Что такое жизнь?

Однако эксперименты в данной области не столь просты, как может показаться. Их затрудняет второй важный фактор, а именно то, что мутации очень часто латентны. Что это означает?

У мутанта две «копии кода» уже не идентичны, а представляют собой два различных «прочтения», или «версии», по крайней мере в одном конкретном месте. Следует отметить, что, как бы заманчиво это ни выглядело, нельзя считать исходную версию «ортодоксальной», а мутантную – «еретической». В принципе мы должны полагать, что они имеют равное право на существование, поскольку нормальные признаки также возникли благодаря мутациям.

Рис. 10. Гомозиготный мутант, представленный одной четвертью потомства, появившегося путем самооплодотворения гетерозиготного мутанта (рис. 8) либо скрещивания двух гетерозиготных мутантов

В действительности «структура» особи, как правило, определяется той или иной версией, которая может быть нормальной либо мутантной. Определяющую версию называют доминантной, другую – рецессивной. Иными словами, мутация является доминантной или рецессивной в зависимости от того, меняет ли она непосредственно структуру или нет.

Рецессивные мутации встречаются намного чаще доминантных и крайне важны, хотя поначалу никак не проявляют себя. Чтобы повлиять на структуру, они должны присутствовать на обеих хромосомах (см. рис. 10). Подобные особи появляются, когда друг с другом скрещиваются два одинаковых рецессивных мутанта или когда мутант скрещивается сам с собой. Такое бывает у гермафродитных растений и даже случается спонтанно. В данном случае около одной четверти потомков будут носителями двух мутантных хромосом, а значит, у них проявится мутантный признак.

Немного технических терминов

Полагаю, для ясности следует объяснить несколько технических терминов. То, что я назвал версией кода – исходной или мутантной, – называют аллелью. Если версии различаются, как на рис. 8, особь называют гетерозиготной по данному локусу. Если версии одинаковы, как у немутантной особи или в случае, показанном на рис. 10, такие организмы называют гомозиготными. Так, рецессивная аллель влияет на структуру только в гомозиготном состоянии, в то время как доминантная аллель дает одну и ту же структуру и в гомозиготном, и в гетерозиготном состоянии.

Цвет часто доминирует над бесцветностью (или белизной). Например, горох обладает белыми цветками, только когда содержит в обеих соответствующих хромосомах «рецессивную аллель, отвечающую за белизну», то есть когда он «гомозиготен по белизне». Этот признак будет наследоваться, и все потомки данного растения станут цвести белым цветом. Однако присутствие одной «красной аллели» (в то время как другая остается белой – у «гетерозиготы») – равно как и две «красных аллели» (у «гомозиготы») – заставит горох цвести красными цветками. Различие последних двух случаев проявится только в потомстве, когда красные гетерозиготы дадут несколько белых потомков, а красные гомозиготы сохранят признак.

Факт, что две особи могут обладать совершенно одинаковой внешностью, но разной наследственностью, является столь важным, что следует точно разграничить эти понятия. Генетики говорят, что у таких особей одинаковый фенотип, однако разный генотип. Таким образом, вышеизложенное можно суммировать кратким, но в высшей степени техническим утверждением: рецессивная аллель влияет на фенотип лишь в том случае, когда генотип гомозиготен.

Мы будем использовать эти технические термины, однако при необходимости будем напоминать читателю их значение.

Опасное влияние близкородственного скрещивания

В гетерозиготном состоянии рецессивные мутации – неподходящий материал для естественного отбора. Если они вредны, как часто и бывает, то все равно сохраняются в силу своей латентности. Поэтому значительное количество неблагоприятных мутаций может накапливаться, не причиняя непосредственного вреда. Однако они передаются половине потомков – и это имеет большое значение для человека, домашнего скота, птицы и любого другого вида, физическое состояние которого нас заботит. На рис. 9 предполагается, что особь мужского пола, например я сам, несет рецессивную вредную мутацию в гетерозиготном состоянии, то есть она не проявляется. Предположим, у моей жены нет такой мутации. Тогда половина наших детей (второе поколение) окажется носителями мутации – снова гетерозиготной. Если все они опять выберут себе партнеров без мутаций (не показаны на схеме для ясности), около четверти наших внуков будут обладать гетерозиготной мутацией.

Никакого вреда не случится, если только особи с одинаковой мутацией не скрестятся друг с другом. В таком случае, как показывают нехитрые расчеты, четверть их детей будет гомозиготной, и у них неблагоприятная мутация проявится. Помимо самооплодотворения, которое возможно лишь у растений-гермафродитов, наибольшую опасность будет представлять брак между моим сыном и моей дочерью. Каждый из них обладает равными шансами оказаться или не оказаться носителем опасной мутации, и четверть таких кровосмесительных союзов приведет к тому, что у четверти их потомков она проявится. Таким образом, вероятность заболеть у родившегося от подобного союза ребенка окажется 1:16.

Аналогичным образом вероятность заболеть будет составлять 1:64 у потомка союза между двумя моими («чистокровными») внуками, являющимися двоюродными братом и сестрой. Это не слишком высокая вероятность, и второй вариант обычно считают приемлемым. Но не забывайте, что мы рассмотрели последствия лишь одного латентного повреждения у одного партнера предковой пары («я и моя жена»). В действительности они оба скорее всего несут несколько подобных латентных изъянов. Если вы точно знаете, что являетесь обладателем некой мутации, не забывайте, что 1 из 8 ваших кузенов и кузин также может нести ее! Эксперименты на растениях и животных свидетельствуют о том, что, помимо сравнительно редких серьезных пороков, существует множество не столь значительных дефектов, которые в совокупности способны повредить потомку близкородственного скрещивания. Поскольку мы больше не избавляемся от неудачных экземпляров, как это делали суровые спартанцы в горах Тайгет, следует относиться к этим вопросам серьезно, в случае человека, для которого не всегда соблюдается выживание сильнейших, а то и реализуется противоположная ситуация. Противодействующее отбору влияние современного массового убийства здоровых молодых людей всех национальностей перевешивает рассуждения о том, что в более примитивных условиях война могла производить положительный эффект, способствуя выживанию наиболее приспособленного клана.

Общие и исторические комментарии

Удивителен факт, что рецессивная аллель в гетерозиготном состоянии полностью подавляется доминантной и не дает видимого эффекта. Следует отметить, что из этого правила есть исключения. Если скрестить гомозиготный белый львиный зев с гомозиготным малиновым, все потомки первого поколения будут обладать «промежуточным» цветом, то есть розовым, а не малиновым, как можно было бы ожидать. Намного более важным примером одновременного проявления двух аллелей являются группы крови, но мы не будем здесь на них останавливаться. Не удивлюсь, если в конце концов выяснится, что рецессивность обладает уровнями и ее проявления зависят от чувствительности тестов, которые мы используем для анализа «фенотипа».

Уместно вспомнить раннюю историю генетики. Суть теории, закон наследования последующими поколениями признаков, по которым различаются родители, и – что особенно важно – разграничение рецессивных и доминантных признаков сформулировал всемирно известный аббат-августинец Грегор Мендель (1822–1884). Он ничего не знал о мутациях и хромосомах. В своем монастырском саду в Брюнне (Брно) Мендель проводил эксперименты на горохе: сажал различные разновидности, скрещивал и наблюдал за потомками в 1, 2, 3-м… поколениях. Можно сказать, он экспериментировал с мутантами, предоставленными ему природой. В 1886 году Мендель опубликовал результаты в «Трудах Брюннского общества естествоиспытателей». Никто не обращал особого внимания на хобби аббата – и уж точно никто и представить не мог, что в XX веке его открытие станет путеводной звездой для совершенно нового научного направления, одного из самых интересных в наши дни. Его статью забыли. Лишь в 1900 году о ней одновременно вспомнили Корренс[19 - Корренс, Карл Эрих (1864–1933) – немецкий ботаник и генетик, подтвердивший законы Менделя.] (Берлин), де Фриз (Амстердам) и Чермак[20 - Чермак-Зейзенегг, Эрих (1871–1962) – австрийский генетик, также подтвердивший законы Менделя.] (Вена).

Необходимость редкости мутации

До настоящего момента мы в основном говорили о вредоносных мутациях, которые, возможно, являются самыми многочисленными; однако следует отметить, что встречаются и полезные мутации. Если спонтанная мутация есть небольшой шажок в развитии вида, то складывается впечатление, что определенные изменения «подбираются» весьма произвольным образом, рискуя причинить вред, в случае чего они тут же уничтожаются. Из этого следует важный вывод. Чтобы являться подходящим материалом для естественного отбора, мутации должны происходить редко – что и наблюдается в действительности. Если бы они случались так часто, что существовала бы вероятность появления у одной особи, скажем, десятка мутаций, вредоносные, как правило, преобладали бы над полезными, и вид не улучшался бы в результате отбора, а оставался бы прежним или вымирал бы. Умеренный консерватизм, являющийся следствием высокой стабильности генов, играет существенную роль. Можно провести аналогию с работой крупной производственной установки на фабрике. Чтобы выработать лучшие методы, необходимо применять инновации, в том числе неопробованные. Но чтобы установить, улучшит или ухудшит инновация работу, нужно пробовать их по одной, не изменяя другие детали механизма.

Мутации, вызванные рентгеновскими лучами

Теперь рассмотрим блистательный цикл генетических исследований, которые внесут наиболее значимый вклад в наш анализ.

Процент мутаций у потомства, так называемую частоту мутаций, можно повысить в сравнении с низкой природной частотой мутаций, облучив родителей рентгеновскими или гамма-лучами. Полученные таким образом мутации ничем (кроме количества) не отличаются от спонтанных, и складывается впечатление, что рентгеновские лучи также могут вызывать «природные» мутации. У дрозофилы многие особые мутации спонтанно происходят снова и снова в больших культурах; их местоположение картировали на хромосоме и дали им специальные названия. Более того, были обнаружены «множественные аллели», то есть две и более различных «версий» и «прочтений» – помимо нормальной, немутантной – одного участка хромосомного кода. Это означает существование не двух, но трех и более вариантов данного конкретного «локуса», любые два из которых относятся друг к другу как «доминантные/рецессивные», когда одновременно встречаются в соответствующих локусах двух гомологичных хромосом.

Эксперименты с мутациями, индуцированными рентгеновским излучением, создают впечатление, что каждый «переход», скажем, от нормальной особи к некому мутанту или наоборот, обладает своим «рентгеновским коэффициентом», выражающим процент потомков, которые мутировали данным образом при воздействии на родителей стандартной дозы рентгеновского излучения до зачатия.

Первый закон. Мутация – единичное событие

Более того, законы, управляющие частотой индуцированных мутаций, просты и наглядны. Здесь я буду придерживаться сообщения Н.В Тимофеева-Ресовского[21 - Тимофеев-Ресовский, Николай Владимирович (1900–1981) – советский генетик, занимавшийся радиационной и популяционной генетикой и микроэволюцией.], опубликованного в «Биологических обзорах», т. IX за 1934 год. В значительной степени оно касается блистательной работы самого автора. Первый закон таков:

(1) Рост частоты мутаций точно пропорционален дозе облучения, поэтому можно говорить [как это сделал я] о коэффициенте роста.

Мы настолько привыкли к простой пропорциональности, что можем недооценить далеко идущие следствия этого нехитрого закона. Чтобы их понять, давайте вспомним, что, например, цена товара отнюдь не всегда пропорциональна его количеству. При обычных обстоятельствах продавец настолько удивится, если вы купите у него шесть апельсинов, что, когда вы решите взять целую дюжину, может отдать ее дешевле двойной цены за шесть штук. Во времена дефицита происходит обратное. В настоящем случае мы делаем вывод, что первая половинная доза радиации, которая, скажем, вызывает мутации у одного из тысячи потомков, не затрагивает всех остальных – не делает их более склонными или устойчивыми к мутации. Иначе повторная половинная доза не вызвала бы снова лишь одну мутацию на тысячу. Таким образом, мутация не является кумулятивным эффектом, к которому приводят последовательные небольшие дозы радиации, усиливающие друг друга. Она должна представлять собой единичное событие, происходящее в одной хромосоме во время облучения. Что это за событие?

Второй закон. Локализация события

На данный вопрос отвечает второй закон, а именно:

(2) Если варьировать характеристики (длину волны) излучения в широких пределах, от мягких рентгеновских лучей до весьма жестких гамма-лучей, коэффициент останется неизменным, при условии, что вы будете использовать одну и ту же дозу в так называемых рентгенах. То есть если определите дозу, измерив общее количество ионов, производимых на единицу объема в соответствующем стандартном веществе в том же месте и в то же время, когда подвергнутся облучению родители.

В качестве стандартного вещества используют воздух – не только ради удобства, но и потому, что органические ткани построены из элементов с таким же атомным весом. Нижний[22 - Нижний – поскольку эти другие процессы нельзя измерить вместе с ионизацией, но они могут быть задействованы в производстве мутаций.] порог величины ионизации или сопряженных процессов (возбуждений) в тканях получают, умножив уровень ионизации воздуха на отношение плотностей. Таким образом, очевидно – и более серьезное исследование подтверждает это, – что единичное событие, вызывающее мутацию, представляет собой ионизацию (или сходный процесс), происходящую в некоем «критическом» объеме половой клетки. Каков этот критический объем? Его можно оценить на основании частоты мутаций посредством следующего рассуждения: если доза в 50?000 ионов на 1 см

приводит к вероятности возникновения мутации 1:1000 в любой конкретной гамете (что оказалась в области облучения), «цель», в которую следует «попасть» ионизации для появления этой мутации, занимает лишь одну пятидесятимиллионную долю сантиметра кубического. Эти числа не соответствуют действительности и приведены исключительно ради примера. Реальную оценку дает М. Дельбрюк[23 - Дельбрюк, Макс (1906–1981) – американский физик и биофизик немецкого происхождения, лауреат Нобелевской премии.] в статье Дельбрюка, Н. В. Тимофеева-Ресовского и К. Г. Циммера[24 - Циммер, Карл (1911–1988) – немецкий биофизик, основоположник изучения влияния ионизирующего излучения на ДНК.], которая также является основным источником теории, изложенной в следующих двух главах. Он приводит значение десять средних атомных расстояний в кубе, где содержится всего лишь около 10

– тысяча – атомов. Простейшая интерпретация данного результата заключается в том, что существует высокая вероятность вызвать мутацию, если ионизация (или возбуждение) имеет место «не далее чем в десяти атомах» от данного конкретного места хромосомы. Обсудим это подробнее.

В отчете Тимофеева-Ресовского есть практический намек, который я обязан упомянуть, пусть он и не имеет отношения к нашему текущему исследованию. В реальной жизни человек часто подвергается рентгеновскому излучению. Сопряженные с этим прямые опасности – такие как ожоги, лучевой рак, бесплодие – хорошо известны, для защиты от них используют свинцовые экраны, фартуки и т. п., особенно медсестры и врачи, вынужденные регулярно иметь дело с излучением. Суть в том, что, несмотря на успешную защиту от непосредственных угроз, также существует непрямая опасность возникновения вредоносных мутаций в половых клетках – подобных тем, что мы обсуждали, рассматривая неблагоприятный исход близкородственного скрещивания. Выражусь резко, пусть и немного наивно: опасность брака между двоюродными братьями и сестрами может возрасти в том случае, если их бабушка долгое время работала медсестрой и занималась рентгеном. Не следует принимать это близко к сердцу. Однако обществу нужно тревожиться о любой возможности постепенно поразить человеческую расу нежелательными латентными мутациями.

Глава 4

Квантово-механическое доказательство

И пусть твой дух как пламя вознесен, подобьями довольствуется он.

    И. В. Гёте. Prooemion

Постоянство, не объяснимое классической физикой

Итак, с помощью чудесного тонкого инструмента – рентгеновских лучей, благодаря которым, как помнят физики, тридцать лет назад была детально изучена атомная решетка кристаллов, биологи и физики, объединив усилия, опустили верхний предел размера микроскопических структур, отвечающих за определенные крупномасштабные признаки особи – «размер гена». Теперь перед нами встал серьезный вопрос: как с точки зрения статистической физики примирить те факты, что структура генов включает сравнительно небольшое число атомов (порядка 1000, а то и меньше), но тем не менее проявляет в высшей степени регулярную и упорядоченную активность, с постоянством и стабильностью, граничащими с чудом?

Позвольте мне еще раз подчеркнуть эту удивительную ситуацию. Несколько представителей династии Габсбургов обладают странной деформацией нижней губы – «габсбургской губой». Под покровительством императорского семейства Венская императорская академия тщательно изучила ее наследование и опубликовала результаты, вместе с историческими портретами. Судя по всему, этот признак является истинно менделевской «аллелью» по отношению к нормальной форме губы. Сосредоточившись на портретах члена семейства, жившего в XVI веке, и его потомка, жившего в XIX веке, можно смело предположить, что материальная структура гена, ответственная за эту аномальную черту, передавалась из поколения в поколение, воспроизводимая при каждом из не слишком многочисленных клеточных делений, разделяющих этих двух людей. Более того, число атомов, вовлеченных в соответствующую генную структуру, скорее всего, имеет тот же порядок, что и в случаях, изученных с помощью рентгеновского излучения. Все это время ген находился при температуре около 98 °F[25 - Примерно 36,7 °C.]. Как объяснить, что за столетия разупорядочивающее тепловое движение не нарушило его целостности?

В конце прошлого века физик не смог бы ответить на данный вопрос, если бы опирался только на законы природы, которые был способен истолковать и действительно понимал. Поразмыслив о статистической ситуации, он бы сказал (как мы заметим, совершенно верно): этими материальными структурами могут быть только молекулы. К тому времени химия уже обладала обширными знаниями о существовании, а иногда и очень высокой стабильности таких атомных ассоциаций. Однако эти знания были чисто эмпирическими. Природа молекул оставалась загадкой – крепкая связь между атомами, поддерживающая форму молекулы, ставила всех в тупик. Да, это был бы верный ответ, однако его ценность была бы ограничена до тех пор, пока загадочная биологическая стабильность сводилась бы лишь к не менее загадочной химической стабильности. Свидетельство того, что два признака со схожим проявлением основаны на одном принципе, всегда шатко, если этот принцип неизвестен.

Объяснение квантовой теории

В данном случае объяснение дает квантовая теория. Согласно современным знаниям, механизм наследственности тесно связан – нет, основывается на самом базисе квантовой теории. Теорию эту открыл Макс Планк[26 - Планк, Макс Карл Эрнст Людвиг (1858–1947) – немецкий физик-теоретик, стоявший у истоков квантовой физики, лауреат Нобелевской премии.] в 1900 году. Современную генетику можно датировать подтверждением де Фризом, Корренсом и Чермаком статьи Менделя (1900) и статьей де Фриза о мутациях (1903). Таким образом, две великие теории возникли почти одновременно, и неудивительно, что обеим следовало достичь определенной зрелости, прежде чем между ними проявится связь. Квантовой теории на это потребовалось более четверти века, пока в 1926 году В. Гайтлер[27 - Гайтлер, Вальтер Генрих (1904–1981) – немецкий физик, внесший вклад в разработку квантовой электродинамики, квантовой теории поля и теории ковалентной связи.] и Ф. Лондон[28 - Лондон, Фриц (1900–1954) – немецкий физик-теоретик, прославившийся трудами по теории химической связи и межмолекулярных сил.] не разработали общие принципы квантовой теории химической связи. Теория Гайтлера – Лондона включает тонкие и сложные концепции последних достижений квантовой теории (квантовую механику, или волновую механику). Представить ее без вычислений практически невозможно или потребует отдельной небольшой книги. Но, к счастью, теперь, когда вся работа по прояснению нашего мышления проделана, можно прямо обозначить связь между квантовыми переходами и мутациями, выделить наиболее примечательную черту. Этим мы и займемся.

Квантовая теория – дискретные состояния – квантовые переходы

Величайшим откровением квантовой теории стало открытие дискретности в природе, в контексте, где, согласно сложившимся взглядам, что-либо кроме непрерывности выглядит абсурдным.

Первый подобный случай касался энергии. Крупное тело меняет энергию непрерывно. Например, раскачанный маятник постепенно замедляется благодаря сопротивлению воздуха. Странно, но следует признать, что система атомных масштабов ведет себя иначе. По причинам, в которые мы не можем здесь углубиться, нужно полагать, что маленькая система по природе своей обладает определенными дискретными величинами энергии, их называют свойственными ей энергетическими уровнями. Переход из одного состояния в другое представляет собой весьма загадочное событие, обычно называемое квантовым переходом.

Однако энергия – не единственная характеристика системы. Снова рассмотрим наш маятник, но такой, что осуществляет различные движения, – тяжелый шар, подвешенный на нитке к потолку. Он может качаться в направлении север – юг, или восток – запад, или любом ином, или описывать круг, или эллипс. Аккуратно обдувая шар мехами, можно заставить маятник непрерывно переключаться от одного вида движения к другому.

Для мелкомасштабных систем большинство этих или схожих характеристик – мы не станем вдаваться в детали – меняются дискретно. Они «квантованы», как энергия.

В результате атомные ядра с их электронными оболочками, оказываясь в непосредственной близости друг к другу и формируя систему, не могут принять любую произвольную конфигурацию. По своей природе они выбирают из многочисленного, но дискретного числа состояний[29 - Я даю описание, обычно используемое в обиходе, которого достаточно для наших нынешних целей. Однако чувствую себя виноватым в увековечивании удобного заблуждения. Истинная история намного более сложна, поскольку включает случайную неопределенность состояния, в котором находится система. – Примеч. авт.]. Обычно мы называем их уровнями, или энергетическими уровнями, поскольку энергия играет важную роль в данной характеристике. Но следует понимать, что полное описание включает не только энергию. По сути надо говорить о состоянии как об определенной конфигурации всех частиц.