Закон наследственности, или Что открыл Дарвин
Генетика уже попадала в центр внимания, что легко объяснимо. Все-таки открытие ДНК – это величайший триумф теории в биологии. Возможно, это одна из величайших историй успеха, так как не подтвержденная фактами теория впоследствии получила подтверждения правильности на практике, что в биологии встречается крайне редко. С другой стороны, для физики именно такая последовательность событий привычна. Например, до того как было доказано существование «черных дыр», появилась теоретическая модель – уравнение, показавшее, что «черные дыры» существуют. И «черные дыры» однажды «открыли». Как говорилось во введении, Мюррей Гелл-Манн впервые предсказал существование кварков на модели, основанной на вычислениях, а не на наблюдениях.
Такие открытия (когда абстрактная теория получает фактическое подтверждение, и теорию можно проверить) в биологии почти не встречаются. Эта наука полна догм, базирующихся на наблюдениях, а не на постулатах. Но есть одно недавнее исключение: область ДНК и генома. Гены теоретически предсказал аббат Грегор Иоганн Мендел в XIX веке, посмертно признанный «отцом генетики». Мендель, австрийский монах-августинианец и страстный садовник, разводил горох в садах аббатства св. Томаса и обратил внимание на эффекты от скрещивания различных вариантов этого растения. Обычно «отца генетики» описывают как милого пожилого человека, который, будучи заядлым садовником, каким-то образом наткнулся на важные законы науки. Во многих аспектах Мендель опережал время, действуя как биолог XXI века, по ошибке оказавшийся не в своем времени.
Систематически скрещивая горох, Мендель выявил передачу характеристик предсказуемым способом с помощью наследуемых факторов, которые позже будут названы генами. Хотя для описания его наблюдений еще не появилась терминология, Мендель продемонстрировал основы передачи характеристик следующим поколениям и влияние на характеристики индивидуума обоих родителей. Позже он показал, что гены бывают разных видов, определяющими доминантные и рецессивные признаки. Еще важнее, что Мендель доказал то, что гены в потомке не «смешиваются»; напротив, каждая генетическая характеристика определяется парой вариантов генов под названием «аллели», и что аллели разделяются в процессе создания мужского и женского пола (то есть пыльца и семяпочка в случае растений, сперматозоиды и яйцеклетки в случае животных, в том числе человека). Состав пары аллелей может отличаться в проявлениях, когда один доминирует над другим, и комбинация аллелей в следующем поколении определяется игрой случая. Пример из жизни: если голубоглазую кошку скрещивают с кареглазой, то получается сочетание голубоглазых и кареглазых потомков в зависимости от того, как смешаются аллели, и в зависимости от того, является ли кареглазый предок носителем рецессивного гена голубоглазости. Кареглазый предок может быть носителем рецессивного гена голубоглазости, но это маскируется доминантным аллелем, отвечающим за кареглазость.
Неважно, понимаете ли вы это или нет; логистика передачи генетических признаков к делу не относится. Принципы, открытые Менделем, создали основу для новой области генетики, но им не хватало «если» – обычной меры всех наблюдений и формулировок. Чарльз Дарвин, английский натуралист и геолог, работавший в то же время, когда Мендель трудился в саду, мог стать величайшим биологом XIX века и отцом эволюционной биологии. Но Дарвин не понял принципы наследования так же хорошо, как Мендель. По правде говоря, большинство идей Дарвина о механизмах наследования оказалось ошибочными.
Дарвин верил в теорию смешивания; «кровь» (наследственные черты) обоих родителей, считал он, смешивается в потомке так же, как чернила разных цветов. Но теория смешивания не применима к характеристикам с непрерывными значениями, таким как рост и вес. Если бы это было не так, то потомок в каждом поколении обладал бы более усредненными признаками, чем его предки. С течением времени мир оказался бы наполнен «средними», но этого не произошло. Из-за этой ошибки наиболее резкой критике Дарвин подвергся, когда решил опубликовать свои размышления о естественном отборе. Критики справедливо указали, что естественный отбор при смешиваемом наследовании невозможен, потому что иначе все вариации исчезли бы в процессе смешивания. Но даже под ударами критики Дарвин не нашел ответа. Он отказался от своих слов; в поздних изданиях его исторической работы «О происхождении видов» в его объяснениях прослеживаются отчаяние и злоба.
Ирония судьбы: Дарвин так близко подошел к раскрытию тайны законов наследования! Когда он начал эксперименты над львиным зевом, чтобы окончательно решить проблему, он мыслил в верном направлении. Он наблюдал, как одна характеристика в львином зеве может быть заменена на другую у потомка, отмечал генетическую доминантность признаков. Но не обобщил наблюдения так, как Мендель. Когда Дарвин экспериментировал со львиным зевом, Мендель создавал историю науки. Они, хотя и не встречались, провели почти одинаковые эксперименты и получили почти одинаковые результаты. Вклад Дарвина в объяснение основ эволюции заключался только в констатации, что потомки обычно похожи на предков. Этого оказалось достаточно для того, чтобы создать великую теорию естественного отбора и предложить идею выживания наиболее приспособленного. Дарвин вошел в историю, большинство смогло оценить его стремление к славе, то, чего был лишен Мендель.
К началу XX века все еще не знали, что именно ответственно за законы наследования. Работа Менделя была опубликована в 1866 году, но осталась незамеченной и неоцененной до конца XIX века. Потребовалось еще около века, чтобы наука смогла развиться до нужной стадии. И в 1953 году Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик описали структуру молекулы ДНК в виде двойной спирали, или винтовой лестницы. В сущности, Уотсон и Крик официально открыли ДНК. Их открытие изменило учебники и позволило понять, как выглядит «секрет жизни». Для биологии это стало событием почти религиозной важности. Внезапно появилось материальное свидетельство, объясняющее, на чем основана жизнь и как устроен человек на молекулярном уровне. Все наблюдения, сделанные такими учеными, как Мендель и Дарвин, все предполагаемые «факторы» свелись к единственной, базовой и почти всемогущей молекуле под названием «дезоксирибонуклеиновая кислота» (ДНК).
Поскольку человек стремится познать себя, к ДНК относятся с почтением. Гипотеза о существовании ДНК появилась задолго до того, как ее смогли доказать и даже спрогнозировать, что наступит день и станет понятно, что такое ДНК на самом деле; этого добились с помощью секвенирования. Когда стало понятно, как исследовать ДНК в лаборатории, то в генетике произошел прорыв. В начале 1980-х Кэри Муллис обнаружил элегантный способ изучения генов с помощью доступных инструментов, уже известных большинству биологов. В то время единственным способом проведения экспериментов с ДНК было использование правильных веществ в правильных реакциях. Проще говоря, несколько раз нагревали контейнер, содержащий образец ДНК, потом его охлаждали, затем выливали на агар-агар, пропускали электрический ток и получали данные о ДНК. Простота проведения секвенирования ДНК означала, что им займется множество ученых. Все подряд секвенировали ДНК и получали множество интересных результатов. Процесс под названием «полимеразная цепная реакция» (ПЦР), положенный в основу быстрого расширения идентификации и изучения генов, принес Муллису Нобелевскую премию по химии 1993 года.
Сегодня гены секвенируют с помощью более сложного оборудования, что позволяет делать это быстрее. Метод внес существенный вклад в зоологию, позволил понять, что с чем связано – как в примере с различием между французской и китайской кухней. Глядя на составляющие, можно выявить полное дерево семейных связей, что дало возможность получить множество исходных данных и провести ряд интересных исследований. Конечно же, люди начали изучать медицинское применение данной технологии – и получаемой информации.
Но исходные данные, получаемые с помощью секвенирования ДНК, объясняют в нас и в нашей подверженности заболеваниям только отдельные явления. Хотя в некоторых ярких случаях болезнь появляется в отсутствие основного ингредиента (как будто французский ресторан без масла), большинство заболеваний не настолько прямолинейны. Муковисцидоз, например, – это классический случай, когда проблема заключена в единственном гене, кодирующем единственный белок. Но если вы действительно хотите узнать, что происходит при большинстве болезней, то необходимо попробовать все, что покидает стены кухни. Это – протеомика.
Протеины (белки) – это конечный результат процесса, происходящего в генах. Они являются конечным результатом процесса. Некоторые болезни появляются из-за единственного гена, который кодирует опасные протеины.
Болезнь Хантингтона, которая убила легендарного автора и исполнителя песен Вуди Гатри, является другим примером заболевания, проявляющгося из-за дисфункции одного гена, который синтезируют конкретные белки, провоцирующие начало болезни. Теперь следует несколько расширить аналогию с рестораном, так как протеины – это не только еда. Как указано выше, они – процесс. Они – слова разговора, ведущегося на кухне. В человеческом теле содержится много чего интересного, но еще интереснее процессы его построения, поддержания и модификации. Процесс является результатом взаимодействия как внутри клеток, так и между клетками во всех частях организма. Что же эти клетки говорят друг другу? Протеомика изучает эти разговоры, а «отдельным словом» является протеин. Другими словами, протеомика подслушивает постоянный разговор, который в любой момент происходит в организме.
