Генетики об эволюции

Мысль плодотворная не обязательно верна

Всего лишь один процент генного набора отличает человека от шимпанзе. Получив в свое время этот результат, ученые были поражены: им казалось, что особость человека как биологического вида должна выражаться в гораздо больших различиях.

Но посмотрим на проблему с иной стороны. Если человек — часть живой природы, то он, несомненно, должен нести в своих наследственных структурах память о предыдущих этапах эволюции. И действительно, как выясняется, одни генные блоки обнаруживают родство человека с высшими млекопитающими, другие — с рептилиями, третьи — с рыбами, а четвертые роднят его даже с самыми древними одноклеточными организмами.

Однако в чем же тогда состоит процесс эволюции: в порождении новых генетических структур или в их комбинации? Или в том и другом вместе взятых?

Об эволюции неизменного

Один философ заметил как-то, что мысль или идея плодотворная не обязательно должна быть верной. Тому множество примеров. Один из наиболее известных — идея мирового эфира, без которого, как полагали, невозможно распространение волн. А «горючая материя» флогистона, подтолкнувшая химиков к открытию кислорода? Или взять аристотелевские мысли о структуре живого мира и развитии его особей…

Нечто подобное мы наблюдаем и в современной науке о живом. Никто не отрицает факт эволюции живого, споры ведутся вокруг того, как объяснить ее движущую силу и механизмы. И тут недостатка в идеях нет. Дарвин заменил слово «бог» на «отбор». Но многое ли он этим объяснил?

Последователи и эпигоны автора «Происхождения видов», книги, в которой, по меткому замечанию Тимофеева-Ресовского, ничего о происхождении-то как раз и не говорится, напридумывали множество слов типа «дивергенция», «конвергенция «и т.п., но сути дела за более чем сто лет не прояснили. Недаром злопыхатели замечают едко, что не так страшен сам Дарвин, как дарвинисты.

Оно и понятно: трудно себе представить, что объяснение происхождения биологических видов дает ученый, который понятия не имеет даже о существовании такой «малости», как ген. Автору могут возразить, что за эти сто лет не раз были предприняты попытки «синтеза» дарвинизма и генетики.

Да, не сегодня и не автор этой статьи высказывает первым свое сомнение верности старым догмам. Уже давно апологетам отбора приходится отбиваться от нападок людей здравомыслящих и по-научному честных. Свободная и незашоренная мысль пошла в своем развитии дальше и глубже, и уж сейчас-то её ничто не останавливает.

Впрочем, забегая вперед, не могу не отметить, что идея отбора, не оказавшись верной, тем не менее побудила науку к плодотворным поискам.

ТИГР заявляет о себе

ТИГР — это Институт генетических исследований, что неподалеку от Вашингтона. Сегодня аббревиатура этой генетической «фабрики «известна многим биологам, поскольку именно с работами этого института, располагающего огромным бюджетом, связываются многие надежды и ученых, и врачей.

Именно здесь осуществляется грандиозный проект, завершение которого произойдет в самом начале XXI века. Речь идет о проекте Хьюго — полной расшифровке генома человека. Работа одновременно идет и над более мелкими геномами: практически каждый месяц журналы мира сообщают о том, что завершено прочтение наследственных записей то одного организма, то другого.

Среди последних достижений — полная расшифровка «линейной» хромосомы знаменитой с начала восьмидесятых годов спирохеты «Боррелия», вызывающей болезнь Лайма. Хромосома состоит из 910 тысяч букв генетического кода. Готов геном другой спирохеты — «Трепонема паллидум», вызывающей сифилис, а также желудочной бактерии (1,67 мегабаз — миллиона букв), микобактерии.

Прибавьте сюда четыре мегабазы кишечной палочки и «Бациллюс субтилис». Последняя очень важна с производственной точки зрения, поскольку с ее помощью биотехнологи наладили промышленное производство различных ферментов, в Японии размягчают сою, она даже вырабатывает антибиотики.

Чтение геномов принесло свои сюрпризы. Науке известны так называемые археобактерии. Ценность «архей» для биосферы невозможно переоценить: они составляют основную массу пикопланктона — мельчайшего планктона в холодных водах океанов. Плотность его огромна: его биомасса эквивалентна тремстам слонам на квадратный километр африканской саванны. Что же тут удивляться огромным биомассам китов.

Так вот эти самые археобактерии — одни из самых древних организмов на Земле — по своим генетическим текстам оказываются ближе к нам, млекопитающим, нежели к истинным микроорганизмам.

Так молекулярные биологи открывают иную сущность систематикам, которые все никак не расстанутся со своими «кон- «и «дивергенциями ». Но с мифами приходится расставаться и в более привычных сферах. Уж сколько раз твердили миру, что нельзя слепо доверять лжепророкам. Мы с младых ногтей привыкли считать само собой разумеющимся, что в Австралии сумчатая фауна не эволюционировала и сохранилась благодаря отсутствию хищников, осложняющих борьбу за существование.

И лишь недавно я прочитал в «Нейчуре», что сумчатость никакого отношения не имеет к «заторможенной» эволюции, а является превосходной адаптацией: приспособлением к чрезвычайно сухому климату, в котором биопродуктивность резко снижена. Вот такие каждодневные открытия чрезмерно осложняют наше понимание феномена эволюции. В отличие от тех, кому все ясно с борьбой и отбором.

Ещё в 1993 году в Кембридже был охарактеризован геном знаменитой рыбки фугу, чрезвычайно ядовитой, но тем не менее пользующейся у японских гурманов заслуженной славой деликатеса при правильном приготовлении. Геном рыбки равен всего лишь десятой доле от человеческого, но представляет собой прекрасный прообраз — архетип — геномов всех позвоночных. К тому же плотность расположения генов у рыбки тоже почти в десять раз выше, чем у человека, что облегчает поиски оных.

Уже тогда стало ясно, что на подступах к монблану человеческого генома необходимо преодолеть несколько ступеней, осуществив прочтение более мелких геномов: кишечной палочки — почти 5 мегабаз, дрожжей — 14, круглого червя «кэнорабдитис элеганс» - 100 и, наконец, дрозофилы — 165. У фугу геном в два с половиной раза больше, чем у знаменитой мушки.

Надо признать, что наука упорно и в то же время стремительно приближается к достижению поставленных перед нею целей. Сначала в Кембридже прочитали 2,2 мегабазы третьей хромосомы червячка, ставшего на сегодня одним из излюбленнейших объектов молекулярных биологов. Было показано, что каждый третий ген имеет аналоги с уже известными.

Особенно плодотворными оказались в этом отношении последние два года, когда был опубликован полный геном дрожжей, а это очень сложный набор информации. А ведь каких-то десять лет назад расшифровка полного генома вируса СПИДа казалась научным подвигом. Оно и понятно, потому что все делалось вручную, не то что сейчас, когда для чтения геномов созданы самые настоящие фабрики типа ТИГРа.

Когда подлетаешь к Сан-Франциско, то невольно обращаешь внимание на удивительной красоты багряно-пурпурные озёра соляных разработок. Невольно на память приходит византийский император Порфирогенет, прозванный так за любовь к царственному пурпуру мантии. Цвет соляных озер обусловлен скоплением микроскопических порфироносов, содержащих в своих клетках знаменитый бактериородопсин — бактериальное подобие белка наших палочек и колбочек в сетчатке глаза.

Ещё в самом начале семидесятых Эстерхальт и Стокениус открыли к своему вящему удивлению, что белок солелюбивых бактерий совершает тот же фотоцикл, что и в клетках млекопитающих. Бактериородопсин, подобно родопсину обычному, содержит хромофор — носитель цвета — ретинал, который при поглощении фотона изменяется и запускает…

О том, что происходит с ретиналом после поглощения света, и о запускаемом в результате этого клеточном каскаде много писал наш выдающийся молекулярный биолог В.Энгельгардт. Совокупность процессов подобного рода он называл «интегративной биологией ». Он одним из первых понял необходимость интеграции биологического знания с физикой и химией.

Солелюбивый «Галобактериум» относится к уже упоминавшимся археобактериям. Он пережил десять геологических эпох и семь больших массовых вымираний, окончательная гибель динозавров среди которых представляется эдаким частным эпизодом.

Тем более удивительным казалось в начале семидесятых сходство функций и молекулярных механизмов бактерио- и просто родопсина. Оба представляют собой мембранные белки, цепь которых семь раз «пронизывает «мембрану клетки, оба несут один и тот же хромофор, за цвет которого «наш» родопсин носит образное и весьма красивое название «зрительный пурпур». Оба белка являются светоулавливателями — наподобие светоулавливающих антенн фотоактивных центров хлоропластов зеленой растительной клетки. Оба используют — с весьма высоким КПД — уловленную световую энергию для запуска весьма важных для клеток каскадов.

Бактериородопсин является по своей природе водородной помпой, «выкачивающей» за счёт энергии света излишние ионы водорода из клетки наружу. Поначалу это было просто необходимостью, чтобы не закислить цитоплазму сверх мыслимого — с точки зрения поддержания жизни — предела. Затем было сделано важное добавление, когда к водородному насосу присоединили еще фермент АТФ-азу: ионы водорода, отдавая свою энергию, способствовали синтезу молекул «энергетической валюты» клетки. За расшифровку тайн синтеза АТФ дали две нобелевские, последнюю не далее как в 1997 году.

Бактерии с АТФ-азой на мембране затем «внедрились» в другие клетки и превратились со временем в… митохондрии и хлоропласты. Последние стали «добывать «водород из его главного «хранилища» - воды, а в результате клетки столкнулись с необходимостью утилизировать весьма агрессивный побочный продукт — кислород. Так родилась наша нынешняя окислительная атмосфера, резко интенсифицировавшая все процессы в клетке.

Светоулавливающий принцип был использован и в других случаях, хотя в несколько ином качестве, однако физику можно считать той же самой: в хлорофилле магний отдает электрон, «выбиваемый» фотоном света, в гемоглобине же железо отдает электрон, чтобы удержать молекулу кислорода или СО2. Понимание этих принципов помогает понять молекулярную природу жизненно важных процессов.

Сегодня это всё уже имеет сугубо практическое значение. Учёных поражает высочайшая стабильность бактериородопсина. Его высушенные пленки выдерживают нагревание почти до 150 градусов Цельсия. Это делает белок вполне применимым для разного рода электронных устройств, детекторов, датчиков и так далее. Удивительно видеть периодически мерцающие разным светом пузырьки, наполненные красителем, изменяющим свою окраску под воздействием ионов водорода, накачиваемых внутрь сфер бактериородопсином. Вполне возможно, что вскоре такие микросферы станут вполне коммерческим продуктом электроники.

Когда-то у древних рептилий был знаменитый третий глаз, который сохранился у нас в виде эпифиза, или шишковидной железы в глубине мозга. Декарт считал, что в ней локализуется наша душа. Сегодня мы знаем, что клетки этой железы вырабатывают мелатонин, регулирующий наш цикл сна-бодрствования, а также активность под воздействием увеличивающегося весной светового дня — отсюда и желание любви весенней порой.

Недавно в клетках эпифиза открыли пинопсин — гомолог родопсина, оказавшийся наполовину сходным по аминокислотному составу с фотобелком сетчатки. Казалось бы, очень большая разница, накопившаяся за сотни миллионов лет. Но суть не в этом.

Как и в случае с хлорофиллом и гемоглобином важно сохранение нужной аминокислоты в нужном месте. Важные в функциональном отношении аминокислоты сохраняются на протяжении сотен миллионов лет эволюции, оставаясь неизменными в пинопсине, родопсине и белках, определяющих цветовое зрение.

Эта база молекулярных данных учитывается, когда осуществляется «дизайн «искусственных белков. Не так давно специалисты компании «Дюпон» совместно с учеными из Филадельфии и Иллинойса разработали искусственный гемоглобин с четырьмя гемами, содержащими железо. Главным условием функционирования искусственного белка было сохранение эволюционно стабильных — «консервативных» - аминокислот гистидинов, пятичленные кольца которых крайне необходимы для удержания железа гемов в нужном пространственном положении. Те же гистидины мы видим и в других гем-белках: миоглобине, каталазе, пероксидазе и цитохромах, выполняющих функции разделения заряда и переноса электрона на большие — по молекулярным масштабам — расстояния.

Аристотель, ты не прав!

Лучший ученик Платона, получивший за то свое прозвище (от греческого «аристос» - лучший), ломал голову над тем, как происходит зарождение и развитие животных — растения живыми в то время не признавались. Он полагал, что это может происходить самопроизвольно, например, из грязи, а затем идти двумя путями.

Первый путь подразумевал исходную заложенность всего плана будущего строения тела в семени. Вторая возможность с предварительной схемой никак не была связана. Первое со временем назвали по-латыни «пре-формизм», а второе — «эпи-генез». Преформизм подразумевал невидимое формирование зародыша еще в яйце, то есть причину развития в самом живом.

«Эпи» по-гречески означает нечто «над», сверху, влияние снаружи, а эпигенез — развитие под действием условий среды. А уж как эта самая среда будет воздействовать, зависит только от нее самой, но никак не от плана строения, заложенного в яйце.

В 1694 году в Париже вышла книга Николаса Хартсоекера «Эссе о диоптриях», в которой помимо рассуждений об оптике и оптических инструментах была помещена иллюстрация, изображающая головку спермия с вполне сформировавшимся в ней зародышем ребёнка. Вполне в духе этих преформистских взглядов Лазаро Спаланцани (1729 — 1799) надевал лягушкам самые настоящие трусики, чтобы доказать, что сперма самцов является всего лишь «контаминантом» - загрязнителем, — вовсе ненужным для процесса оплодотворения. Именно отсюда пошло выражение «аб ово» - всё от яйца. Так что спор Ламарка и Дарвина о движущих силах развития возник не на пустом месте.

Сейчас мы понимаем, что правы — и одновременно не правы — были обе стороны. И сейчас людей волнует, каким образом гены проявляют себя в развитии и последующем онтогенезе. Сегодня уже никого не удивляет обнаружение одинаковых генов и белков у кишечной палочки и человека. Помнится, когда впервые учёные столкнулись с этим удивительным фактом, то было выдвинуто множество псевдообъяснений, чтобы спасти столь любимую многими идею отбора: тут были и вирусы, переносящие гены через видовой барьер, и прямое заимствование генов высших организмов клетками микромира.

Ныне всё гораздо проще. Мы понимаем, что феномен жизни существует в очень узких рамках квантовой физики. В этом плане жизнь можно сравнить со светлым окошечком видимого нашим глазом света в широчайшем спектре электромагнитных колебаний и волн.

И поэтому неудивительно, что найденное когда-то природой удачное решение той или иной квантовой задачи сохраняется затем миллиарды лет, поскольку сам квантовый мир неизменен — по крайней мере на протяжении отпущенного жизни срока. Таких примеров сейчас сотни, мы привели лишь наиболее яркий и запоминающийся, тем более, что о глобинах — гемо- и мио- — говорили такие корифеи, как Полинг и Энгельгардт.

Стремление к самоорганизации не есть имманентное свойство только лишь живых систем. Оно, как показали исследования Белоусова и Жаботинского, присуще и чисто химическим системам. В августе 1997 года «Нейчур «опубликовал статью, в которой В.Петров со своими коллегами по университету Техаса в Остине описывает трехмерные периодические изменения реакции Белоусова-Жаботинского. Добавьте сюда бактериородопсин, встроенный в искусственные мембранные пузырьки, и вы получите некое подобие жизни с периодическим изменением кислотно-щелочного режима и окраски под действием света.

А дальше введите в систему принцип дублирования, повышающий надежность ее функционирования: сначала удвойте РНК и получите ДНК, затем начинайте дублировать гены и многократно повторять функциональные структуры белка. Наделите ген регуляторной частью — и получите некодирующий белок участок контроля активности гена. Это будет почти что современный геном млекопитающего.

В Музее Востока меня каждый раз поражает умение китайских резчиков по кости, создающих уникальные, вставленные одна в другую сферы. Говоря о геноме и происхождении новых видов, представляешь себе нечто подобное этой китайской головоломке. Нечто подобное описал И.Данилевский в статье «В часы, свободные от подвигов духовных». В ней он рассказывал о «вставленности» древних сюжетов и героев сначала в Библию, а затем и в Евангелие, что потом воспроизводилось древнерусскими летописцами и сказителями.

В связи с упоминанием Священного писания вспоминается недавно прочитанная книга «Чёрный ящик Дарвина» М.Бехе, которая произвела в конце прошлого года фурор в научном мире США. Книга имеет подзаголовок «Биохимический вызов эволюции», что объяснимо, поскольку автор является профессором биохимии. Полагают, что Бехе просто камня на камне не оставил от дарвинизма в его ортодоксальном виде, так как не верит, что биологические системы создавались не по божьему промыслу, настолько они сложны.

Думается, что это тоже определенная крайность. Автору ближе взгляд Шредингера, смотревшего на жизнь глазами физика. Тем более, так уж исторически сложилось, что именно физики и химики дали биологам средства изучения молекулярного микромира. И биологи открыли с помощью этих методов и средств, что первопричина развития присуща самому живому, что есть древнейший молекулярный скелет, который затем одевается плотью и кровью, чтобы явить миру все великолепие красок и форм.

И суть развития не в отборе, а в переборе возможных на данный момент вариантов. Поэтому жизнь неоднократно поднимается в воздух, выходит на сушу и вновь возвращается в водную стихию. Она скорее похожа на демократию — и уж вовсе не на имперскую иерархию, — где меньшинство вовсе не уничтожается физически, а сохраняет шанс, чтобы потом триумфально доказать свою правоту, которую не все сразу поняли, увлекшись величием и громадностью иных форм…

Никому не дано предвидеть всё наперед. И сегодня мы являемся свидетелями нарастания вала таких новых сведений, о каких и помыслить еще недавно было невозможно. Ныне мы знаем, что такое ген, но довольно плохо себе представляем, как он функционирует. А как же можно было строить некую теорию, когда о гене вообще ничего не было известно!

Ведь теория — это нечто большее, нежели простой набор и перечисление фактов, положенных в ее основу. Подобно тому, как мы являемся чем-то большим, нежели суммарный набор наших древних и новых генов.

Игорь Лалаянц