, страдая, как Иов. Его волосы выпали. Нарывы лопнули. Его постоянно тошнило. Лицо опухло, а одно ухо перестало слышать. Обожженная кожа спадала хлопьями, а под ней, подобно китовому мясу, алела плоть и причиняла боль. Как и Ямагучи, в эти месяцы страдали многие, и генетики стали опасаться этой затянувшейся агонии, поскольку постепенно стали проявляться признаки мутаций.

Ученые уже полвека знали о мутациях, но только исследования процесса «ДНК → РНК → белок», проводимые группой клуба галстуков РНК и другими, в точности установили, как устроены эти мутации. В большинстве мутаций встречаются «опечатки» – случайные замены оснований ДНК при ее репликации: например, триплет ЦАГ может превратиться в ЦЦГ. «Тихие» мутации не причиняют вреда, поскольку код ДНК является избыточным. Триплеты, следующие перед мутированным и после него, вызовут одну и ту же аминокислоту, и поэтому общий эффект можно сравнить с вариантами написания слова, вроде «карате» вместо «каратэ». Но если триплеты ЦАГ и ЦЦГ приведут к разным аминокислотам («бессмысленная» мутация), то такая ошибка может нарушить структуру белка и искалечить его.

Гораздо хуже «безумные» мутации. При создании белков клетки будут продолжать трансляцию РНК в аминокислоты до тех пор, пока не встретится один из трех «завершающих» триплетов (например, УГА), который останавливает процесс. «Безумная» мутация случайно превращает нормальный триплет в один из таких стоп-сигналов, который обрывает белок раньше времени и, как правило, выводит его из строя. Мутации могут также отменить стоп-сигнал, и тогда белок будет расти все дальше и дальше. Мутация, которая подобна черной мамбе, – мутация сдвига рамки считывания – не содержит «опечаток». Вместо этого исчезает какое-либо основание или происходит внедрение лишнего. А поскольку клетки считывают РНК последовательными группами по три основания, такая вставка или удаление искажают не только данный триплет, но и все последующие, вызывая многоступенчатую катастрофу.

Обычно клетки моментально исправляют простые «опечатки», но если что-либо пойдет не так (и ведь обязательно пойдет), дефект может навсегда зафиксироваться в ДНК. Каждый живущий ныне человек на деле родился с десятками мутаций, которых избежали его родители. Некоторые из этих мутаций могли бы привести к летальному исходу, если бы у каждого из нас не было двух копий каждого гена, по одному от каждого родителя. Если один из генов работает неправильно, его может подменить второй. Тем не менее все живые организмы с возрастом продолжают накапливать мутации. Небольшие существа, которые обладают высокой температурой тела, особо подвержены риску: на молекулярном уровне тепло является интенсивным движением, а чем сильнее это движение, тем более вероятна возможность ошибки в извивах ДНК при ее копировании. Млекопитающие являются достаточно крупными созданиями и, к счастью, поддерживают постоянную температуру тела, но и они становятся жертвами других мутаций. Когда в цепочке ДНК оказываются рядом два основания Т, ультрафиолетовое излучение может соединить их под неправильным углом, в результате чего образуется петля в ДНК. Такие дефекты могут полностью убить клетку или вывести ее из нормального режима. По сути, все животные (и растения) обладают специальными ферментами, которые расправляют петли T-оснований, но млекопитающие в процессе эволюции лишились таких веществ – именно поэтому млекопитающие подвержены солнечным ожогам.

Помимо самопроизвольных мутаций ДНК может быть повреждена также и внешними факторами, которые называются мутагенами. Некоторые мутагены причиняют больший урон, чем радиоактивность. Опять же, радиоактивные гамма-лучи приводят к образованию свободных радикалов, которые расщепляют фосфатно-сахарную основу ДНК. Теперь ученые знают, что если разорвется лишь одна из нитей двойной спирали, клетки способны с легкостью исправить повреждение, зачастую в течение часа. У клеток есть молекулярные «ножницы», с их помощью вырезается искалеченный участок ДНК, после чего в ход идут ферменты, которые прочесывает неповрежденную нить и добавляют в каждой точке комплементарные основания А, Ц, Г или Т. Процесс восстановления быстр, прост и точен.

Двойная спираль разрывается реже, но последствия этого более страшные. Двойные разрывы напоминают наспех ампутированные конечности: с обеих концов разорванной ДНК выступают остатки одиночной спирали. В клетках есть две практически одинаковые копии каждой хромосомы. Если в одной из них произойдет разрыв двойной спирали, клетки способны сравнить испорченные участки с другой хромосомой (будем надеяться, неповрежденной) и выполнить исправление. Но процесс этот трудоемкий, и если клетки обнаруживают, что вокруг есть повреждения, для которых необходимо быстрое восстановление, то зачастую происходит просто сцепление выступающих обрывков спирали по нескольким выровненным основаниям (даже если остальные не выровнены), а отсутствующие основания спешно заполняются. Неверно определенные основания могут вызвать ужасающую мутацию сдвига рамки считывания – и таких неверных «угадываний» предостаточно. Клетки, которые восстанавливают разрывы двойной спирали, совершают неверные действия приблизительно в 3000 раз чаще, чем при обычном копировании ДНК.

Хуже того, радиоактивность способна уничтожать фрагменты ДНК. Высокоорганизованным существам приходится сворачивать многочисленные витки ДНК, образуя маленькие ядра; человеческий рост (чуть менее двух метров) сжался бы до размеров меньше двух тысячных долей сантиметра. Такое интенсивное сдавливание часто приводит к тому, что ДНК становится похожей на запутанный телефонный шнур: спираль пересекает саму себя или многократно изгибается. Если гамма-лучи проникнут в ДНК и разорвут ее рядом с одним из таких пересечений, то появится множество свободных концов, расположенных близко друг к другу. Клетки «не знают», как были выстроены исходные спирали (у них нет памяти), и поэтому, стремясь спешно исправить повреждение, они иногда скрепляют то, что должно быть отдельными спиралями. Так вырезается и фактически уничтожается промежуточный участок ДНК.

Что же происходит в результате таких мутаций? Клетки, которые подавлены большим числом повреждений ДНК, могут почувствовать неладное и уничтожить себя, чтобы не жить с нарушениями функций. В небольших дозах такое самопожертвование щадит тело, но если одновременно умрет слишком много клеток, то могут отключиться целые системы органов. В сочетании с интенсивными ожогами такие отключения органов вызвали многочисленные случаи смертей в Японии, и некоторые из жертв, которые не умерли сразу же, вероятно, желали бы такого исхода. Те, кому удалось выжить, рассказывают о том, что ногти у людей отпадали словно высохшая скорлупа. Они вспоминают «обугленные куклы» ростом с человека, которые были свалены штабелями в проходах между домами. Кто-то вспоминает человека, ползущего на двух культях и держащего обугленного ребенка вниз головой. Кому-то из памяти появляется женщина без сорочки, с пылающими, как «плоды граната», грудями.

Ямагучи во время своих мучений в бомбоубежище – безволосый, обожженный, лихорадочный, наполовину глухой – чуть было не присоединился к этому списку погибших. И только благодаря преданному уходу со стороны семьи ему удалось выкарабкаться. Некоторым ранам все еще требовались повязки, причем на несколько лет. Но в целом его удел Иова превратился в судьбу Самсона: раны большей частью зажили, сила возвратилась, волосы отросли заново. Он снова устроился на работу, сначала в «Мицубиси», а затем в качестве учителя.

Но до полного избавления было еще далеко – теперь Ямагучи оказался лицом к лицу с более коварной и настойчивой угрозой. Если радиоактивность и не убивает клетки моментально, она может вызвать мутации, которые приведут к раку. Эта зависимость может показаться нелогичной, так как мутации обычно повреждают клетки, но клетки опухоли начинают буйно раз растаться, делясь и увеличиваясь в количестве с ужасающей быстротой. В действительности у всех здоровых клеток есть гены, которые играют роль регулятора для двигателя, снижая «обороты» и поддерживая метаболизм в норме. Если мутация выводит регулятор из строя, то клетка может не увидеть веской причины для того, чтобы убить себя, и в итоге (особенно если другие гены, например те, которые регулируют скорость деления клеток, также повреждены) она начинает поглощать ресурсы, а также своих соседей.

Многие из уцелевших жителей Хиросимы и Нагасаки получили такие дозы радиации (причем за один прием), которые в сто раз превосходят радиационный фон, поглощаемый человеком в обычных условиях за год. И чем ближе они были к эпицентру взрыва, тем больше повреждений и мутаций возникло в их ДНК. Как и ожидалось, клетки, которые быстро делятся, быстрее распространяют и повреждения в ДНК, в результате чего в Японии тут же возникла вспышка лейкемии, ракового заболевания белых кроветворных клеток. Эпидемия лейкемии пошла на убыль спустя 10 лет, но тем временем набрали силу другие заболевания: рак желудка, толстой кишки, легких, мочевого пузыря, щитовидной железы, молочных желез.

Если участь взрослых людей была незавидной, то еще не родившиеся и пребывающие в утробе оказались намного более уязвимыми: любая мутация или повреждение многократно повторялись в их клетках. Было много выкидышей, если возраст плода составлял менее четырех недель, а у тех, кто выжил и появился на свет в конце 1945 – начале 1946 года, обнаружилось множество врожденных дефектов, таких как маленькие головы или несформированный мозг. (Самый высокий коэффициент интеллекта IQ среди таких неполноценных детей был равен 68.) Но после всего этого в конце 40-х годов многие из 250 тысяч японцев-хибакуся снова стали заводить детей, передавая им свою облученную ДНК.

Специалисты по радиации мало что могли посоветовать насчет того, чтобы хибакуся имели детей. Несмотря на большое число заболеваний раком печени, груди или крови, раковые ДНК родителей не смогли бы передаться детям, поскольку дети наследуют только те ДНК, которые находятся в сперматозоидах и яйцеклетках. Конечно же, такие молекулы ДНК тоже могли мутировать, возможно, скрытым образом. Но фактически никто не измерял степень урона, приносимого радиацией в масштабах Хиросимы, и поэтому ученым пришлось строить предположения. Физик-нонконформист Эдвард Теллер, «отец» водородной бомбы (а также участник клуба галстуков РНК), высказал предположение о том, что малые дозы радиации могли бы пойти человеку на пользу: кто знает, а вдруг мутации «разглаживают» наши геномы? Но даже среди более осторожных ученых далеко не каждый предвидел сказочные уродства и двухголовых детей. Герман Мёллер опубликовал в газете «Нью-Йорк Таймс» свои пророчества о грядущих бедах Японии, но его идеологическое противостояние Теллеру и другим ученым, вероятно, придало комментарию другой тон. (В 2011 году некий токсиколог, после внимательного прочтения ныне рассекреченной переписки между Мёллером и его коллегой, обвинил их обоих в том, что они лгали правительству об угрозе малых доз радиации для ДНК, а затем подтасовывали данные и строили дальнейшие исследования так, чтобы оправдать себя. Другие историки спорят с такой интерпретацией переписки.) Когда дело дошло до высоких уровней радиоактивности, Мёллер немного отступил и смягчил свои суровые ранние предсказания. Большинство мутаций, рассуждал он, какими бы пагубными они ни были, окажутся рецессивными. А шансы на то, что у обоих родителей есть повреждения в одном и том же гене, довольно невелики. И тогда, по крайней мере у детей, здоровые гены матери «прикроют» любые недостатки, которые есть в генах отца, и наоборот.

Но опять-таки, никто не знал всего с уверенностью, и над каждым будущим ребенком в Хиросиме и Нагасаки в течение десятилетий был подвешен дамоклов меч, усиливавший обычные тревоги тех, кто готовился стать родителями. В удвоенной мере это должно было относиться к Ямагучи и его жене, Хисако. Они оба в начале 50-х годов достаточно восстановили свои силы, для того чтобы завести детей, вне зависимости от долгосрочных прогнозов. Рождение первой дочери, Наоко, поначалу подтверждало мнение Мёллера, поскольку у нее не наблюдалось видимых дефектов или уродств. Затем родилась вторая дочь, Тосико, которая также оказалась здоровой. Но, будучи рожденными в добром здравии, обе дочери Ямагучи оказались болезненными в детстве и во взрослом возрасте. Предполагают, что они унаследовали генетически подорванную иммунную систему от дважды облученного отца и облученной матери.

Если же говорить о Японии в целом, то среди детей хибакуся эпидемия раковых заболеваний и врожденных дефектов, которые долгое время внушали страх, так и не возникла. На поверку ни одно из крупномасштабных исследований не выявило признаков того, что среди таких детей наблюдается большее количество каких-либо заболеваний или даже большее число мутаций. Возможно, Наоко и Тосико унаследовали генетические пороки; проверить это невозможно, но на интуитивном и эмоциональном уровне это выглядит правдоподобно. Однако в подавляющем большинстве случаев генетические дефекты не передались по наследству следующему поколению.

Более того, люди, которые были напрямую подвержены радиоактивному облучению, оказались более живучими, чем ожидали ученые. Сын Ямагучи, Кацутоси, прожил после взрыва в Нагасаки еще более пятидесяти лет и умер от рака в 58-летнем возрасте. Хисако прожила намного дольше, скончавшись в 2008 году в возрасте 88 лет от рака печени и почки. Да, возможно плутониевая бомба в Нагасаки стала причиной обоих заболеваний. Но в таком возрасте заболеть раком вполне вероятно и по другим причинам. Сам же Ямагучи, несмотря на двойное облучение в Хиросиме и Нагасаки в 1945 году, прожил еще 65 лет и скончался от рака желудка в 2010 году в возрасте 93 лет.

Никто с уверенностью не может сказать, почему Ямагучи оказался исключением – почему он столько прожил после двойного облучения, в то время как другие умерли от сравнительно малых доз радиации. Ямагучи никогда не подвергался генетической проверке (по крайней мере, исчерпывающей), но даже если бы она и проводилась, медицине не хватило бы знаний, чтобы дать заключение. Мы можем лишь строить науко образные догадки. Во-первых, очевидно, что его клетки проделали адскую работу по восстановлению разорванных двойных спиралей ДНК и дублированию погибших. Возможно, у него были более продуктивные восстанавливающие белки, которые работали быстрее или эффективнее, или же некие комбинации восстанавливающих генов, которые действовали особенно хорошо при совместной работе. Во-вторых, мы можем также предположить, что, несмотря на наличие некоторых неизбежных мутаций, они не вывели из строя ключевые внутриклеточные структуры. Может быть, мутации коснулись тех участков ДНК, которые не отвечают за кодирование белков. В-третьих, возможно, что в его случае происходили лишь «тихие» мутации, при которых триплет ДНК изменяется, а аминокислота, вследствие избыточности, – нет. (В таком случае его спас тот самый «сляпанный» код, который разочаровал участников клуба галстуков РНК.) И наконец, в-четвертых, Ямагучи, по-видимому, до последних дней своей жизни смог избежать каких-либо серьезных повреждений в своих генетических регуляторах ДНК, которые сдерживают развитие потенциальных опухолей. Его могла уберечь любая из этих причин (или все они, вместе взятые).

А возможно – и это в равной степени правдоподобно, он и не был особенным человеком с точки зрения биологии. Может быть, многие другие смогли бы выжить, подобно ему. И, осмелюсь сказать, некоторая надежда на это существует. Даже самые смертоносные виды оружия, когда-либо изобретенные, которые способны мгновенно убить десятки тысяч людей, которые атакуют и терзают биологическую сущность людей, их ДНК, не уничтожают народ. И они не способны также отравить следующее поколение: тысячи детей – потомки тех, кто уцелел после атомного взрыва, – живут и здравствуют сегодня. После более чем трех миллиардов лет облучения ДНК космическими лучами и солнечной радиацией, а также повреждений разного характера природа выработала свои защитные методы, которые позволяют восстановить и сохранить целостность ДНК. И не только той «догматической» ДНК, сообщения которой транскрибируются в РНК и транслируются в белки, но и всех видов ДНК, включая те, утонченный язык и математические структуры которых ученые только начинают исследовать.

 

Глава 4. Саундтрек ДНК

Информация какого рода содержится в ДНК?

Это, конечно, произошло случайно, тем не менее каламбур из «Алисы в Стране чудес» в последнее время вступил в любопытный резонанс с ДНК. В реальной жизни автор «Алисы» Льюис Кэрролл, он же Чарльз Лютвидж Доджсон, преподавал математику в Оксфордском университете. А одним из самых известных (по крайней мере фанатам) эпизодом из «Алисы» являются стенания Черепахи Квази о «четырех действиях арифметики – скольжении, причитании, умилении и изнеможении». Однако прямо перед этим Черепаха Квази говорит нечто примечательное, утверждая, что в школьные годы не «развивался», а «извивался». Конечно, это просто очередная шуточка, однако слово «извиваться» пробудило интерес со стороны некоторых математически подкованных исследователей ДНК.

Специалистам давным-давно было известно, что ДНК, длинная и активная молекула, может запутываться в самые невероятные клубки. А вот чего ученые не могли понять, так это того, почему эти клубки не засоряют наши клетки. Современные биологи ищут ответ на этот вопрос не в самой известной области математики – теории узлов. Уже много тысяч лет, как моряки и портные оценили практическую пользу узлов, в религиозных традициях – причем у таких далеких друг от друга людей, как кельты и буддисты, – определенные узлы считались священными, но систематическое изучение узлов началось только в конце XIX века, в викторианской Англии Кэрролла (Доджсона). В то время ученый-универсал Уильям Томсон, лорд Кельвин, предположил, что все элементы периодической системы химических элементов (таблицы Менделеева) на самом деле – микроскопические узлы различной формы. Точнее говоря, Кельвин определял эти атомные узлы как закрытые петли (узлы с распутанными концами, что-то вроде шнурков для ботинок – это «клубки»). Также он определил «уникальный» узел – уникальный образец нитей, пересекающихся над и под друг другом. Таким образом, если стянуть эти петли в один узел и распутать все его пересечения, чтобы сделать их похожими на другой узел, они останутся тем же самым узлом. Кельвин предположил, что уникальная форма каждого узла приводит к возникновению различных свойств у каждого химического элемента. Вскоре физики-ядерщики опровергли эту мудреную теорию, но Кельвин вдохновил шотландского физика П. Г. Тэта начертить диаграмму уникальных узлов, и с тех пор теория узлов продолжала развиваться совершенно обособленно.

Черепаха Квази, персонаж Льюиса Кэрролла, плачет, вспоминая, как «извивался» в школе. Эти его жалобы резонируют с современными исследованиями узлов и переплетений ДНК (Джон Тенниел)

Поначалу теория узлов включала в себя в основном игры с «колыбелью для кошки» и подсчет их итогов. Самый тривиальный узел – О («в миру» – круг) специалисты педантично называли «не-узлом». Прочие уникальные узлы классифицировались по числу пересечений, и в итоге к июлю 2003 года ученые могли идентифицировать 6 217 553 258 отдельных узлов, имеющих до 22 различных причудливых переплетений, то есть примерно по одному узлу на каждого жителя Земли. Между тем другие специалисты по теории узлов не ограничились простым перечислением возможных вариантов и разработали пути трансформации одного узла в другой. Для этого, как правило, вырезается участок нити в месте пересечения, перемещается под верхнюю нить, после чего нити снова соединяются отрезанными концами. Иногда это делает узлы более сложными и запутанными, но часто и наоборот, упрощает их. Теорию узлов изучают авторитетные математики, но, несмотря на это, в ней по-прежнему господствует атмосфера игры. Если не считать претендентов на Кубок Америки по парусному спорту, никому и не снилось применение теории узлов на практике – до тех пор, пока в 1976 году не было обнаружено, что ДНК тоже завязывается узлом.

Цепочка ДНК переплетается и завязывается в узлы по нескольким причинам: это и ее длина, и постоянная активность, и, вместе с тем, изолированность от других цепочек. Ученые успешно проводили симуляции ДНК внутри активного клеточного ядра: помещали в коробку длинную тонкую веревку и затем трясли ящик. Концы веревки причудливейшим образом переплетались, за несколько секунд образуя удивительно сложные узлы, имевшие до 11 пересечений (вы легко сможете это себе представить, если когда-нибудь роняли в сумку наушники и через некоторое время пытались достать их оттуда). Подобные клубки в ДНК могут привести к летальному исходу, так как клеточные механизмы, отвечающие за копирование и транскрибирование ДНК, должны делать это спокойно и постепенно; узлы же этот процесс срывают. К сожалению, смертоносные узлы и переплетения могут создаваться и во время самих процессов копирования и транскрибирования ДНК. Копирование ДНК требует разделения спирали на две нити, но разделить две тесно переплетенные нити такой спирали не проще, чем плотно сплетенный волосяной жгут. Более того, когда клетки начинают копировать ДНК, длинные липкие свободно раскачивающиеся нити могут переплестись между собой. Если не произойдет хорошего рывка и нити не выпутаются, это сплетение окажется губительным – произойдет своеобразное самоубийство клетки.

Кроме собственно узлов, ДНК может оказаться и в других топологических переделках. Линии могут сцепиться друг с другом, как соседние звенья цепи. Они могут очень плотно перепутаться, испытав такое усилие, которое мы прилагаем к тряпке, когда выжимаем ее, или же к клейму, прижимаемому к предплечью. Они могут свернуться кольцами туже, чем гремучие змеи. И вот как раз последняя из конфигураций – кольца – возвращает нас к Льюису Кэрроллу и Черепахе Квази. Специалисты по теории узлов определили некоторые кольца как «корчи», а весь процесс образования колец сравнили с извиванием от боли, как если бы нити ДНК переплетались в агонии. Может, Черепаха Квази, как считают некоторые современные исследователи, хитро ссылается на теорию узлов с ее «извивами»?

С одной стороны, Кэрролл работал в престижном университете как раз в то время, когда Кельвин и Тэт начали изучать теорию узлов.

* * *

Теория узлов была не единственной математической проблемой, появлявшейся во время исследований ДНК. Для этого также использовались диаграммы Венна и принцип неопределенности Гейзенберга. Архитектура ДНК обнаруживает следы «золотого сечения» – отношения длины к ширине, которое наблюдается в классических зданиях, таких, как Парфенон. Геометры-энтузиасты скручивали ДНК лентой Мебиуса, конструировали из нее все пять правильных многогранников. Специалистам по клеточной биологии теперь известно, что, даже просто для того, чтобы закрепиться в ядре, длинная волокнистая ДНК должна сложиться и разложиться во фрактальную модель: петли внутри петель внутри петель – при этом практические невозможно определить, какой шкалой – нано-, микро-, миллиметровой – вы сейчас пользуетесь. Наиболее же невероятное достижение покорилось группе японских ученых, которые, присвоив комбинациям А, Ц, Г и Т определенные буквенные и цифровые значения, смогли внедрить закодированную надпись «E = mc2 1905!» в ДНК обычной почвенной бактерии.

ДНК особенно близко связана с весьма оригинальным разделом математики под названием «закон Ципфа», феноменом, который впервые описал не математик, а лингвист. Джордж Кингсли Ципф происходил из солидного немецкого рода (его семья управляла пивоварнями в Германии) и в конце концов добился должности профессора немецкого языка в Гарвардском университете. Несмотря на свою любовь к языку, Ципф не был библиофилом и, в отличие от своих коллег, проживал за Бостоном на семиакровой ферме с виноградником, свинарником и курятником, хотя особо хозяйством и не занимался. В дневное время он в основном отсыпался, так как большинство ночей проводил, штудируя библиотечные книги и изучая статистические закономерности языков.

Один из коллег как-то сказал про Ципфа, что тот «может ощипать прекрасную розу, чтобы сосчитать ее лепестки». С литературой Ципф обходился столь же бесцеремонно. Будучи студентом, он взялся за «Улисса» Джойса, и главное, что он вынес оттуда, – роман состоит из 260 430 слов, 29 899 из которых различны. Так же Ципф препарировал «Беовульфа», Гомера, тексты китайской литературы и творчество римского драматурга Плавта. Подсчитывая слова в каждом из произведений, он открыл закон Ципфа. Он гласит, что наиболее распространенное слово в языке встречается примерно вдвое чаще, чем второе по распространенности, примерно втрое чаще, чем третье, в сто раз чаще, чем сотое по распространенности, и т. д. В английском языке слово «the» составляет примерно 7 % от всех слов, «of» – примерно половину от этого, «a» – треть от этого и т. д., вплоть до экзотических слов типа «бустрофедон». Такое распределение соблюдается во всех языках – от санскрита и этрусского до современных хинди, испанского или русского (эти языки Ципф анализировал по прейскурантам каталогов от компании «Сирс»). Закон Ципфа действует даже по отношению к искусственным языкам.

Уже после смерти Ципфа в 1950 году ученые обнаружили свидетельства того, что его закон соблюдается отнюдь не только в языке. Его также можно проследить: в музыке (подробнее об этом расскажем чуть позже), списках городов по численности населения, распределении доходов, массовом вымирании живых существ, магнитудах землетрясений, соотношении различных цветов в картинах или мультфильмах и т. д. В каждом случае самый большой или самый распространенный из элементов был вдвое больше/распространеннее второго в списке, втрое – третьего и т. п. Внезапная популярность этой теории ожидаемо привела и к обратной реакции, особенно среди лингвистов, которые часто ставят под сомнение само существование этого закона. В то же время многие другие специалисты защищают этот закон, так как он видится корректным – частота слов не кажется случайной – и, опытным путем, описывает языки со сверхъестественной точностью. Даже «язык» ДНК.

Конечно, соблюдение закона Ципфа в случае с ДНК на первый взгляд не кажется очевидным, особенно для носителей западноевропейских языков. В отличие от большинства языков ДНК не имеет очевидных пробелов, помогающих отличать каждое слово. Это скорее напоминает тексты древних рукописей, без каких-либо пробелов, пауз и без единого знака препинания, бесконечные строки букв. Можно предположить, что триплеты, состоящие из А, Ц, Г и Т, которые кодируют аминокислоты, могут выступать в качестве «слов», но их соотношение совсем не похоже на ципфианское. Чтобы найти действие закона Ципфа, ученым пришлось обратить внимание на группы триплетов, и в этих поисках некоторые специалисты обратились к необычным помощникам: китайским поисковым системам. Китайский язык создает сложные слова путем связи соседних символов. Так, если в китайском тексте написано АБВГ, поисковые системы могут выступать своеобразным раздвижным окном, в котором помещаются найденные значимые отрывки: сначала АБ, БВ и ВГ, затем АБВ и БВГ. Использование принципа «раздвижного окна» оказалось неплохой стратегией для поиска значимых отрывков ДНК. Оказалось, что, в каком-то смысле, ДНК выглядит даже более ципфианской, чем язык, в группах, каждая из которых насчитывает до двадцати оснований. В общем, возможно, что наиболее значимой единицей для ДНК может быть не триплет, а четыре триплета, работающих сообща, – додекаэдрный мотив.

Выражение ДНК и ее трансляция в белки также подчиняются закону Ципфа. Как и распространенные слова, некоторые гены в каждой клетке появляются снова и снова, в то время как большинство генов вряд ли примут участие в конверсии. На протяжении веков клетки учились полагаться на эти общие белки все в большей и большей степени, и наиболее распространенные из них появлялись вдвое, втрое, вчетверо раз чаще, чем белки, следующие по популярности. Честно говоря, многие ученые хмыкают, что эти ципфианские фигуры вовсе ничего не значат; но другие специалисты говорят, что уже самое время признать: ДНК не только аналогична языку, но и реально функционирует, как язык.

И не только язык: ДНК обладает теми же ципфианскими свойствами, что и музыка. Возьмем тональность какого-нибудь музыкального отрывка, например до мажор, и убедимся, что определенные ноты там встречаются чаще остальных. Ципф действительно как-то исследовал преобладание тех или иных нот у Моцарта, Шопена, Ирвинга Берлина и Джерома Керна – и (внимание!) нашел ципфианское распределение! Позже исследователи подтвердили справедливость этих выводов и в других музыкальных жанрах, от Россини до Ramones, и обнаружили подобные пропорции не только во встречаемости нот, но и в тембре, и в громкости звука.

Однако если ДНК демонстрирует ципфианские тенденции, можно ли сказать, что цепочки организованы в своего рода партитуру? Музыкантам на практике удалось перевести А-Ц-Г-Т последовательность серотонина – химической составляющей мозга – в небольшие песенки, заменяя четыре символа ДНК нотами: ля (А), до (С), соль (G) и, поскольку буква T никакой ноте не соответствует, ми (Е). Другие музыканты составляли ДНК-мелодии, присваивая ноты звукоряда определенным аминокислотам, которые встречаются чаще остальных: это привело к появлению более сложных и приятных звуков. Второй метод укрепил идею, что ДНК, как во многом и музыка, лишь частично представляет собой строгую последовательность «нот». Она также определяется мотивами и темами, показывает, как часто появляются определенные последовательности и хорошо ли они взаимодействуют. Один биолог даже доказывал, что музыка – это природный посредник в изучении того, как комбинируются частицы генома, с тех пор как люди обзавелись четким слухом, чтобы улавливать, как фразы сообща действуют в музыке.

Нечто еще более интересное произошло, когда двое ученых, вместо того чтобы превращать последовательность ДНК в музыку, решили осуществить обратный процесс и перевели ноты ноктюрна Шопена в ДНК. Итогом опыта стала последовательность, «поразительно похожая» на часть гена РНК-полимеразы. Эта полимераза, белок, не меняющийся на протяжении всей жизни организма, и есть то, с помощью чего из ДНК строится РНК. А это, если посмотреть внимательнее, обозначает, что ноктюрн копирует весь жизненный цикл. Смотрите сами: полимераза использует ДНК для построения РНК. РНК, в свою очередь, строит сложные белки. Эти белки образовывают клетки, а из клеток происходят люди – такие, как Шопен. Композитор выполняет свою работу – создает гармоничную музыку, которая завершает цикл, кодируя ДНК на постройку полимеразы. Так музыковедение обобщает всю онтологию.

Является ли это открытие случайностью? Не совсем. Ученые утверждают, что впервые гены появились в ДНК не случайным образом, по какому-нибудь старому участку хромосомы. Вместо этого они начали дублироваться сразу в виде повторяющихся фраз, десятка-другого оснований ДНК, дублированных снова и снова. Эти участки функционируют как основная музыкальная тема, куда композитор добавляет всякие приятные излишества, побочные мелодии, с помощью которых создает приятно звучащие вариации на основе оригинала. Продолжая оперировать этими понятиями, заметим, что гены с самого начала имеют определенную «мелодию», на основе которой они и построены.

Люди давно хотели связать музыку с какими-то более глубокими, более грандиозными природными процессами. В частности, астрономы – начиная от древнегреческих и заканчивая Кеплером – верили, что небесный путь планет проходит через рай земной и что планеты создали безумно красивую музыку небесных сфер – гимн во славу творения. И оказалось, что универсальная музыка существует на самом деле, только гораздо ближе, чем мы себе представляли, – в нашей ДНК.

* * *

Генетика и лингвистика связаны не только законом Ципфа, но еще глубже. Мендель, до того как стать монахом, пробовал себя в лингвистике, в том числе пытался вывести точный математический закон по поводу того, как немецкие фамильные суффиксы (такие, как «-манн» или «-бауэр») скрещиваются с другими именами и воспроизводят себя в каждом поколении (звучит знакомо, не правда ли?) И, черт возьми, сейчас генетики не могут даже говорить о своей работе безо всех этих терминов, позаимствованных из изучения языков. У ДНК есть синонимы, переводы, пунктуация, префиксы и суффиксы. Мутации с изменением смысла (с заменой аминокислот) и с утратой смысла (с вмешательством стоп-кодонов) – это, как правило, «опечатки», а мутации, связанные со сдвигом рамки считывания (искажающие смысл триплетов) – это старомодные ошибки, связанные с нарушением работы типографии. В генетике даже есть свои грамматика и синтаксис: правила для комбинирования «слов» из аминокислот и сложения белковых «предложений», которые может прочитать клетка.

Более конкретно говоря, генетические грамматика и синтаксис задают правила того, как клетка должна образовывать рабочий белок из цепочки аминокислот. Белки должны быть организованы в компактные формы, перед тем как они начнут работать, и если форма будет неправильной, то к работе они тоже не приступят. Правильная синтаксическая и грамматическая «укладка» – важная часть общения на языке ДНК. Тем не менее общение требует большего, чем правильная грамматика и синтаксис; белковая фраза должна что-то значить для клетки. Как ни странно, такие фразы могут быть синтаксически и грамматически безупречными, но не иметь никакого биологического смысла. Понять, что это значит, поможет обращение к словам лингвиста Ноама Хомского. Он пытался доказать независимость синтаксиса от смысла высказывания в человеческой речи. Его пример звучал как «бесцветные зеленые идеи разъяренно спят». О Хомском можно думать всякое, но это предложение – одна из самых замечательных фраз, когда-либо произнесенных. В нем нет никакого буквального смысла. Однако поскольку оно содержит реальные слова, и его синтаксис с грамматикой также корректны, мы можем проследить его смысл. Это совсем не бессмыслица.

Таким же образом мутации ДНК могут привести к появлению случайных аминокислотных «слов» или «фраз», и клетки автоматически соберутся в новую цепь, совершенно синтаксическим способом, основанным на физике и химии. Однако любые изменения слов могут привести к изменению как формы, так и содержания всего предложения, и от этого результата зависит весь смысл. Иногда новая белковая фраза содержит лишь небольшую помарку, маленькую поэтическую вольность, которую клетка, поработав, может исправить. Иногда же изменения (такие, как фреймшифт-мутации) так искажает предложение, что оно начинает выглядеть как случайный набор символов (например, #$%^&@!), которыми обозначаются бранные слова героев комиксов. Клетка от этого заболевает и умирает. Но нередко случается и так, что клетка читает белковое предложение, захламленное всякой бессмыслицей… однако, как следует вникнув в такую неразбериху, все-таки находит в ней рациональное зерно! Совершенно неожиданно возникает нечто чудесное, вроде кэрролловских «хливких шорьков» или загадочного столового прибора Эдварда Лира. Это одна из редких полезных мутаций, и благодаря таким удачным моментам эволюция и продвигается вперед.

Благодаря четким параллелям между строением ДНК и языка ученые могут анализировать литературные произведения и геномные «тексты», используя одни и те же инструменты. Эти инструменты кажутся особенно перспективными для изучения спорных текстов, чье авторство или биологическое происхождение точно не определено. Литературоведы, как правило, сравнивают текст с отрывком из другого произведения, чье авторство известно, и делают выводы, одинаковы ли их стиль и тон. Иногда применяется другой метод: систематизация и подсчет слов, которые используются в тексте. Оба подхода нельзя назвать совершенными: первый слишком субъективен, а второй – слишком безлик. В случае с ДНК сравнение спорных геномов часто включает соотнесение с несколькими десятками ключевых генов и поиски малейших различий. Но эта технология потерпела неудачу, причем в случаях с самыми разными биологическими видами. Причина провала в том, что различий можно найти чрезвычайно много, и непонятно, какие из них по-настоящему важны. Будучи сосредоточенной исключительно на генах, эта техника игнорирует полосы регуляторной ДНК, из которой гены выпадают.

Чтобы избежать этих проблем, ученые из Калифорнийского университета в Беркли в 2009 году разработали программное обеспечение, с помощью которого «окна» скользят вдоль цепочки символов в поисках сходств и образцов. В качестве эксперимента ученые таким образом проанализировали геномы млекопитающих и тексты нескольких десятков книг, таких как «Питер Пэн», «Книга Мормона» и «Государство» Платона. Было обнаружено, что одно и то же программное обеспечение способно, с одной стороны, классифицировать ДНК различных видов млекопитающих, а с другой – классифицировать книги по жанрам с идеальной точностью. Обратившись к спорным текстам, ученые погрузились в изучение постоянно вызывающего споры вопроса о том, получил ли Шекспир достаточно хорошее образование для того, чтобы написать свои пьесы. И программа показала, что классик действительно написал драму «Два знатных родича» – пьесу, авторство которой постоянно подвергалось сомнению, – но не написал «Перикла», другую пьесу спорного авторства. Затем команда из Беркли изучила геномы вирусов и архебактерий, самых старых и в массе своей чужеродных для нас форм жизни. Этот анализ выявил новые связи между этими организмами и другими микробами, в результате были выдвинуты новые предложения по их классификации. Из-за огромного объема данных анализ геномов мог получиться весьма глубоким: в течение года 320 компьютеров занимались только тем, что сканировали микробы и архебактерии. Однако анализ этих геномов позволил ученым выйти за рамки обычного пошагового сравнения генов и понять полную естественную историю этих биологических видов.

* * *

Расшифровка полной геномной истории, однако, требует более сложных навыков, чем работа с другими текстами. Расшифровка ДНК требует чтения и слева направо, и справа налево – так называемый бустрофедон. В противном случае можно пропустить важные палиндромы и морднилапы: соответственно слова, которые одинаково читаются с обеих сторон или же приобретают другой смысл при прочтении с конца.

Один из самых древних известных палиндромов – высеченный на стене в Помпеях (и других городах) магический квадрат, слова в котором читаются сверху вниз, снизу вверх, справа налево и слева направо:

S-A-T-O-R

A-R-E-P-O

T-E-N-E-T

O-P-E-R-A

R-O-T-A-S

Насчитывая примерно две тысячи лет от роду, данная надпись на порядок младше, чем по-настоящему древние палиндромы в ДНК, которая создала целых два вида палиндромов. Во-первых, это фразы традиционного («А роза упала на лапу Азора») типа: например, Г-А-Т-Т-А-Ц-А-Т-Т-А-Г. Однако поскольку АТ и ЦГ – это парные основания, ДНК образовывает и другие, менее явные палиндромы, которые спереди читаются по одной нити, а сзади – по другой. Сравните нить Ц-Т-А-Г-Ц-Т-А-Г, затем представьте основания, которые должны появиться на другой нити: Ц-А-Т-Ц-Г-А-Т-Ц. Это совершенные палиндромы.

Безобидный на вид, этот второй тип палиндрома может нагнать страху на любого микроба. Давным-давно многие микробы выделяли специальные белки (под названием «ферменты рестрикции»), которые могли резать ДНК подобно кусачкам. И по какой-то причине эти ферменты могут разрезать ДНК только в ее симметричных, палиндромных участках. Подобные надрезы служат и полезным целям: к примеру, выбрасывают из спирали основания, пораженные радиацией, или снимают напряжение в сильно запутанной ДНК. Однако непослушные микробы в основном использовали эти белки, чтобы воевать друг с другом и перерабатывать чужой генетический материал. В результате микробы методом проб и ошибок научились избегать даже неочевидных палиндромов.

Впрочем, высшие существа, к которым относимся мы сами, тоже не то чтобы толерантны к палиндромам. Снова рассмотрим Ц-Т-А-Г-Ц-Т-А-Г и Г-А-Т-Ц-Г-А-Т-Ц. Отметим, что начало каждого из палиндромных сегментов может образовывать пары оснований со своей второй половиной: первая буква с последней (Ц…Г), вторая с предпоследней (А…Т) и т. д. Но для того, чтобы сформировать эти внутренние связи, одна сторона нити ДНК должна абстрагироваться от другой и выгнуться вверх, образовав выступ. Такая структура (так называемая шпилька) благодаря симметричному строению может образовывать ДНК-палиндром любой длины. Как и следовало ожидать, «шпильки» могут разрушать ДНК так же, как и узлы: разрушая клеточные механизмы.

Палиндромы могут возникнуть в ДНК двумя способами. Самые короткие ДНК-палиндромы, которые становятся причиной появления «шпилек», возникают случайно, когда А, Ц, Г и Т организуются симметрично. Более длинные палиндромы также перетряхивают наши хромосомы, и многие из них – особенно те, которые наносят серьезный ущерб маленькой Y-хромосоме – возможно, возникают в результате специфического двухступенчатого процесса. По различным причинам хромосомы иногда случайным образом дублируют отрезки ДНК, а потом вставляют вторую копию куда-нибудь вниз по линии. Также хромосомы могут (иногда после разрыва сразу двух нитей) разворачивать отрезок ДНК на 180 градусов и прикреплять их задом наперед. Действуя в тандеме, дупликация и инверсия создают палиндром.

Большинство хромосом, однако, препятствуют появлению длинных палиндромов или по крайней мере стараются не допускать инверсий, которые они создают. Инверсия может разрушить или «отключить» гены, оставив хромосому неэффективной. Также инверсии могут резко уменьшить шансы хромосомы на кроссинговер – а это огромная потеря. Кроссинговер (когда одинаковые хромосомы пересекаются и обмениваются сегментами) позволяет хромосоме поменять свой генетический материал, приобрести лучшие версии, или версии, которые лучше работают вместе и делают хромосому более жизнеспособной. Не менее важно то, что хромосомы пользуются преимуществами кроссинговера, чтобы выполнить проверку контроля качества: они могут выстроиться в две шеренги, «глаза в глаза» и заменить мутировавшие гены немутировавшими. Однако хромосома может пересекаться только с хромосомой, которая выглядит точно так же. Если же партнер выглядит подозрительно не похоже, хромосома опасается получить болезнетворную ДНК и отказывается от обмена. Инверсии на этом фоне выглядят чертовски подозрительно, поэтому в подобных обстоятельствах хромосомы с палиндромами просто игнорируются.

У Y-хромосомы нетерпимость к палиндромам проявилась с самого начала. Давным-давно, еще до того, как млекопитающие отделились от рептилий, Х и Y были парными хромосомами и пересекались часто. Затем, 300 миллионов лет назад, один из генов хромосомы Y мутировал и превратился в «главный выключатель», заставляющий яички развиваться. До этого, вероятно, пол животного зависел от температуры, при которой самка высиживает яйца – схожая не имеющая отношения к генетике система определяет пол черепах и крокодилов. Благодаря этому изменению Y стала «мужской» хромосомой и, пройдя через разнообразные процессы, сконцентрировала другие мужские гены, преимущественно связанные с производством сперматозоидов. Как следствие, Х и Y стали выглядеть по-разному и, соответственно, уклоняться от кроссинговера. Хромосома Y не захотела рисковать своими генами, которые могла переписать злобная Х-хромосома, в то время как Х не хочет приобретать грубые гены хромосомы-мужлана, которые могут повредить женским ХХ-организмам.

После того как кроссинговер замедлился, Y-хромосома стала более терпимой к инверсиям, как коротким, так и длинным. Фактически она в своей истории претерпела четыре крупные инверсии, реально глобальные перестройки ДНК. Каждая из них создала много замечательных палиндромов – один из них сразу на три миллиона символов, но каждая вместе с тем приводила к тому, что кроссинговер с Х-хромосомой становился все тяжелее. В этом бы не было особого значения, если не учитывать, что кроссинговер позволяет хромосомам заменять злокачественные мутации. Х-хромосомы могут делать это в женских организмах с парой ХХ, но когда Y-хромосома потеряла своего партнера, злокачественные мутации начали накапливаться. И с появлением каждой новой мутации у клеток не было иного выбора, кроме как избавляться от Y-хромосомы и удалять мутировавшую ДНК. Результаты оказались неутешительны. Y-хромосома, когда-то имевшая внушительные размеры, потеряла почти все свои гены: из 1400 осталось чуть больше 20. При таком раскладе биологи поспешили записать «игреков» в доходяги. Похоже, что этим хромосомам суждено продолжать накапливать неблагополучные мутации и становиться короче и короче, пока эволюция не покончит с Y-хромосомами – и, возможно, в придачу и с мужчинами – совсем.

Палиндромы, однако, могут помиловать Y-хромосому. Шпильки в цепи ДНК – это плохо, но если Y-хромосома загнется в гигантскую шпильку, это может привести к тому, что два ее палиндрома – с тем же набором генов, но идущим в противоположном порядке – вступят в контакт. Это позволит Y-хромосоме проверяться на наличие мутаций и заменять проблемные участки. Это все равно что написать: «А роза упала на лапу Азора» на листе бумаги, сложить бумагу чтобы буквы двух половин совпали, а потом буква за буквой исправлять все расхождения. Нечто подобное около 600 раз повторяется при рождении каждого мальчика. «Складывание» также позволяет «игрекам» компенсировать недостаток половой хромосомы-партнера и «рекомбинировать» с самими собой, заменяя гены на протяженности одного участка генами из другой точки.

Это палиндромное исправление совершенно гениально. Даже можно сказать, слишком гениально. Система, которую Y-хромосома использует для того, чтобы сравнивать палиндромы, к сожалению, не «знает», какой из палиндромов мутировал, а какой – нет; она только может определить, что они не совпадают. Поэтому нередко Y-хромосома заменяет хороший ген плохим. Авторекомбинация также (внимание!) приводит к тому, что ДНК между палиндромами случайным образом удаляется. Такие ошибки редко приводят к смерти человека, но могут сделать его семя бесплодным. В общем, Y-хромосома может исчезнуть, если не сможет корректировать мутации наподобие этой; но то, что нужно для такой корректировки – палиндромы, может, так сказать, кастрировать хромосому.

* * *

И лингвистические, и математические свойства ДНК способствуют ее конечной цели: управлению данными. Клетки накапливают информацию и обмениваются ею друг с другом с помощью ДНК и РНК, и ученые уже привыкли говорить о программировании и обработке информации нуклеиновыми кислотами, будто бы генетика является отраслью криптографии или информатики.

И действительно, современная криптография в какой-то мере происходит из генетики. В 1915 году молодой генетик по имени Уильям Фридман окончил Корнелльский университет и присоединился к эксцентричному научному обществу, базировавшемуся в одной из деревень Иллинойса. Это общество могло похвастаться голландской ветряной мельницей, ручным медведем по имени Гамлет и маяком – последнее особенно забавно ввиду того, что дело происходило в доброй тысяче километров от побережья. Первым делом босс Фридмана поручил ему исследовать, как лунный свет влияет на гены пшеницы. Но благодаря полученным в университете знаниям по статистике молодой ученый вскоре оказался вовлечен в другой сумасбродный проект своего начальства. Целью проекта было доказать то, что Фрэнсис Бэкон не только написал пьесы Шекспира, но и оставил на страницах Первого фолио подсказки, свидетельствующие о своем авторстве. Подсказки включали в себя изменение формы отдельных букв.

Фридман воодушевился этим заданием – он полюбил работать с шифрами с тех самых пор, как в детве прочел «Золотого жука» Эдгара По – и доказал, что предполагавшиеся отсылки на Бэкона – это полная чушь. Он писал, что по тем же схемам дешифровки можно «доказать» что угодно: например, что «Юлия Цезаря» написал Теодор Рузвельт. Тем не менее Фридман заинтересовался генетикой как биологическим инструментом расшифровки кодов и после успешных попыток реальной дешифровки стал криптографом, работающим на правительство США. Основываясь на статистических знаниях, накопленных из генетики, Фридман вскоре сумел прочитать секретные телеграммы, которые в 1923 году спровоцировали так называемый скандал «Крышка заварника», связанный с получением взяток представителям власти. В начале 1940-х годов он приступил к расшифровке японских дипломатических кодов, включая десяток скандально известных депеш, отправленных из Японии в японское посольство в Вашингтоне и перехваченных 6 декабря 1941 года: в этих депешах говорилось о том, что война неминуема.

Фридман бросил генетику, потому что в первой четверти ХХ века (по крайней мере на фермах) генетикам приходилось слишком много времени просто сидеть вокруг и ждать, пока глупые звери начнут размножаться: это было больше похоже на животноводство, чем на научный анализ данных. Если бы Фридман родился поколением-двумя позже, он бы смог взглянуть на те же вещи совершенно иначе. К 1950-м годам биологи уже регулярно ссылаются на пары оснований А-Ц-Г-Т как на биологические «биты» и на генетику в целом как на код, который нужно взломать. Генетика окончательно превратилась в анализ данных и продолжала развиваться в этом направлении – в том числе благодаря работе более молодого последователя Уильяма Фридмена – инженера Клода Шеннона. Его работы охватывают как криптографию, так и генетику.

Ученые регулярно цитируют магистерскую диссертацию Шеннона, написанную 21-летним студентом Массачусетского технологического института в 1937 году: эта работа признается самой важной магистерской диссертацией в истории. В ней Шеннон изложил метод комбинирования электронных схем и элементарной логики для проведения математических операций. С помощью этого метода молодой ученый мог проектировать схемы для выполнения сложных вычислений, на которых основываются все цифровые цепи. Десять лет спустя Шеннон написал статью об использовании цифровых цепей для кодирования сообщений и более эффективной их передачи. Едва ли будет преувеличением сказать, что благодаря этим двум открытиям были с нуля созданы современные цифровые коммуникации.

Совершая судьбоносные открытия, Шеннон находил время и для других занятий. В своем офисе он любил жонглировать, ездить на одноколесном велосипеде, а порой делать и то и другое одновременно. Дома он постоянно возился со всяким хламом в подвале. Среди его прижизненных изобретений – фрисби с ракетным двигателем, палочки пого с моторчиком, машины для сборки кубика Рубика, механическая мышь по имени Тесей, выбирающаяся из лабиринтов, программа THROBAC, проводящая вычисления в римских цифрах, и «переносной компьютер» размером с пачку сигарет, предназначенный для того, чтобы срывать банк на рулетке.

Шеннон проявил интерес к генетике и в своей докторской диссертации, которую защитил в 1940 году. В то время биологи дорабатывали такой вопрос, как связь между генами и естественным отбором, но многих из них отпугнул большой объем статистики. Хотя позже Шеннон признавался, что в то время почти не разбирался в генетике, он погрузился в эту проблему. Он постарался сделать для генетики то, что уже сделал для электронных схем: свести все сложности к простым алгебраическим расчетам, в результате чего для любых вводных данных (генов в популяции) можно легко и быстро рассчитать результаты (какие гены будут успешно развиваться, а какие – исчезнут). Шеннон посвятил этой статье несколько месяцев, а потом, после защиты докторской, был окончательно соблазнен электроникой и больше никогда не возвращался к генетике. Впрочем, это неважно. Его новая работа послужила основой для информационной теории: настолько универсальной области знаний, что она и без непосредственного участия Шеннона начала активно применяться в генетике.

В соответствии с теорией информации Шеннон определяет, как передавать сообщения с наименьшим количеством ошибок – цель, которую реализовали биологи, аналогична разработке лучшего генетического года, минимизирующего количество ошибок в строении клетки. Кроме того, биологи приняли работы Шеннона об эффективности и избыточности различных языков. Как однажды подсчитал Шеннон, английский язык как минимум на 50 % является избыточным (бульварный роман Реймонда Чандлера, который он исследовал, и вовсе оказался избыточным на 75 %). Биологи также изучали эффективность, так как, согласно естественному отбору, эффективные организмы являются и более здоровыми. Соответственно, менее избыточная ДНК, по их выводам, приведет к тому, что клетка будет накапливать больше информации и быстрее ее обрабатывать, что является серьезным преимуществом. Однако членам клуба галстуков РНК известно, что ДНК в этом отношении более чем неоптимальна. Целых шесть триплетов А-Ц-Г-Т для одной-единственной аминокислоты – чрезвычайная избыточность! Если бы клетки экономили и использовали меньшее число триплетов для аминокислоты, они бы могли собирать больше аминокислот, чем канонические 20, что открыло бы новые горизонты молекулярной эволюции. Ученые в действительности доказали, что должным образом подготовленные клетки в лабораторных условиях могут использовать до 50 аминокислот.

Однако если у избыточности есть недостатки, то, как указывал Шеннон, должны быть и достоинства. Некоторая избыточность языка гарантирует, что мы сможем поддержать беседу, даже если некоторые слоги или целые слова будут утрачены. Блшнств лдй бз прблм мжт прчт прдлжн с прпснн бкв. Другими словами, если слишком большая избыточность отнимает время и энергию, небольшая – препятствует появлению ошибок. Применительно к ДНК избыточность тоже имеет смысл: это делает менее вероятным появление неверных аминокислот в результате мутаций. Более того, биологи подсчитали, что даже если мутация внедрит в организм неправильную аминокислоту, мать-природа подтасует так, что в любом случае шансы на то, чтобы новая аминокислота имела те же физические и химические характеристики и, следовательно, сложилась надлежащим образом, увеличатся. Это можно назвать аминокислотой-синонимом, так как клетки могут сохранить смысл «предложения».

Избыточность может иметь место и за пределами генов. Некодирующая ДНК – длинная последовательность ДНК между генами – содержит некоторые слишком избыточные отрезки символов, которые выглядят так, как будто кто-то не глядя провел пальцами по клавиатуре природы. Хотя эти и прочие участки кажутся мусором, ученым неизвестно, действительно ли такие последовательности не представляют никакой ценности. Один ученый задумался: «Геном – это низкопробный роман, в котором можно вырвать сто страниц, и ничего не изменится, или же он больше похож на произведение Хемингуэя, где вся сюжетная линия может потеряться из-за утраты одной страницы?» Однако в ходе исследований мусорной ДНК, в которых применялись теоремы Шеннона, обнаружилось, что их избыточность во многом похожа на избыточность в языке – это может значить, что некодирующая ДНК имеет еще не открытые лингвистические возможности.

Все это поразило бы Шеннона и Фридмана. Но, пожалуй, самое примечательное здесь то, что помимо прочих разумных функций ДНК также подсказала нам идеи, которые помогли изобрести мощнейшие на сегодня инструменты обработки информации. В 1920-х годах выдающийся математик Давид Гильберт пытался определить, существуют ли какие-либо механические процессы или алгоритмы, позволяющие доказывать теоремы автоматически, почти без размышлений. Гильберт при этом представлял людей, включающихся в этот процесс с карандашом и бумагой в руках. Однако в 1936 году математик (и любитель мастерить фигурки из бумаги) Алан Тьюринг набросал эскиз машины, способной выполнять такую работу. Машина Тьюринга выглядела очень просто: всего лишь длинная магнитофонная лента и устройство, проматывающее и маркирующее ленту, – но теоретически могла рассчитать ответ на каждую имеющую решение задачу, независимо от ее сложности, разбивая задачу на мелкие логичные ходы. Машина Тьюринга вдохновила многих мыслителей, в том числе и Клода Шеннона. Вскоре инженеры начали конструировать работающие модели – мы называем их компьютерами – с длинными магнитными лентами и записывающими головками, во многом похожие на модели Тьюринга.

Биологи, впрочем, знают, что машины Тьюринга практически ничем не напоминают механизмы, которые используются клетками для копирования, маркировки и чтения длинных цепочек ДНК и РНК. Эти тьюринговские биомашины работают в каждой живой клетке, ежесекундно решают любые, самые сложные задачи. Фактически ДНК работает лучше, чем машины Тьюринга: механизмы компьютера нуждаются в программном обеспечении; ДНК же – это и «хард», и «софт» одновременно, они и накапливают информацию, и выполняют команды. Они даже содержат инструкции копировать себя как можно чаще.

И это еще не все. Даже если бы ДНК была способна лишь на то, о чем мы уже узнали – раз за разом создавать свои точные копии, вытягивать в нити РНК и белки, выдерживать повреждения от ядерных взрывов, кодировать слова и фразы, даже высвистывать популярные мелодии, – уже это позволило бы ей считаться чудесной молекулой, одной из лучших. Но помимо всех этих достоинств ДНК отличается способностью строить предметы в миллиарды раз больше себя самой – и запускать их в путешествие по всему земному шару. ДНК даже может сохранять «путевые дневники», в которых указано, что каждое из ее созданий видело и делало в своей жизни, и сейчас, наконец, несколько особо удачливых существ, изучивших основы того, как работает ДНК, могут читать эти истории.