Что такое жизнь?

Как хромосомы ведут себя во время онтогенеза?[14 - Развитие особи в ходе жизненного цикла, в противоположность филогенезу – развитию вида в течение геологических периодов.]

Рост организма осуществляется последовательными клеточными делениями. Такое клеточное деление называют митозом. В жизни клетки это не настолько частое событие, учитывая множество клеток, из которых состоит наше тело. Вначале рост осуществляется быстро. Яйцеклетка делится на две «дочерние клетки», они на следующих стадиях дают 4, затем 8, 16, 32, 64 и т. д. клеток. Частота делений неодинакова в различных частях растущего организма, и это нарушает регулярность числа клеток. Но на основании быстрого роста посредством простых вычислений можно установить, что в среднем 50–60 последовательных делений достаточно, чтобы получить число клеток, обнаруживаемое во взрослом человеке, или в десять раз больше, если учесть замену клеток в течение жизни. Таким образом, мое тело лишь на 50 или 60 поколений отстоит от яйцеклетки, которой я был.

Во время митоза каждая хромосома дуплицируется

Как ведут себя хромосомы в ходе митоза? Они дуплицируются – оба набора, обе копии кода. Данный процесс подробно изучен под микроскопом и очень важен, но слишком сложен, чтобы подробно описывать его здесь. Суть заключается в том, что каждая из двух «дочерних клеток» получает в наследство два полных набора хромосом, полностью идентичных набору родительской клетки. Поэтому все клетки тела имеют одинаковый хромосомный набор. Биолог простит мне удивительный случай мозаичности, который я опустил в своем кратком описании.

Хотя мы до сих пор плохо понимаем данный процесс, судя по всему, для работы организма важно, что каждая клетка, даже самая малозначимая, обладает полной (двойной) копией кода. Раньше в газетах писали, что во время своей африканской кампании генерал Монтгомери позаботился о том, чтобы каждый солдат его армии был подробно осведомлен о его планах. Если это соответствует действительности (а это вполне может ей соответствовать, учитывая сообразительность и надежность его отрядов), это отличная аналогия для нашего случая, в котором соответствующее утверждение в буквальном смысле верно. Самым удивительным фактом является двойственность хромосомного набора, поддерживаемая посредством митотических делений. Данную выдающуюся особенность генетического механизма особенно хорошо подчеркивает единственное исключение из правила, какое мы сейчас обсудим.

Редукционное деление (мейоз) и оплодотворение (сингамия)

Вскоре после начала развития особи резервируется группа клеток, которая на более поздней стадии даст начало так называемым гаметам – сперматозоидам или яйцеклеткам, – необходимым для воспроизведения организма во взрослом возрасте. «Резервирование» означает, что пока они не выполняют никаких других функций и претерпевают значительно меньшее число митотических делений. Именно посредством исключительного, или редукционного, деления (мейоза) в зрелом возрасте из этих запасенных клеток образуются гаметы, обычно незадолго до того, как должна осуществиться сингамия. При мейозе двойной набор хромосом родительской клетки просто разделяется на два одинарных, по одному для каждой из двух дочерних клеток, или гамет. Иными словами, во время мейоза не происходит митотического удвоения числа хромосом, оно остается постоянным, и потому каждая гамета получает только половину – то есть одну полную копию кода, а не две (например, у человека только 24, а не 2 (х) 24 = 48).

Клетки с одним набором хромосом называют гаплоидными (от греч. ?????? – одиночный). Таким образом, гаметы гаплоидны, а обычные клетки тела диплоидны (от греч. ??????? – двойной). Иногда встречаются особи с тремя, четырьмя… в общем, с множественными наборами хромосом. Их называют триплоидными, тетраплоидными… полиплоидными.

В ходе сингамии гаплоидная мужская гамета (сперматозоид) и гаплоидная женская гамета (яйцеклетка) сливаются в оплодотворенную диплоидную яйцеклетку. Она получает один хромосомный набор от матери и один – от отца.

Гаплоидные особи

Еще один момент требует уточнения. Для нас он не слишком важен, однако представляет значительный интерес, поскольку демонстрирует, что практически полный код «структуры» содержится в каждом одинарном наборе хромосом.

Рис. 5. Чередование поколений

В некоторых случаях непосредственно после мейоза не происходит оплодотворения, и гаплоидная клетка («гамета») претерпевает многочисленные митотические деления, приводящие к формированию полностью гаплоидной особи. Например, самец пчелы – трутень – развивается партеногенетически, то есть из неоплодотворенных, а значит, гаплоидных яйцеклеток матки. У трутня нет отца! Все клетки его тела гаплоидны. Можно назвать его огромным сперматозоидом – и действительно, как известно, это его единственная функция. Однако данная точка зрения нелепа. Такой случай не уникален. Существуют семейства растений, у которых гаплоидная гамета, образующаяся путем мейоза и называемая спорой, падает на землю и, подобно семени, развивается в истинно гаплоидное растение, по размерам сравнимое с диплоидным. На рис. 5 приведено схематическое изображение мха, распространенного в наших лесах. Облиственная нижняя часть представляет собой гаплоидное растение, называемое гаметофитом, потому что на его верхнем конце развиваются половые органы и гаметы, которые путем взаимного оплодотворения дают диплоидное растение – голый стебель со споровой коробочкой наверху. Когда коробочка раскрывается, споры попадают на землю, из них развивается облиственный стебель и т. д. Эту последовательность событий называют чередованием поколений. Можно взглянуть подобным образом на человека и животных. Однако «гаметофит» у них, как правило, представляет собой короткоживущее одноклеточное поколение, сперматозоид или яйцеклетку. Наше тело соответствует спорофиту. Наши «споры» – запасенные клетки, из них посредством мейоза образуется одноклеточное поколение.

Значимость редукционного деления

Важным, действительно судьбоносным событием в процессе размножения особи является не оплодотворение, а мейоз. Один набор хромосом достается от отца, другой – от матери. Ни случай, ни рок не может повлиять на это. Каждый человек[15 - Во всяком случае, каждая женщина. Чтобы не быть многословным, я исключил из рассмотрения интересный вопрос определения пола и сцепленных с ним характеристик, например, так называемой цветовой слепоты. – Примеч. авт.] обязан половиной своего наследственного материала отцу и половиной – матери. То, что обычно одна из них доминирует, объясняется другими причинами, до которых мы еще дойдем. Разумеется, самый простой пример такого доминирования – пол.

Но если проследить вашу наследственность до бабушки и дедушки, ситуация изменится. Возьмем набор хромосом моего отца, точнее, одну их пару, например № 5. Это верная копия № 5, которую отец получил от своего отца, или № 5, какую отец получил от своей матери. Вопрос был решен с вероятностью 50:50 в ходе мейоза, случившегося в организме моего отца в ноябре 1886 года и произведшего сперматозоид, который несколько дней спустя принял участие в зачатии меня. Аналогичную же историю можно рассказать про хромосомы № 1, 2, 3… 24 из отцовского набора и, mutatis mutandis[16 - С необходимыми поправками (лат.).], из материнского набора. Более того, все 48 случаев независимы друг от друга. Даже если бы я знал, что отцовская хромосома № 5 попала ко мне от моего деда Йозефа Шредингера, хромосома № 7 имеет равные шансы также принадлежать ему – или его жене Марии, в девичестве Богнер.

Кроссинговер. Местоположение признаков

Однако чистая случайность получила еще больше возможностей смешать в потомке наследие дедов и бабок, чем может показаться на основании вышеизложенного. Ранее мы полагали, будто конкретная хромосома целиком досталась нам от деда или от бабки, иными словами, что отдельные хромосомы передаются неделимыми. В действительности это не так, по крайней мере, не всегда. Прежде чем разойтись в ходе редукционного деления, например, происходящего в организме отца, любые две «гомологичные» хромосомы вступают в близкий контакт друг с другом и обмениваются целыми участками, как показано на рис. 6. Благодаря этому процессу, называемому кроссинговер, два признака, расположенные в соответствующих частях данной хромосомы, окажутся разделены у внука, который получит одно из них от деда, а другое от бабки. Процесс кроссинговера снабдил нас важной информацией о расположении признаков на хромосомах. Для полноценного рассмотрения следовало бы очертить концепции, которые будут представлены в следующей главе (такие как гетерозиготность, доминантность и т. д.), однако это выведет нас за рамки данной книги, а потому позвольте сразу перейти к сути.

Рис. 6. Кроссинговер. Слева: контакт между двумя гомологичными хромосомами. Справа: гомологичные хромосомы после обмена и расхождения

Если бы не кроссинговер, два признака, за которые отвечает одна и та же хромосома, всегда передавались бы вместе, ни один потомок не смог бы получить один из них, не унаследовав при этом другой. Однако два признака, находящиеся на различных хромосомах, будут разделены с вероятностью 50:50 – или со 100 % вероятностью, если расположены на гомологичных хромосомах одного предка, которые не могут передаться вместе.

Кроссинговер нарушает эти правила. Таким образом, вероятность данного события можно оценить, тщательно отслеживая процентный состав потомства в длительных экспериментах по скрещиванию. Анализируя статистику, следует принять рабочую гипотезу, что «связь» между двумя признаками, расположенными на одной хромосоме, нарушается тем реже, чем ближе они находятся друг к другу. В таком случае ниже вероятность, что точка обмена окажется между ними, в то время как признаки, расположенные на противоположных концах хромосом, разделяются при каждом кроссинговере. То же самое верно для рекомбинации признаков, расположенных на гомологичных хромосомах одного предка. Таким образом, на основании «статистики связи» можно получить некую «карту признаков» каждой хромосомы.

Эти ожидания полностью подтвердились. В проведенных экспериментах, в основном – но не только – на дрозофиле, изученные признаки действительно разделяются на группы, не сцепленные друг с другом, число которых равняется числу отдельных хромосом (четыре у дрозофилы). В каждой группе можно составить линейную карту признаков, количественно соответствующую степени сцепления между любыми двумя признаками в данной группе. Поэтому нет сомнений, что они действительно расположены на хромосоме, причем линейно, что предполагает ее палочковидная форма.

Разумеется, изображенный здесь схематический механизм наследственности выглядит поверхностным и бесцветным, даже слегка наивным. Ведь мы не сказали, что именно называем «признаком». Кажется неправильным и невозможным расчленять на отдельные «признаки» структуру организма, который по существу является единым, «целым». В любом конкретном случае мы утверждаем, что пара предков различалась по явно заданным характеристикам (например, у одного были голубые глаза, а у другого – карие), и потомок в данном смысле похож на одного из них. То, что мы обнаруживаем в хромосоме, и есть причина этого различия. (Технический термин для этого – «локус», или, если имеется в виду лежащая в его основе гипотетическая структура, «ген».) На мой взгляд, различие в признаках само по себе является фундаментальной концепцией, а не признаком, вопреки очевидному лингвистическому и логическому противоречию данного утверждения. Различия в признаках дискретны, как мы поймем из следующей главы, когда будем обсуждать мутации, и я надеюсь, что приведенная здесь сухая схема обретет жизнь и заиграет красками.

Максимальный размер гена

Мы только что ввели термин «ген» – гипотетический материальный носитель определенной наследственной характеристики. Теперь следует подчеркнуть два момента, в высшей степени значимые для нашего исследования. Во-первых, размер – а точнее, максимальный размер – такого носителя; иными словами, до сколь малого объема мы сможем проследить местоположение признака? Во-вторых, постоянство гена, которое следует из устойчивости наследственной структуры.

Что касается размера, то существуют две независимые оценки. Одна опирается на генетические доказательства (эксперименты по скрещиванию), а другая – на цитологические свидетельства (прямое микроскопическое наблюдение). Первая по сути своей несложна. После того как мы выявим указанным выше способом на конкретной хромосоме достаточное число различных («широкомасштабных») признаков (например, у мушки-дрозофилы), останется разделить измеренную длину этой хромосомы на число признаков и умножить на поперечное сечение. Разумеется, мы считаем различными только те признаки, которые время от времени разделяет кроссинговер, а потому они не могут определяться одной и той же структурой – микроскопической или молекулярной. С другой стороны, очевидно, что наша оценка может дать лишь максимальный размер, поскольку число признаков, обнаруженных генетическим анализом, постоянно растет.

Другая оценка, пусть и основанная на микроскопическом наблюдении, в действительности является косвенной. Определенные клетки дрозофилы, а именно клетки слюнных желез, по какой-то причине сильно увеличены, как и их хромосомы. На этих фибриллах можно различить плотный рисунок из поперечных темных полос. С. Д. Дарлингтон[17 - Дарлингтон, Сирил Дин (1903–1981) – английский ботаник и генетик, стоявший у истоков цитогенетики, первооткрыватель механизма хромосомного кроссинговера и один из авторов синтетической теории эволюции.] отметил, что число этих полос (в его случае – 2000) хотя и намного превышает число генов, расположенных на хромосоме, как установлено в экспериментах со скрещиванием, но находится в пределах того же порядка. Он склонен считать эти полосы настоящими генами (или границами между ними). Поделив длину хромосомы, измеренную в клетке нормального размера, на число полос (2000), он получает объем гена, равный кубу с гранью 300 ?. Учитывая приблизительность оценки, можно предположить, что такой же результат был получен и первым способом.

Маленькие числа

Подробное обсуждение связи статистической физики со всеми перечисленными фактами – а точнее, связи этих фактов с использованием статистической физики в живой клетке – последует позднее. Но позвольте сейчас привлечь внимание к тому, что 300 ? – лишь 100–150 атомных расстояний в жидкости или твердой материи, а значит, ген определенно не может содержать больше миллиона или нескольких миллионов атомов. Это число слишком мало (с точки зрения ?n), чтобы обеспечить упорядоченное поведение в соответствии со статистической физикой, а следовательно, и физикой вообще. Оно слишком мало, даже если все эти атомы играют одну и ту же роль, как в газе или капле жидкости. Но ген – определенно не гомогенная капля жидкости. Это крупная белковая молекула, в которой каждый атом, каждый остаток, каждое гетероциклическое кольцо выполняет особую функцию, отличную от функций других схожих атомов, остатков или колец. Так считают ведущие генетики, например Холдейн и Дарлингтон, и вскоре нам придется обратиться к генетическим экспериментам, практически доказывающим эту точку зрения.

Постоянство

Теперь второй важный вопрос: какой степени постоянства ожидать от наследуемых признаков, а значит, и материальных структур, которые их переносят?

Ответ можно дать без специальных исследований. Факт, что мы обсуждаем наследуемые признаки, свидетельствует о признании их почти незыблемого постоянства. Не надо забывать, что ребенку передается от родителя не просто та или иная черта – кривой нос, короткие пальцы, предрасположенность к ревматизму, гемофилии, дихромазии и т. п. Подобные признаки мы можем выбрать для изучения законов наследственности. Однако в действительности речь идет о полной (четырехмерной) структуре «фенотипа», видимой и проявляемой природе особи, какая воспроизводится без значимых изменений от поколения к поколению, неизменная на протяжении веков – хотя и не десятков тысячелетий, – всякий раз переносимая материальной структурой ядер двух клеток, которые объединяются, чтобы дать оплодотворенную яйцеклетку. Это чудо – уступающее лишь другому чуду, оно, пусть и тесно связанное с первым, лежит в иной плоскости. Я имею в виду тот факт, что мы, чье существование основано на чудесных взаимодействиях такого рода, все же обладаем способностью в значительной степени постигать их. Думаю, это понимание – первого чуда – может стать почти полным. Однако второе может остаться непостижимым для человека.

Глава 3

Мутации

Но эти превращенья в свой черед немеркнущими мыслями украсьте.

    И. В Гёте. Фауст

«Скачкообразные» мутации – инструмент естественного отбора

Изложенные нами общие факты в поддержку стойкости структуры генов, вероятно, слишком привычны, чтобы казаться удивительными либо убедительными. В данной ситуации верна пословица: исключение подтверждает правило. Если бы дети всегда были похожи на родителей, мы бы лишились не только красивых экспериментов, раскрывших нам подробный механизм наследственности, но и великого колоссального эксперимента природы, которая создает виды путем естественного отбора и выживания наиболее приспособленных.

Давайте используем последний важный вопрос в качестве отправной точки для представления значимых фактов – вновь прошу прощения и напоминаю, что я не биолог.

Мы точно знаем, что Дарвин ошибался, считая незначительные, постоянные, случайные вариации, имеющие место даже в самой гомогенной популяции, материалом естественного отбора. Доказано, что они не наследуются. Это важный факт, достойный краткого примера. Если взять урожай чистого сорта ячменя, измерить на всех колосьях длину ости и представить результаты измерений на графике, то получится колоколообразная кривая, как показано на рис. 7, где число колосьев соответствует определенной длине ости. Иными словами, преобладает определенная средняя длина, отклонения от которой в какую-либо сторону происходят с некой частотой.

Рис. 7. Статистика длин остей у чистой линии ячменя. Группа, выбранная для посева, показана черным цветом (Это не результаты некоего эксперимента, а теоретический пример)

Теперь выберем группу колосьев (показана черным цветом), чьи ости заметно длиннее среднего и чьего количества достаточно, чтобы высадить их в поле и получить новый урожай. Проделав аналогичные измерения, Дарвин ожидал бы, что кривая сместится вправо. Он ожидал бы путем селекции добиться увеличения средней длины ости. При использовании чистой линии ячменя результат будет другим. Новая статистическая кривая окажется идентичной первой. То же самое повторится, если выбрать колосья с особенно короткой остью. Отбор не оказывает влияния, поскольку незначительные, постоянные вариации не наследуются. Они не определяются структурой наследственного материала и происходят случайно. Однако около сорока лет назад де Фриз[18 - Де Фриз, Хуго (1848–1935) – голландский ботаник и генетик; одновременно с Корренсом и Чермаком подтвердил законы Менделя.] обнаружил, что даже в потомстве чистых линий появляется очень небольшое число особей – две-три на десятки тысяч – с малыми, но «скачкообразными» изменениями. Слово «скачкообразный» характеризует не величину изменения, а дискретность, поскольку не обнаруживается промежуточных форм между исходным и измененным состоянием. Де Фриз назвал это мутацией. Дискретность является важным фактом. Она напоминает физику квантовую теорию: между соседними энергетическими уровнями нет промежуточных энергий. Физик метафорически назвал бы мутационную теорию де Фриза «квантовой теорией биологии». Позднее мы увидим, что это определение вовсе не столь метафорично. Мутации действительно происходят за счет квантовых скачков в молекуле гена. Однако квантовой теории исполнилось всего два года, когда в 1902 году де Фриз опубликовал свое открытие. Неудивительно, что лишь следующее поколение ученых обнаружило тесную связь между ними!

Они передаются потомству, а значит, наследуются

Мутации наследуются так же, как исходные, неизмененные признаки. Например, в рассмотренном выше первом урожае ячменя может появиться несколько колосьев с остями, заметно выходящими за рамки изменчивости, показанные на рис. 7, вообще без ости. Они могут быть носителями мутации де Фриза, которая передастся потомству, а значит, все их потомки будут лишены ости.

Таким образом, мутация представляет собой изменение наследия и должна определяться неким изменением наследственного материала. На самом деле, большинство важных экспериментов по скрещиванию, объяснивших нам механизм наследственности, заключались в анализе потомства, полученного скрещиванием согласно разработанной схеме, носителей мутации (во многих случаях – нескольких мутаций) с немутантными особями или с носителями других мутаций. Кроме того, поскольку мутации наследуются, они являются подходящим материалом, с которым может работать естественный отбор, производя новые виды, как описал Дарвин, путем вымирания неприспособленных и выживания сильнейших. Нужно лишь заменить в теории Дарвина «незначительные случайные вариации» на «мутации» (так же, как квантовая теория заменяет «постоянный перенос энергии» «квантовым переходом»). Во всех прочих аспектах теория Дарвина нуждалась в незначительной корректировке, если я правильно понимаю точку зрения большинства биологов. Активно обсуждался вопрос, способствует ли естественному отбору (или даже доминирует ли над ним) явная склонность мутаций происходить в благоприятном направлении. У меня на данный момент нет своей точки зрения, однако следует отметить, что возможность «направленности» мутаций далее не учитывается. Более того, я не могу уделить внимание взаимодействию генов-«переключателей» и «полигенов», как бы ни были они важны для механизма естественного отбора и эволюции.

Локализация, доминантность и рецессивность

Теперь следует рассмотреть фундаментальные факты и понятия, касающиеся мутаций, вновь в немного категоричной форме, не затрагивая напрямую подтверждающие их экспериментальные доказательства.

Рис. 8. Гетерозиготный мутант. Крестиком показан ген с мутацией

Разумно предположить, что некую наблюдаемую мутацию вызывает изменение определенного участка одной из хромосом. Так и есть. Важно отметить, что мы точно знаем: это изменение затрагивает лишь одну хромосому, но не соответствующий «локус» на гомологичной хромосоме. Это схематично показано на рис. 8; мутировавший локус обозначен крестиком. Факт, что мутация происходит только в одной хромосоме, можно доказать, скрестив мутантную особь («мутанта») с нормальной. Половина потомства будет обладать мутантным признаком, а другая половина – нормальным. Этого следует ожидать вследствие расхождения двух хромосом у мутанта во время мейоза, как схематично показано на рис. 9. Это «фамильное дерево», на котором каждая особь (из трех последовательных поколений) представлена парой рассматриваемых хромосом. Имейте в виду, что если у мутанта затронуты обе хромосомы, все его потомки получат одинаковое (смешанное) наследие, отличное от родительского.

Рис. 9. Наследование мутации. Поперечные прямые линии показывают передачу хромосомы, двойные линии – передачу мутантной хромосомы. Неучтенные хромосомы третьего поколения пришли от партнеров второго поколения, не включенных в схему. Предполагается, что это не родственники, лишенные мутаций