Помоги проекту - поделись книгой:
Фрэнк Райан
Виролюция
Посвящается Терри Йетсу, чья доброжелательность, способность вдохновить и щедрая помощь помогли ступить на дорогу, изменившую мою жизнь
Благодарности
Без поддержки Майлса Арчибальда, моих редакторов в издательстве «Коллинз» и моего агента Джонни Пегга эта книга не увидела бы свет. Им моя непреходящая благодарность. Джулия Коппиц была воистину благословением для меня, взяв на себя редактирование и подготовку к печати. Я в невозвратном долгу у многих ученых, самоотверженно помогавших мне в нелегком труде, а в особенности у Луиса П. Вильярреала и Линн Маргулис, в тогдашней фазе моей жизни ставших без малого моими наставниками. Среди прочих следует упомянуть Терри Йетса, Мэрилин Руссинк, Лорен Ризберг, Яна Сапа, Массимо Палмарини, Макса Эссекса, Эрика Ларрсена, Джошуа Ледерберга, Маурисио Линареса, Оливера Кваррелла, Дугласа Зука, Рэйчел Тарлингтон, Еву Яблонску, Мэрион Дж. Лэмб, Робина Холлидея, Джеймса В. Трумана, Линн М. Риддифорт, Экарда Уиммера, Соррадо Спадафора, Барбару К. Мэйбл, Джерри Вильсона, Энди Бэннистера, Роджера Батлина, Клауса Ремера, Клеменс Рупрехт, Солин Мак-Иннес, Клаудию Бандеа, Майкла Сивайнена, Хью Дикинсона, Роберта Грант-Даунтона, Дональда Уильямсона, Беатрис Ланцрайн, Алана Дж. Чока, Энди Баннистера, Сиднея Пирса и Мэри Е. Румфо. Они так или иначе просвещали меня, беседовали со мной, спорили и даже не соглашались, прибавляя мне опыта и знаний. Увы, я не могу в должной мере поблагодарить всех, кто помогал в течение долгих лет моего причудливого, извилистого и не всегда однозначного пути к познанию, но я хотел бы выразить свою необыкновенную признательность. Если поразмыслить, ведь это удивительная честь и привилегия — принадлежать к небольшой группке любопытствующих, ищущих — пусть мучительно и трудоемко — истину о нашем удивительном мире. Эти люди и их любопытство, по сути, и есть наука — и я горжусь тем, что принадлежу к их числу. Список моих благодарностей был бы ущербным и плачевно неполным без выражения признательности редко упоминаемым, но в высшей степени влиятельным коллегам — редакторам научных журналов, кто тем или иным образом способствовали публикации моих эволюционных идей, открывая их для профессионального обсуждения и оценки. Среди них я хочу особо выделить Дугласа Зука, Робина Фокса, Дэвида Катлера, Джона Аллена, Дэвида Ричардсона, Джона Сритера и Камрана Аббаси.
Наука не имеет отечества, она — свет, озаряющий мир.
Как и наука, вирусы не имеют отечества. Ничто не может задержать их на границах государств или часовых поясов.
Относительно малое число ученых занято исследованием вирусов… их жизнеустройства и способа действия, и эти ученые куда лучше осознают… эволюцию нашего с ними симбиотического существования.
Введение. Ветер перемен
Уверен: наши взгляды на эволюцию были бы совершенны иными, если бы биологи изучали генетику и естественный отбор после того, как убедились в справедливости дарвиновской теории, а не до того — как большинство биологов сейчас.
В первых строках своей знаменитой книги «Восхождение человека» Джейкоб Броновски заявляет: «Человек — существо удивительное и выдающееся. Способности его уникальны и несравненны, никакое иное животное не сравнится с ним». Несомненно, первым побуждением всех, кто не против поставить человека в один ряд с животными, будет горячее одобрение этих слов. Конечно же, мы, люди, — уникальны. Мы уникальны в осознании нашего существования. Мы настолько превосходим разумом животных, обитающих на одной земле с нами, что смогли перестроить самую эту землю, создавая рукотворные пейзажи. Но значит ли подобное интеллектуальное превосходство глубокое биологическое отличие? Быть может, эволюционно нас следует отделить от всех прочих форм жизни? Быть может, эволюция, определившая суть нашего естества, протекала совершенно иначе, чем у других?
Когда двенадцатого февраля 2001 года две конкурирующие группы одновременно объявили о завершении полного анализа человеческого генома, все ожидали подтверждения человеческой уникальности. Впервые в истории на всеобщее обозрение выставлен подробный анализ наших генов, всех сорока шести хромосом, определяющих человеческое существо!
Увы, с подтверждением уникальности получилось не очень. Однако результаты были воистину замечательными.
Первой удивительной особенностью оказалась сравнительная малочисленность наших генов — всего-то близ двадцати тысяч. Ожидалось, что сложное человеческое устройство потребует, как минимум, сотню тысяч или больше. Для сравнения заметим: оказалось, у нас всего лишь в десять раз больше генов, чем у бактерии, на треть больше, чем у мухи дрозофилы, и почти столько же, как у червя нематоды. Выходит, количественно величина нашей генной памяти такого же порядка, как и у этих скромных малоразмерных жизненных форм. Однако наш геном гораздо более сложным и изощренным способом кодирует процесс производства белков, и тем же количеством генов, что и у дрозофилы, мы можем записать гораздо большее количество разных белков.
Главнейшей же находкой была демонстрация нашей общности, общего происхождения с прочими формами земной жизни. Например, у нас с дрозофилой 2758 общих генов и 2031 общих генов с червем нематодой. А вся троица — человек, муха и червяк — имеет целых 1523 общих гена!
И хотя некоторых читателей, несомненно, огорчит это известие, Дарвин бы обрадовался — ведь такая общность возникла не случайно. Нам уже хорошо известна чрезвычайная точность генетического анализа в криминалистике — даже малая толика доступного биоматериала позволяет доказать причастность определенного — и никакого другого — человека к преступлению. 1523 общих гена — более чем убедительное свидетельство, и я даже не возьмусь подсчитывать шансы на случайное совпадение подобного числа генов (сколь ничтожная доля процента там будет — миллиардная или триллиардная). Это говорит нам, насколько важна эволюционная биология, — возможно, она важнее всех наук, да и прочих человеческих занятий тоже. Ведь она одна пытается посредством экспериментов и логики понять происхождение жизни, от ее самых зачатков в ужасных и неподходящих условиях новорожденной планеты до прекрасной, завлекающей пышности и разнообразия, окружающего нас сейчас на плодородной голубой Земле.
Во Вселенной есть и другие великие тайны — и среди звезд и галактик, и в равно удивительном мире элементарных частиц, — но никакая другая наука не берется объяснить, как произошли мы, преобразователи земли и открыватели наук. Искренне верующие не согласятся, приписывая наше происхождение всемогущему создателю, но эта точка зрения рождена не наукой, а верой. На мой взгляд, религия и наука попросту расходятся в системе основополагающих верований, и потому сопоставление их воззрений едва ли продуктивно. Но хочу заострить внимание на моменте, представляющемся мне в особенности важным. Креационисты — включая сторонников теории «разумного творения» — объявляют эволюцию всего лишь теорией, основанной на предположении Дарвина о естественном отборе. А значит, реальность эволюции, по их мнению, в полной мере доказать не удастся никогда — ведь теория есть логическая конструкция, к ней можно привязывать факты, а можно и не привязывать. Эволюция, по их мнению, — лишь одно из возможных объяснений. Подобные взгляды господствуют среди креационистов несмотря на то, что уже полтора века ученые непрестанно подвергают гипотезу о естественном отборе все новым и новым кропотливейшим проверкам — и всякий раз она с торжеством их проходит. Но я уверен: в горниле подобных испытаний и дебатов вырисовывается новая перспектива, глубже и шире прежней. Эволюционная биология претерпевает кардинальные изменения, и ветер перемен способен принести неоспоримые доказательства эволюционной теории.
Эволюционная теория оказала глубокое влияние на умы. Многое написано о том, как она повлияла буквально на все проявления человеческой мысли и жизни. Например, выдающийся французский биолог Жак Моно, получивший вместе со своим соотечественником Франсуа Жакобом Нобелевскую премию за изучение производства живыми клетками закодированных геномом белков, весьма характерно выразился в своей книге «Случай и необходимость»: «Даже сегодня многие выдающиеся умы не в силах принять или хотя бы понять, что естественный отбор мог из бесформенного шума создать безо всякой помощи всю музыку биосфер». Книга Моно увидела свет в 1970 году — по иронии судьбы, одновременно с первой публикацией воистину пионерских взглядов Линн Маргулис на критическую важность симбиоза в эволюции клеток, обладающих ядром, и работы Сусуми Оно о роли генной и геномной дупликации в происхождении животных и растений.
Признаюсь: я поклонник Моно и высоко ценю его вклад в биологию. Но эволюционные его взгляды были строго редукционистскими и селекционерскими. Как большинство его современников, он полагал: эволюция происходит посредством естественного отбора результатов единственного источника генетических изменений — мутации. Поскольку мутация дает, в сущности, случайный результат, Моно даже употреблял для описания ее роли термин «неинформативность». В приведенной выше цитате под «шумом» понимались именно такие случайные генетические изменения, сравнимые со случайным шумом радио. И лишь когда бессмысленные статические помехи — случайные мутации — попадают в жернова естественного отбора — возникает «музыка». Очень сомневаюсь, что кому-либо удалось лучше передать дух тогдашнего (да и нынешнего) дарвинизма.
Схема «случайные мутации — отбор» кажется весьма привлекательной. Более того, она легко укладывается в математическое модели, позволяя с прекрасной точностью описывать вероятность выживания и динамику популяции. Разве такая модель может оказаться неверной?
В общем-то, она и не оказалась неверной — но она всего лишь часть большого и весьма нетривиального целого. В этой книге я обрисую картину эволюции, весьма отличающуюся от простой схемы «неинформативный шум — отбор». Центральное утверждение этой книги следующее: случайные мутации — столь блестяще концептуализированные великим Моно — далеко не единственный источник генной и даже геномной изменчивости. В этой книге я намерен продемонстрировать и доказать со строго научной точки зрения, что один-естественный отбор не мог дать начало жизни и породить ее существующее разнообразие. Наряду с ним действовал ряд факторов, каждый из которых — важный источник наследуемых генетических изменений. Без этих факторов естественный отбор не привел бы к положительному результату. Великие эволюционные силы, такие, как симбиоз и гибридизация, принципиально важны для возникновения видового разнообразия. Именно знания о них так отчаянно не хватало Дарвину. Эти силы весьма отличаются от «случайного шума» и куда плодотворнее его. Они приносят в объединенный геном новые комбинации работающих, функциональных генов, они создают новые геномы с лучшим потенциалом выживания. Наше понимание этих сил эволюции сильно продвинулось за последнюю пару десятилетий, и теперь мы видим: они играли и играют не менее важную роль в эволюции, чем естественный отбор, необходимым образом его дополняя. Но исследования по симбиозу и гибридизации никогда ранее не выставлялись на широкую публику, не приобрели известности. В этой книге я продемонстрирую: эти силы — не просто теория, но научно подтвержденный факт. Роль их может быть воспроизводимо доказана с куда большей определенностью, чем криминалист может заключить о принадлежности ДНК по найденному биоматериалу.
Наиболее удивительным в области эволюционных исследований является новый взгляд на человеческую эволюцию, оказавшуюся тайной куда загадочнее и страннее, чем кто-либо мог предположить еще десятилетие назад. Более того, новый взгляд на эволюцию имеет большое практическое значение — не только из-за возможности понять глубже и полнее наше происхождение, но и из-за того, что он может предоставить более глубокое понимание эмбрионального развития человека, его физиологии, генетики и химии метаболизма. Для меня как физиолога и эволюционного биолога этот новый взгляд представляет огромный интерес, сводя в единое целое многие направления исследований, занимавших меня долгие годы. Современная медицина все более нуждается в понимании процессов, происходящих на молекулярном уровне, — ведь это необходимо для полноценного развития и применения генной терапии. Медикам нужно знать, как работают наши гены, как процессы происходят в клеточном ядре, как ведут себя хромосомы в отдельности и та совокупная цельность, какую мы зовем «человеческим геномом». А чтобы это знать, надо разобраться в процессах, приведших к появлению клетки и генома. Постичь это мы сможем, лишь разгадав от и до великую тайну человеческой эволюции.
Представляя книгу «Виролюция», я приглашаю вас, читатель, отправиться со мною в необычное путешествие. Я приглашаю вас заглянуть в самую суть генетических и геномных процессов, приведших к появлению человеческого генома. Для меня, врача и биолога-эволюциониста, было большой радостью открыть в этом путешествии много важного для медицины, найти новые идеи о том, как именно гены обуславливают возникновение многих распространенных и нелегких заболеваний: рака, множественного склероза, аутоиммунных заболеваний и даже душевных расстройств, таких, как шизофрения. Для меня тут есть и еще кое-что: поначалу я как врач заинтересовался — причем довольно-таки въедливо — природой заразных болезней. Благодаря помощи знающих и опытных коллег этот интерес из любительского перерос в научный, дал начало новым исследованиям — и появлению у меня новых важных идей. Надеюсь, вам понравится история о том, как же именно это произошло, и новые идеи покажутся вам столь же вдохновляющими и расширяющими кругозор и понимание, как и мне.
Добро пожаловать в путешествие! Возможно, местами оно покажется вам странноватым, а иногда и попросту пугающим, но уверяю вас: в конце концов вы будете впечатлены и захвачены удивительной картиной могучих сил, сотворивших нас и по сей день активно работающих в нас, продолжая эволюцию человечества как биологического вида.
1. Загадка из мира заразных болезней
Можно научиться хорошему и у врага.
Elysia chlorotica — очень красивый листовидный морской слизень, обитающий в соленых болотах восточного побережья Соединенных Штатов от Новой Шотландии на далеком севере до теплой Флориды на юге. Как и гласит латинское название, слизень этот полупрозрачен, чудесного изумрудно-зеленого цвета, а плавает он, элегантно взмахивая отороченными золотом юбками — разросшимися ажурными краями ноги. Цвет его — знак глубокой тайны, ибо слизень Elysia — существо удивительное, одно из «животных-растений», как их удачно назвал английский ботаник Фредерик Кибл в конце девятнадцатого столетия[1]. Эти создания соединяют в себе черты растений и животных. Но таинственность Elysia этим далеко не исчерпывается, ибо его существование кроет в себе загадку очень непростую, и ответ на нее, хотя и чрезвычайно познавательный, — ужасающ. Чтобы понять, в чем дело, рассмотрим сперва чрезвычайно любопытный жизненный цикл Elysia в прибрежных болотах.
Жизнь червя-гермафродита начинается, когда первое тепло весны пробуждает его от зимней спячки. Тогда слизень откладывает яйца в стоячую воду, и через неделю или около того из яиц выходят личинки. Следующие несколько недель личинки проводят, плавая туда и сюда в слоях планктона в поисках зеленых отростков единственного вида водорослей — Vaucheria litorea. Найдя, накрепко к нему прицепляются и завершают метаморфоз, превращаясь в крохотных слизней. Едва родившись, те начинают питаться, проедают оболочку водоросли и высасывают содержимое ее клеток. Vaucheria litorea — зеленая водоросль, полная — как, например, листья деревьев — крохотных округлых органелл, известных как «хлоропласты». Они поглощают солнечную энергию и в процессе фотосинтеза, фундаментально важном для земной жизни, превращают ее в энергию химическую. Ее же можно запасать впрок — и ею же, запасенной, питаются растительноядные животные. В сущности, все живое, окружающее нас, зависит от фотосинтеза и неразрывно с ним связано. Без фотосинтеза наш мир выглядел бы совсем по-другому. Не было бы кислорода в атмосфере, деревьев, цветов, не плавали бы рыбы в морях, не существовало бы ни птиц, ни зверей, ни человека.
Фотосинтез впервые произошел, должно быть, около трех миллиардов лет назад, когда на нашей молодой и чрезвычайно беспокойной планете появились первые бактерии, названные теперь за сине-зеленую окраску «цианобактериями». Спустя много лет эти пионеры фотосинтеза посредством эволюционного процесса синтеза инкорпорировались в ранние ядерно-клеточные (эукариотические) формы жизни, ранее называвшиеся «протозоа», но теперь получившие наименование «протистов», — это предки зеленых водорослей и растений. Впрочем, сами первопредки-цианобактерии никуда не подевались, они и сейчас живут и здравствуют в областях океана, где встречается планктон. А их наидревнейшие формы, хотя и подсократившись геномом, все так же живут в клетках водорослей и наземных растений в виде крошечных внутриклеточных включений — хлоропластов. Хищничество Elysia как раз и направлено на них — он умудряется отделять хлоропласты от прочего содержимого клеток водоросли и внедряет их в особые клетки, выстилающие внутренность кишечника. Вскоре эти клетки разрастаются, запускают крошечные отростки во все части тела растущего слизня, и драгоценные хлоропласты концентрируются сплошным равномерным слоем прямо под кожей. Когда формирование этого слоя заканчивается, до конца жизни слизень больше не пользуется ртом, получая всю необходимую для жизни энергию от внедренных хлоропластов — мириадов чудесных зеленых огоньков под кожей слизня, расцветивших ее изумрудным цветом.
Но этим далеко не исчерпываются тайны удивительного Elysia. Ведь поглощенные хлоропласты для преобразования солнечной энергии в химическую нуждаются в постоянном притоке протеинов, которые производят ядра клеток водоросли. Но теперь хлоропласты — в слизне, и как же они выживают целых девять месяцев жизненного цикла взрослого слизня?
Оказывается, в ходе эволюции Elysia chlorotica нужные для производства протеинов гены были перенесены из ядра клеток водоросли в ядро клеток слизня[2].
В этой природной генной инженерии еще многое остается непонятным, но все более умножаются и усиливаются свидетельства в пользу того, что за перенос ответственны вирусы, населяющие ткани слизня и ядра его клеток. Этим вирусам присуща интересная особенность: они содержат особое соединение, энзим обратную транскриптазу, и обычно это говорит о том, что перед нами так называемые ретровирусы. В последующих главах я еще немало расскажу про эти чрезвычайно интересные создания, ретровирусы, но в данный момент нам достаточно знать лишь то, что энзим обратная транскриптаза позволяет вирусу залезть в клеточное ядро. Подробности того, как именно вирусам удалось породнить столь разные царства живого — растительное и животное — в морском слизне, не понятны до сих пор. Обитающие в слизне ретровирусы весьма архаичны, изучены не слишком хорошо, хотя известно: они концентрируются в ядрах клеток слизня, а оттуда вполне безобидно и безопасно путешествуют по внутренним органам и тканям, включая и захваченные хлоропласты.
Но и этим загадки слизня не исчерпываются. Финальная его тайна полна драматизма. В конце жизненного цикла, когда слизни пробуждаются от спячки и откладывают яйца, ретровирус активизируется. Вскоре после кладки взрослые слизни заболевают и гибнут — прежде безобидные ретровирусы буйно размножаются, поражая все органы и ткани. И это не случайное совпадение: в каждом без исключения завершающем жизненный цикл слизне были обнаружены интенсивно размножившиеся ретровирусы, а патологические изменения в тканях прямо указывали на вирусную атаку. И эти болезнетворные вирусы не могли прийти извне, из моря — в аквариумах с искусственной морской водой заболевание развивается так же. Потому трудно не прийти к заключению: убивают слизня его личные персональные ретровирусы, благодаря которым он и может существовать — ведь именно эти странные вирусы перенесли гены хлоропластов из водорослей и тем самым дали слизню возможность питаться солнечной энергией. Если оно и в самом деле так, то перед нами запрограммированное природой уничтожение всех взрослых особей вида. Вирусы, сделавшие возможным без малого идиллическое существование носителя, внезапно переключаются в летальный режим, истребляя уже бесполезное после откладки яиц прежнее поколение.
Если роль вируса в жизненном цикле Elysia chlorotica мы оценили правильно, то перед нами весьма яркая иллюстрация мощного эволюционного механизма, известного как «агрессивный симбиоз». Ведомый случайными и не вполне безопасными обстоятельствами, я предложил концепцию «агрессивного симбиоза» много лет назад — и едва ли мог представить, насколько большое значение эта концепция сыграет в будущих моих исследованиях и карьере.
В понедельник 25 июля 1994 года мне случилось беседовать с Терии Йетсом, профессором биологии млекопитающих в Университете Нью-Мексико. Он рассказывал мне, как столкнулся с новым заболеванием, обнаруженным в Нью-Мексико в мае 1993-го. Эта распространившая по всей Америке болезнь ко времени нашей беседы убивала половину заразившихся ею. Йетс вел меня по просторному, похожему на огромную пещеру залу Музея биологии Юго-Запада США, и со стен его на меня смотрели роскошно рогатые головы аляскинских баранов и африканских антилоп. Пол был сплошь заставлен столами, в чьих ящиках покоились ряды за рядами крошечные тела, десятки тысяч их: летучих мышей с расправленными крыльями, грызунов — и все заботливо, аккуратно приготовлено, все расправлено — от вибрисс до хвостов. Коллекция не только велика количественно — она еще и упорядочена по времени, с самого своего начала в 1880-х, когда натуралисты двинулись на запад вместе с железной дорогой. И ключ к разгадке появления болезни лежал как раз там, среди бесчисленных рядов аккуратно пронумерованных трупов.
О появлении новой болезни стало известно 14 мая 1993 года. По дороге среди иссохшей пустыни Нью-Мексико мчалась «скорая помощь», торопясь в госпиталь Службы охраны здоровья индейцев в Гэллапе. Персонал «неотложки» заранее связался с госпиталем, так что, когда машина развернулась, подъехав задом к дверям приемного покоя, экстренная команда медиков под руководством доктора Брюса Темпеста уже поджидала у двери. Пациент — молодой навахо — был в мгновение ока вынесен из машины, уложен на каталку и доставлен в отделение экстренной помощи, где его грудную клетку просветили рентгеном, одновременно проводя кардиопульмонарное восстановление жизненных функций. Рентгенограмма оказалась странной: обычно почти прозрачные в рентгеновском диапазоне легкие оказались матово-белыми. Некий патологический процесс привел к затоплению полостей в легких, вытеснив воздух, — по сути, пациент утопал в физиологических выделениях собственного тела. Попытка восстановления жизненных функций оказалась безуспешной, пациент умер прямо во время процедур.
Так трагично заявила о себе новая болезнь, распространившаяся в «четырехугольных» штатах Юго-Запада США: Нью-Мексико, Аризоны, Юты и Колорадо. Хотя проявилась она на территории племени навахо, вскоре ее отметили и на территориях других штатов, населенных другими народностями. Болезнь распространилась по всей территории США, но ее эпицентром так и остались пустыни Нью-Мексико и Аризона. Местное население было в панике: здоровые молодые люди в хорошей физической форме, заразившись, гибли всего лишь за сутки — легкие их были полностью затоплены. Когда я впервые приехал в Нью-Мексико, эпидемия еще была в разгаре и все отделение интенсивной терапии Университетского госпиталя в Альбукерке занималось исключительно новыми случаями этого заболевания. Благодаря напряженным исследованиям и разработке эффективной методики медицинским персоналом многих больниц во многих городах летальность заболевания понизилась с начальных семидесяти процентов почти до пятидесяти. Я приехал в Нью-Мексико как раз за тем, чтобы изучать новые, впервые проявившиеся болезни, в особенности болезни вирусного происхождения, такие, как «Эбола» и ВИЧ-1 — это было необходимо для моей новой книги, «Вирус-Х»[3]. Возникновение новой всеамериканской эпидемии дало мне редкую возможность увидеть во всех подробностях, как реагируют наука, медицина и система здравоохранения на возникшую эпидемию. Я застал работу по определению наилучшей терапии и исследованию болезни в полном разгаре, и я чрезвычайно благодарен моим очень занятым и самоотверженным коллегам, позволившим мне присутствовать на консилиумах и при научных экспериментах.
Я уже знал: ученые отделения изучения патогенов Центра по контролю и профилактике заболеваний США в Атланте — знаменитые на весь мир знатоки инфекций — уже обнаружили, что эпидемия в «четырехугольных» штатах вызвана доселе неизвестным вирусом. У меня появилась возможность увидеть своими глазами, откуда произошел новый вирус, почему так агрессивно ведет себя при встрече с новыми хозяевами-людьми. В Альбукерке мне было позволено наблюдать за работой врачей Университетского госпиталя, борющихся за жизнь инфицированных. Врачи оказали мне неоценимую любезность, разрешив беседовать с жертвами болезни, их родственниками. Я смог представить весь ужас встречи человека с неизвестной смертоносной болезнью, узнать переживания зараженных. Я побывал в Атланте, где понаблюдал за работой вирусологов и генетиков Центра по контролю и профилактике заболеваний. Именно они впервые поняли, что имеют дело с новым вирусом, представителем рода хантавирусов, и распознали его всего лишь через тринадцать дней после обнаружения болезни, используя технику молекулярного анализа. Вирусу дали имя «Sin Nombre» — то бишь безымянный. Я присутствовал на сетевой дискуссии между эпидемиологами и вирусологами центра, с одной стороны, и исследователями-медиками и интернами госпиталя в Альбукерке, с другой. Смотрел с любопытством на полученное под электронным микроскопом изображение нового хантавируса, выглядевшего так невинно — будто комочек хлопка.
Я почти завершил сбор материала по исследованию эпидемии «Sin Nombre», когда, побеседовав со множеством занимавшихся этим ученых, решил вернуться в Альбукерке и поговорить с Терри Йетсом. Я полагал: это интервью будет рядовым, одним из множества — я ведь просто хотел составить впечатление о биологах, открывших, что вирус разносится животными. Я уже знал: убийственный для людей вирус разносил обычнейший американский грызун, скромная оленья мышь — заокеанская родственница европейской полевки.
Профессор Йетс занимал пост директора важного биологического заказника «Севилетта» в Нью-Мексико, где биологи осуществляют одну из самых на сегодняшний день детальных и объемных программ эколологического мониторинга. Именно оттуда и происходит большая часть собранных в коллекции музея млекопитающих. Йетс — всемирно известный специалист по эволюции млекопитающих. В отличие от большинства биологов, он не стал концентрировать внимание и исследовательские усилия на одном виде или роде млекопитающих. Его заинтересовали эволюционная систематика и процессы, приведшие к возникновению видового разнообразия и ведущие к дальнейшей эволюции и возникновению новых видов. Вспышка вызванной хантавирусом «Sin Nombre» эпидемии буквально на заднем дворе Йетса добавила новый, непредвиденный практический смысл его изысканиям, проводившимся уже десятилетия. Йетс и его коллеги не только сумели найти хантавирус в живых мышах, но и смогли извлечь генетический материал вируса из огромной коллекции мышиных тел, хранящейся в музее, и тем самым установить важные черты эволюции вируса. Я спросил, а с какой целью исследовались тела из коллекции.
Йетс ответил: «Нас интересует потенциал совместной эволюции хантавируса с его носителем — ведь оба эволюционируют параллельно».
Его слова удивили меня — ведь, подобно большинству медиков, я считал вирусы всего лишь паразитами. Меня учили современному дарвинизму как части базового набора биологических знаний, лежащих в основе нынешней медицины. Заметим: немало людей, не занимавшихся биологией, путают вирусы с бактериями, хотя организмы эти сильно различаются. Большинство вирусов — намного меньше бактерий. Вирусы настолько малы, что под обычным световым микроскопом их и не разглядеть. Обнаружить и увидеть их можно, лишь используя достаточно изощренные методы: иммунологические пробы, молекулярную химию либо огромную увеличительную силу электронного микроскопа. По устройству генома вирусы также сильно отличаются от бактерий. Их ДНК упакованы, как и наши, в цепочки, в то время как ДНК бактерий упакованы в тороидальную структуру. Вирусы — абсолютные чемпионы по эволюции посредством мутаций. Они мутируют с поразительной скоростью — в тысячи раз быстрее бактерий, а те мутируют в тысячи раз быстрее нас. Мутации с такой скоростью медикам очень важно принимать во внимание, поскольку именно посредством мутаций вирусы и бактерии становятся устойчивыми к лекарствам. Именно в феноменальной стремительности мутаций ВИЧ-1 и палочки Коха состоит проблема лечения СПИДа и туберкулеза. Пациенту нужно прописывать целый набор различных лекарственных препаратов, чтобы бороться со стремительно изменяющимися вирусами и бактериями.
Из разговора с Терри Йетсом я узнал: много видов грызунов по всему миру являются носителями хантавирусов. Самый первый из открытых хантавирусов был найден в Корее, близ реки Хантаан. Именем этой реки был назван и род вирусов, и вызываемая первым из найденных хантавирусов болезнь: хантаанская лихорадка. Потому, когда Йетс заговорил об эволюционных аспектах хантавирусов, я подумал: он имеет в виду мутации. Тогда я ничего не знал про коэволюцию — параллельную эволюцию вируса и его носителя — и нисколько не сомневался в традиционных эволюционных и медицинских представлениях. Я спросил Йетса:
— А что такое, по-вашему, вирус?
— Хороший вопрос. Некоторые считают вирусы неживыми — с этим я, конечно же, не согласен. Но для меня важно не то, «живые» вирусы или нет, а вопрос о применимости биологического понятия «вида» к вирусам. Можно ли говорить о видах вирусов в таком же смысле, в каком говорим о видах млекопитающих? Вообще говоря, я лишь недавно заинтересовался вирусами, интерес мой почти случаен и возник из-за моей работы с млекопитающими. Ведь почему-то именно млекопитающие — главный природный резервуар вирусов. Так что для меня вопрос определения понятия «вида» для вирусов неразрывно связан с их параллельным, взаимообусловленным развитием с носителями вируса. Думаю, у вирусов своя генеалогия, отражающая их историю и эволюционную траекторию. Анализируя эту эволюцию, изучая ветвления генеалогического древа, можно определять группы вирусов, принадлежащие к одной эволюционной ветви. И если посмотреть на хантавирусы, эволюционный анализ показывает весьма сильную корреляцию между генеалогическими древами млекопитающего-носителя и его вируса.
Признаюсь, я не очень понял моего собеседника, поскольку привык думать о вирусах совершенно иначе — что было, как теперь понимаю (а тогда уже я начинал подозревать), неправильно и с медицинской, и с эволюционной точки зрения.
— Когда вы говорите об изучении вирусов, то имеете в виду изучение его генома? — спросил я.
Здесь мне следует объяснить для читателей, не имеющих биологического образования: геном — это совокупность всех генов живого существа. У всех живых существ, за исключением вирусов, геном закодирован последовательностью ДНК, геном же вирусов — хантавирусов, например — может кодироваться и молекулами РНК.
— Да, изучение генома, — подтвердил Йетс, — а также любых других его свойств, позволяющих пролить свет на его эволюцию. Вирус — до крайности простой организм. Например, для хантавирусов достаточно проанализировать последовательности аминокислот в РНК, чтобы понять, где место этого вируса на генеалогическом древе. А такой анализ, к счастью, можно проделать с высокой точностью.
— Вы, наверное, изучаете вирус начиная с того времени, как он был обнаружен? Или у вас есть способ узнать, каким вирус был в прошлом?
— Это вопрос непростой. Мы используем методологию, называемую «кладистикой». В общих чертах это филогенетический анализ (анализ генеалогического древа) различных линий вирусов.
— А вирусы эти вы наблюдаете в различных видах животных?
— Не совсем. Я имею в виду анализ изменений, произошедших за огромные промежутки времени. Мы преуспели в извлечении образцов ДНК из наших замороженных образцов и неплохо справляемся с извлечением ДНК из окаменелостей. Исследователи сумели извлечь ДНК из окаменелых растений миоцена — то бишь из растений древностью в тридцать миллионов лет. Для проведения филогенетического анализа нужно взять последовательность ДНК из хантавируса, носимого оленьей мышью из «четырехугольных» штатов, и сравнить с аналогичными последовательностями других видов вирусов, встречающихся на параллельных генеалогических ветвях вирусов и грызунов-носителей. В результате можно заглянуть в прошлое нашего вируса, проследить его эволюцию, сравнить с другими эволюционными линиями, ответвившимися ранее от интересующей нас линии.
Постепенно я начинал понимать, о чем именно говорит Йетс — и какие выводы можно сделать из его утверждений.
— То есть вы считаете связь между вирусом и его носителем чрезвычайно важной и существенной?
— Именно. К примеру, можно взять вирусы плацентарных млекопитающих и сравнить их последовательности с последовательностями вирусов сумчатых млекопитающих и яйцекладущих — они ведь архаичнее плацентарных.
— Как я понимаю, эти вирусы сходны, но это все же разные вирусы, и, поскольку где-то в прошлом животные имели общего предка, вы полагаете, что и вирусы имели общего предка?
— Конечно!
И вот здесь мне пришла в голову удивительная идея. Полагаясь на свои познания в биологии, и эволюционной биологии в особенности, я привык думать, что вирусологи рассматривают эволюцию вирусов, в общем-то, так же, как и я. А именно: вирусы эволюционируют неизмеримо быстрее млекопитающих и, значит, вирус в мгновение ока — если сопоставить со временем эволюции млекопитающих — приспосабливается к новому хозяину. И тем не менее я задал вопрос:
— А что, если вирус и его носитель-млекопитающее влияют на эволюцию друг друга? Что, если одно эволюционное древо тесно переплетается с другим на всем протяжении — огромном протяжении — эволюционного процесса?
Я провел куда больше времени, чем предполагал, в гостях у профессора Йетса. Я получил возможность изучить его работы, тщательно обдумать его идеи. Йетс не смог дать определенный ответ на мой вопрос, но заметил, что и в самом деле вирусы и их носители следуют очень близкими коэволюционными траекториями.
Высказанные им идеи заставили меня всмотреться пристальнее в специфику взаимоотношений вирусов и их носителей. Я беседовал со многими биологами, и в особенности с вирусологами, я пересмотрел множество источников. И насколько я мог видеть, никому не приходила в голову идея о взаимном влиянии вируса и его носителя на эволюции друг друга. Я понимал: если эта догадка найдет подтверждение на практике, если станет доказанным фактом — то это откроет совершенно новые горизонты. Моя случайная находка была как раз тем, на что каждый ученый надеется натолкнуться, проводя исследования, тем, что заставляет напряженно задуматься и даже поставить под сомнение истины, вынесенные со студенческой скамьи.
Давайте же зададимся вопросом: что такое вирус?
Биологи дадут вам очень разные ответы. Некоторые попросту процитируют выдающегося иммунолога и писателя сэра Питера Медавара, лауреата Нобелевской премии за работы по изучению пересадки тканей, — он шутливо назвал вирус скверной новостью, прикрытой белками. Но это определение, хотя и остроумное, весьма мало добавляет к пониманию природы вируса. Молекулярные биологи и генетики предпочтут рассматривать вирус скорее с химической точки зрения, а эволюционисты и до недавнего времени симбиологи склонны рассматривать вирусы просто как средства «горизонтального переноса генов» между разными видами. Мы уже видели поразительный пример слизня Elysia chlorotica, чей странный ретровирус делает возможным «горизонтальный» перенос генов из царства растений в царство животных, от водоросли к слизню. Любопытный взгляд на вирус сформулировал Эккарт Уиммер, профессор факультета молекулярной генетики и микробиологии университета Стони-Брук, Нью-Йорк, ставший знаменитым благодаря реконструкции в 2002 году вируса полиомиелита буквально из подручных лабораторных материалов[4]. Эксперимент этот вызвал большой интерес, хотя и не совсем здоровый. Уиммер с соавторами не просто воспроизвели вирус — они, основываясь на своем результате, сделали ряд заявлений весьма глубокого философского характера. Они утверждали: если известны формулы, описывающие геном вируса, вирус можно воспроизвести. Они даже привели эмпирическую формулу вируса полиомиелита:
C332, 652H492, 388N98, 245О131, 196P7, 501S2, 340
Странно думать, что живой организм, пусть и чрезвычайно маленький, можно свести всего лишь к перечню атомов. Тут уместно вспомнить известного французского натуралиста Жана Анри Фабра, названного «поэтом энтомологии», человека доброго, очень уважавшего Дарвина как личность и как ученого, но не принимавшего дарвиновские взгляды. В восьмой главе своего труда «Осы-охотники: продолжение» Фабр описал «скверный и, по-видимому, напрасный» эксперимент по скармливанию осам, питающимся гусеницами, «пригоршни пауков». Здесь нет нужды описывать эксперимент в деталях, достаточно привести заключение Фабра, приведшее к отрицанию им эволюции. Цитирую: «Конечно, это великое предприятие, вполне соответствующее непомерным человеческим амбициям, — пытаться втиснуть мир в тесный шаблон формул. Но… короче говоря, я скорее поверю, что эволюционная теория не способна объяснить пищевые предпочтения ос».
Да, при некоторых обстоятельствах вирусы ведут себя просто как инертные мертвые вещества. Я и сам когда-то провел эксперименты, это весьма наглядно продемонстрировавшие. В бытность студентом Шеффилдского университета я заинтересовался тем, как именно иммунная система млекопитающих реагирует на вирусную атаку. Проникновение столь чуждых организмов в нашу кровеносную систему — в прямом смысле самое сердце нашего бытия, — несомненно, чрезвычайная угроза для организма (по крайней мере, так я думал). С помощью наставника, профессора микробиологии Майка Макэнтегарта, я поставил эксперимент по впрыскиванию вирусов в кровеносную систему кроликов. Кое-кто из читателей, возможно, обеспокоится судьбой бедных ушастых грызунов, но тревожиться не стоит, я впрыснул им бактериофаг — питающийся лишь бактериями вирус, известный как
В эксперименте я намеренно не старался воспроизвести обычное поведение вирусов. Введение вируса в совершенно чуждый ему организм, в принципе, немногим отличается от высадки неподготовленных и незащищенных людей, например, на Марс. В чуждой окружающей среде вирус не мог ни размножиться, ни выжить, заложенные в него возможности реагировать на внешние стимулы оказались недостаточными — и вирус умер. Но если бы я ввел вирусы оспы, гриппа или ВИЧ-1 в людей — результат бы оказался совсем другим. Вирус бы отреагировал на естественного носителя, и началось бы интенсивное и весьма неприятное взаимодействие человека с вирусом.
Суть приведенных выше суждений в том, что бесполезно и бессмысленно рассматривать вирусы вне среды их естественного обитания. Если вирус вне носителя, то к нему вполне можно применить определение профессора Уимммера. Вне носителя вирус — инертная комбинация генов и белков. Лишь в обстановке, естественной для жизненного цикла вирусов, лишь в процессе взаимодействия с естественным носителем можно увидеть и понять истинную природу вирусов.
Именно потому я, как и Терри Йетс, считаю: вирусы в их естественной среде обитания должны считаться живыми существами. В этом смысле сведение сути вируса к простой композиции химических элементов есть сведение к абсурду, к бессмыслице. Таким же образом можно представить совокупностью химикатов и человека, разве что список этих химикатов будет куда длиннее, чем у вируса. Рассматривающие вирус просто как химическое соединение упускают из виду то, что вирусы явились результатом длительного и чрезвычайно сложного процесса эволюции — равно как и люди. И я полагаю, что, хотя профессор Уиммер защищает взгляд на вирусы как на инертный набор химикатов, на самом деле он так не считает. Когда вирус внедряется в подходящую клетку, то и для профессора Уиммера он живое существо.
Как все прочие формы жизни, вирусы рождаются и умирают. Когда мы пытаемся лечить вызванные вирусами болезни, мы используем убивающие вирусы препараты — так же, как, борясь с вызванным бактериями заболеванием, мы используем антибиотики. И что самое главное, законы эволюции применимы к вирусам так же, как и к другим формам жизни, — именно потому так тяжело лечить зараженных вирусами людей. Если бы вирусы были всего лишь инертными наборами химикатов, едва ли возникла бы пандемия СПИДа. Человеческая иммунная система вышвырнула бы ВИЧ-1 из организма безо всяких проблем.
Несомненно, нам стоит постараться, чтобы узнать и понять вирусы как можно полнее и глубже. Всем нам известно, как важно подобное знание и понимание для лечения вирусных заболеваний. Не менее оно важно и для ветеринарии, и в агрономии — ведь вирусы поражают и растения. Но есть и причина не столь очевидная — но не менее, а, пожалуй, и более важная. Мои исследования, равно как и работы таких вирусологов, как Луис Вильярреал и Мэрилин Руссинк, отчетливо и убедительно продемонстрировали: вирусы сыграли ключевую роль в эволюции жизни на Земле, начиная с первых немногих живых существ до поразительного разнообразия, наблюдаемого теперь. Ни для какого существа вклад вирусов в эволюцию не был настолько существенным, как для человека. И что самое поразительное — ключевую роль в процессе возникновения человека сыграл вирус, чрезвычайно похожий на ВИЧ-1.
Я понимаю: мои утверждения кажутся невероятными, и пугающими к тому же. Когда я впервые обнародовал столь новые идеи, они вызвали большей частью либо замешательство, либо агрессивное отторжение. Подобная реакция не была для меня неожиданностью, поскольку в результате сильно покосилась господствовавшая тогда «теория синтеза», трио принципов, на которых более семидесяти лет незыблемо покоилось теоретическое обоснование современного дарвинизма.
2. Кризис современного дарвинизма
Эта книга пытается донести до читателя… сколь тяжело сделать определенный вывод, сколь трудно распознать новое и важное человеку, оказавшемуся в черной пещере не-знания, ощупывающему каменные стены, пытающемуся определить наклон пола, слушающему эхо собственных шагов, отметающему ложные догадки и наипростейшие версии, назойливые и повсеместные, как паутина.
Важнейшее — и вреднейшее — недоразумение в понимании дарвинизма у людей, не занимающихся наукой, это считать, будто в основе дарвиновской теории эволюции лежит принцип «выживания наиболее приспособленных». Именно против него и направлено большей частью острие гнева людей религиозных, именно в нем коренятся возможности весьма неприятных социальных последствий — например, оправдание способности не замечать, как люди прозябают в нищете и умирают от голода, либо оправдание притеснений по расовому либо религиозному признаку. Потому важно подчеркнуть: Дарвин отнюдь не писал и не говорил про «выживание наиболее приспособленных». Тезис этот измыслил английский социальный философ Герберт Спенсер, сформулировавший его впервые в книге «Принципы биологии», опубликованной в 1864 году[6]. Спенсер разрабатывал свою теорию еще до прочтения дарвиновской книги «О происхождении видов», вышедшей за пять лет до книги Спенсера. Социальный философ не был сведущ в биологии, и хотя спенсеровский тезис многие рассматривают как синоним либо как наиболее популярное и ясное выражение сути дарвиновского «естественного отбора» — на самом-то деле Спенсер попросту не понял научно обоснованную и строгую теорию Дарвина, но употребил как средство усилить свою точку зрения на социальную философию. Историки науки и философы, изучавшие доктрину Спенсера, пришли к заключению: он понимал эволюцию как целенаправленное развитие физического мира, включающего все биологические организмы, а также человеческие разум, культуру и общество. К сожалению, именно спенсеровская концепция «выживания наиболее приспособленных» привела к появлению столь неудачно названого «социального дарвинизма» в конце девятнадцатого столетия со всеми его неприятными выводами и последствиями.
Спенсеровские идеи не имели и не имеют под собой научного основания, но они пришлись ко двору, прозвучали в тон господствовавшим в то время расовым, этническим и классовым предрассудкам и остались популярными до середины двадцатого столетия, оказав сильное влияние на политику и общество. Воистину трагично то, что спенсеровские идеи по сей день не умерли, многие из далеких от науки людей в них верят и сейчас частенько выражение «выживание наиболее приспособленных» употребляется, чтобы объяснить либо извинить ущемление чьих-то прав и достоинства. Спенсеровские идеи были так популярны, что самому Дарвину пришлось выдержать изрядный натиск со стороны Спенсера и его сторонников, ратовавших за свой взгляд на эволюцию. Надо сказать, Дарвин на некоторое время поддался и принял идеи Спенсера, но затем решительно их отбросил и вернулся к изначальной концепции.
Вопрос: почему я поднимаю столько шума по поводу, казалось бы, почти неощутимых различий, ведь концепция «приспособленности» и до сих пор центральная в дарвиновской теории? Да, конечно, приспособление — основа основ эволюционной биологии, но дарвиновское ее определение фундаментально отличается от безапелляционного суждения Спенсера. Потому я считаю нужным особо выделить, что именно подразумевал Дарвин под эволюцией вследствие естественного отбора и чем отличается дарвиновское «приспособление» от спенсеровского «выживания наиболее приспособленных».
Поклонники сериала «Голубая планета» Ричарда Аттенборо, наверное, помнят фильм про омаров — описание того, как самка атлантического омара, существа, могущего достигать двадцати килограммов веса, собирается выметать икру. Самка уже получила семя самца — совокупление произошло, скорее всего, как только она перелиняла — и с тех пор самка семь месяцев пряталась в холодной глубине, вдали от хищников и зимних штормов, и терпеливо выжидала подходящего для метания икры момента. Но вот решение принято, и самка начинает долгий, в месяц длиною путь наверх, к теплым водам песчаных отмелей, а по прибытии ей придется яростно сражаться с другими самками омара за подходящее укромное местечко. Но вот наконец, через восемь с лишним месяцев после первого оплодотворения, она откладывает в песок более двадцати тысяч икринок, вываливает их из прилепленных к брюшку гроздьев, похожих на виноградные, в яму. И через считанные минуты из икринок вылупляются крошечные личинки омаров — плавать в теплом защищенном месте, отвоеванном мамиными усилиями. Другие морские беспозвоночные, такие, как морские ежи, и некоторые рыбы, мечут миллионы икринок. Подобное поведение, сам факт производства миллионов возможных потомков тесно связан с «приспособленностью» в том смысле, в каком о ней говорят биологи.
«Приспособленность» с дарвиновской точки зрения — это мера успешности индивидуума в размножении, в способности оставить свои гены в генетическом богатстве популяции, ее генетическом пуле. Дарвиновское «приспособление» — концепция очень простая, вовсе лишенная морализаторского оттенка и уж тем более претензий на суждение о ценности индивида. Имеется в виду лишь размножение, и ничего более. Но, как мы видим на примере омара, размножение — отнюдь не просто откладывание яиц или, как в случае с людьми, вынашивание плода в утробе. Индивиду нужно сперва выжить в сложной и небезопасной обстановке, затем вступить в состязание с индивидами своего же вида за возможность размножиться, а далее приложить все силы — пусть даже и весьма небольшие, как у омара, — чтобы обеспечить выживание наибольшего числа потомков. На самом деле эволюционные биологи и характеризуют приспособленность индивида именно тем, насколько он много, в пропорции к остальным индивидам, оставил своих генов в генетическом пуле данного поколения.
Люди не производят миллионы яиц в ранней стадии эмбрионального развития, но рождают вполне сформировавшихся младенцев, а их требуется очень долгое время носить в чреве. Именно с этой целью эволюция сделала матку женщины камерой, формою схожей с перевернутой грушей, оптимально приспособленной для вынашивания единственного плода. Наибольшее зарегистрированное число младенцев, выношенных в течение одной беременности и выживших, родила в январе 2009 года жительница Соединенных Штатов. Они были зачаты при помощи искусственного оплодотворения и едва ли выжили бы без помощи новейших технологий современной медицины. Ведь гинекологи считают наличие более чем одного плода фактором риска — опасностью и для матери, и для потомства.
Для людей «приспособляемость» — явление куда более сложное, чем у омаров, но в сущности своей оно такое же неспенсерианское, как и приспособляемость у омаров, и определяется также способностью распространять свои гены.
Современная концепция дарвиновской селекции проста до жестокости, выражается вероятностями и легко поддается математическому анализу. Когда индивид любого вида получает некое, пусть малое, выживательное преимущество над прочими индивидами, он с большей вероятностью проживет дольше и оставит потомство, и, если это преимущество передается по наследству, потомки этого индивида также будут опережать по выживаемости прочих индивидов своего поколения — и, таким образом, со временем преимущество закрепится в данном виде. То есть совершится эволюционное изменение. Наследуемое выживательное преимущество дает индивиду и его потомкам шанс внести больший вклад в генетический пул вида, чем средний его представитель. В этом простом факте и есть суть концепции «приспосабливаемости». С дарвиновской точки зрения, мера приспособленности есть мера предпочтения естественным отбором. Со временем, в особенности если изменения произошли в группе особей, изолированной географически либо по иным причинам от остальной части вида, накопление наследуемых изменений — или даже одно значительное изменение — настолько преобразит индивидов данной группы, что они не смогут более рождать потомство с индивидами своего прежнего вида. Это — образцово дарвиновское объяснение ветвления генеалогического древа, того, как возникают новые виды от общих предков.
Образование нового вида из старого носит название «специация». Спенсер, находившийся под влиянием французского биолога-эволюциониста Ламарка, полагал: эволюция движет все живое, а в особенности человека к высшей, утопической цели. Но дарвиновская теория эволюции не предполагала подобных целей. Напротив, естественный отбор посредством простейшего физического выживания и относительного репродуктивного успеха не имеет никакого отношения к морали и отнюдь не обязан вести к философскому либо религиозному идеалу индивида либо общества.
Предложенная Дарвином концепция естественного отбора логична и может найти экспериментальное подтверждение. Несмотря на существенное противодействие со стороны религии и альтернативных теорий эволюции, уже при жизни Дарвина его концепцию поддержало большинство ученых, она снискала симпатии широкого круга образованных людей. Однако у нее наличествовала и слабость, о которой Дарвин был хорошо осведомлен. Чтобы эволюция работала, необходим источник наследуемых изменений, которые дадут индивиду и его потомкам преимущество в выживании — а значит, и в относительной приспособляемости. Сегодня мы знаем: изменения зиждутся на изменении генома, но в эпоху Дарвина механизмов наследования не понимали. Сама идея генетики еще не родилась, и гениальное прозрение о ДНК явилось на свет почти через столетие после выхода книги «О происхождении видов». В рамках науки его времени дарвиновская работа была, без всякого преувеличения, революционной, кардинально меняющей взгляды на мир. Едва ли можно винить Дарвина за отступление к отброшенной ныне теории о смешении родительских «свойств» в потомстве (как будто бы такой сугубо генеалогический подход способен обеспечить обширные генетические и геномные изменения, приведшие к нынешнему разнообразию жизни). Процесс возникновения новых свойств долгое время был слабым местом дарвинизма.
Потому едва ли удивительно, что в 1894 году в Оксфорде президент Британской ассоциации прогресса науки маркиз Солсбери подверг сомнению концепцию естественного отбора. Слушать его речь довелось почтенному Томасу Генри Гексли, прозванному недоброжелателями «бульдогом Дарвина», но при этом бывшему одним из величайших — и самых трезвомыслящих — биологов своего времени. Но тогда защищать естественный отбор ему было очень непросто. Прежние критики, нападавшие на дарвиновскую теорию с позиций религии, были стеснены ее узкими рамками. Но маркиз Солсбери был высокообразованным человеком, ученым, бывшим премьер-министром, и критика его была логичной и последовательной. Солсбери не подвергал сомнению реальность эволюции и превозносил Дарвина за вклад в просвещение общества, но подверг критике концепцию естественного отбора. Ибо ни один ученый не подтвердил в лаборатории либо путем наблюдений за дикой природой тот факт, что естественный отбор способен породить новый биологический вид из прежнего. Более того, дарвиновская теория подразумевала очень медленную, постепенную эволюцию видового разнообразия, для чего история Земли должна была насчитывать порядка миллиарда лет. А лорд Кельвин, очень многими почитаемый первейшим физиком Земли, высчитал, что Земля не может быть старше миллиона лет, и таким образом на дарвиновскую эволюцию отводилось слишком мало времени.
Хотя Гексли защищал дарвиновскую теорию изо всех сил, ему не хватило доказательств, и, само собою, Гексли оказался бессилен против лорда Кельвина. И это было нижайшей точкой в истории дарвинизма, падением столь низким, что внук Гексли, Джулиан, для описания того времени употребил слова «затмение дарвинизма». Джулиан Гексли подробно описал сложности, вставшие перед теорией Дарвина в конце девятнадцатого и начале двадцатого столетия. В двадцатом же столетии положение осложнилось еще и растущим разрывом дарвинизма со многими биологическими дисциплинами. Во множестве научных публикаций авторы просто принимали как данность эволюционную адаптацию и влияние естественного отбора, притом, цитируя Гексли-внука, «не обращая особого внимания на современные данные цитологии, теории наследственности и результаты экспериментов». Новое поколение сторонников естественного отбора игнорировало зарождающуюся генетику, чьим пионером был баварский монах Грегор Мендель, и не обратило внимания на открытие мутаций голландским ботаником Хугом де Фриз. Эволюционная биология развалилась на три фракции: упорно верующих в естественный отбор, менделианцев (мы б их сейчас назвали генетиками) и мутационистов, вдохновленных Хуго де Фризом. Разногласия тянулись несколько десятилетий.
В начальных главах своей книги «Эволюция: современный синтез» Джулиан Гексли точно определил суть проблемы: «По-настоящему тяжелой и основательной критике подверглась теория естественного отбора как эволюционного принципа, и сосредоточилась эта критика на проблеме наследования изменений».
Сегодня мы знаем: лорд Кельвин ошибался. Земля куда старше, чем представлял Дарвин, — ей четыре миллиарда шестьсот миллионов лет. Жизнь зародилась на ней в самом начале ее истории, и для развития нынешнего биологического разнообразия времени было достаточно. Более того, уже в самом названии своей книги Гексли указал, как именно разрешились разногласия между тремя школами эволюционистов. Можно усмотреть иронию в том, что проблема ликвидирована посредством слияния всех трех конкурирующих точек зрения (хотя подобный исход и можно было предугадать). В новой концепции объединились и естественный отбор, и растущее понимание менделевской генетики, и потенциал мутации — ведь передача по наследству неизбежна, если мутации подвергаются клетки сперматозоидов либо яйцеклетки. Воссоединение трех теорий породило синтетическую теорию современного дарвинизма. Но тем самым, как особо подчеркнул Гексли, дарвинизм приобрел вид, существенно отличающийся от оригинального замысла Дарвина.
Дарвин, основываясь на идеях своего кумира, геолога Чарлза Лайелла, предполагал медленное, постепенное изменение. Эволюция виделась ему восходящим, гладким, непрерывным процессом «трансмутации» живых существ посредством смешения признаков обоих родителей и естественного отбора. Однако новая эволюционная биология приняла, что генетические изменения происходят путем случайных одномоментных событий, воспроизведения ошибок, возникших при делении половых клеток, таких, как спермин и яйцеклетки. Новая эволюционная биология приняла и менделевскую теорию генов, полагая, в отличие от воззрений девятнадцатого столетия, что наследуется не смесь родительских признаков, что существуют дискретные единицы наследственности, блоки кодированного знания, и в потомстве они соединяются взаимодополняющим парным образом как часть процесса полового размножения.
Дарвиновская идея была великим прозрением, породившим эволюционную биологию как науку, а новая объединенная теория, известная как «современный дарвинизм» либо «неодарвинизм», стала краеугольным камнем в развитии и основании эволюционной концепции. Она сделалась самым сердцем нынешней биологии, став необходимой всем ее разделам. После фундаментального открытия химической структуры и роли ДНК, сделанного в 1953 году Уотсоном и Криком, и последовавшей затем революции в молекулярной биологии и генетике развитие современного дарвинизма получило новый мощный импульс. Но, нисколько не отрицая огромной важности такого прогресса эволюционной теории, я позволю себе подчеркнуть аспект ее, весьма редко привлекающий внимание. А именно: ведь лишь один из компонентов современного дарвинизма — сугубо теоретический. Два других, мутации и менделеевская генетика, обосновываются и доказываются со всей строгостью нынешней генетики. Почему же, защищая современный дарвинизм от креационистов, эволюционные биологи не спешат вытаскивать свои козырные карты из рукава?
Отчасти это обусловлено тем, что мутации традиционно считались и описывались дарвинистами как чисто случайные и потому «не-творческие» изменения, а естественный отбор, обычно называемый просто «отбор», превозносился как единственная созидательная сила. Подобные воззрения, хотя и вполне допустимые три поколения назад, к сожалению, до сих пор представляются в качестве объяснения эволюции в большинстве школ, колледжей и университетов — вопреки множеству имеющихся фактов, говорящих о том, что процесс эволюции куда сложнее и гораздо интереснее, чем можно заключить, полагаясь лишь на донельзя упрощенную и наивную теорию «естественного отбора». Пока я не стану заострять внимание на том, в силу каких обстоятельств (весьма, надо сказать, запутанных и временами невразумительных) возникло такое положение дел. Я сосредоточусь на важности теории мутаций и менделеевской генетики для медицины, где, как мы вскоре увидим, эти теории играют важнейшую роль в понимании генетической обусловленности многих болезней.
Цистический фиброз — одна из наиболее распространенных генетически обусловленных болезней. Им страдает в среднем один ребенок из двух с половиной тысяч, родившихся в Великобритании, и один из четырех тысяч, родившихся в США. Частотность его в Канаде и Австралии имеет сходные значения. Цистический фиброз реже встречается среди азиатского и африканского населения. Среди европеоидных детей в США частотность его такая же, как и в Великобритании, — а среди американцев азиатского происхождения цистический фиброз встречается лишь у одного из тридцати тысяч новорожденных. Но болезнь в той либо иной степени распространена по всему земному шару и с одинаковой вероятностью поражает как мальчиков, так и девочек. В 1989 году интернациональный коллектив ученых открыл генетическую природу этого заболевания: мутацию единственного гена, известного как «трансмембранный регуляторный ген цистического фиброза», или CFTR, локализованного в седьмой хромосоме. Он кодирует перенос воды и соли через клеточные стенки в различных телесных железах, выделяющих слизь. При болезни тяжелее всего поражаются легкие, поджелудочная железа, печень, кишки, пазухи и половые органы. В отсутствие болезни выделяемая этими органами слизь жидка и не вязка, но у людей, пораженных цистическим фиброзом, она густая и липкая, накапливается в органах и закупоривает протоки. Например, в легких накапливающаяся слизь может изолировать часть легкого, и в этой части может развиться бактериальная инфекция. То бишь страдающие цистическим фиброзом подвержены респираторным заболеваниям, включая пневмонию, что весьма опасно для здоровья и жизни. Накопление слизи чрезвычайно вредит и поджелудочной железе — органу, принципиально важному для пищеварения. Это же генетическое нарушение приводит к чрезмерному выделению соли с потом — и на этом факте основан метод диагностики заболевания, известный как «потовая проба». Цистический фиброз проявляется в разной степени — от тяжелой, проявляющейся уже вскоре после рождения, до легкой, диагностируемой в позднем подростковом возрасте или даже у взрослых.
Хотя в данное время цистический фиброз не поддается лечению, жертвам его можно помочь. Например, существуют физиотерапевтические процедуры, очищающие легкие, и заместительные терапии, позволяющие возместить недостаток пищеварительных ферментов. Цистический фиброз — одна из первостепенных целей современных медицинских исследований, направленных на излечение болезни путем исправления вызвавшего ее генетического дефекта. Но чтобы понять смысл такой процедуры, следует пояснить, что же такое гены и как их отклонение от нормальности связано с проявлениями многих известных заболеваний. К счастью, основы генетики столь просты и логичны, что понять их способен практически каждый.
Представим ген как очень длинное слово, написанное на языке, носящем название «ДНК». В алфавите этого языка всего лишь четыре буквы — это химикаты, известные как «нуклеотиды», содержащие нуклеиновые кислоты гуанин, аденин, цитозин и тимин, как правило обозначаемые латинскими буквами G, А, С, Т. Алфавит всего лишь из четырех букв может показаться слишком маленьким, но, если представить себе, сколько возможных комбинаций этих букв возможно в слове длиною от нескольких сотен до десятков тысяч символов, ясно, что даже и такого алфавита хватает для сколь угодно сложных и разнообразных записей. Двадцать тысяч человеческих генов собраны в сорок шесть хромосом. То есть, используя нашу аналогию со словами, можно представить геном ядра наших клеток книгой с сорока шестью главами, по хромосоме на главу.
При формировании сперматозоидов и яйцеклеток в яичках и яичниках ген CFTR копируется, и, когда происходит оплодотворение и зачатие, зародыш получает по копии этого гена от каждого из родителей.
В процессе копирования могут произойти ошибки, ген CFTR может записаться неправильно — именно такой процесс и понимается как «мутация». Но если подумать, единичная мутация вовсе не обязана оказывать влияние на ребенка — ведь он получает две копии гена CFTR. Если одна копия испорчена, но вторая — цела, то второй, нормальной, копии может оказаться достаточно для того, чтобы болезнь не развилась.
И вот здесь нам необходимо обратиться ко второй составляющей современного дарвинизма — менделевской генетике. Современники Менделя считали: наследование есть процесс смешения родительских признаков, и это было принято Дарвином за основу концепции наследственности в его теории эволюции. Мендель, аббат монастыря августинцев чешского города Брно, был сыном фермера и изучал эффекты перекрестного скрещивания различных разновидностей бобовых, которые выращивал в монастырском саду. Когда он, например, брал пыльцу желтых бобов и использовал ее для опыления зеленых бобов, то результатом были не желто-зеленые бобы, как можно было бы ожидать согласно теории «смешения признаков». Бобы-гибриды были все желтыми. Когда этот новый гибрид был подвергнут перекрестному скрещиванию, результат оказался еще более удивительным: смесь желтых и зеленых бобов — как у родителей. Но желтых и зеленых было не поровну — желтых бобов оказалось втрое больше, чем зеленых. Анализируя результаты, Мендель заключил: наследование цвета бобов не может происходить от смешения признаков, оно обусловлено некими дискретными носителями цвета, передаваемыми от обоих родителей, — носителями наследственной информации, которые мы теперь называем «генами». Но этим открытие Менделя не исчерпывалось.
Грегор Мендель открыл еще и то, что, когда потомок наследовал разные разновидности одного и того же гена, одна разновидность временами полностью подавляла другую. Потому при смешении генов потомство, хотя и имело один ген для желтого цвета, а другой для зеленого, все оказалось желтым. При дальнейшем перекрестном скрещивании в среднем у четверти потомков оказалось по два желтых гена, у половины — по желтому и зеленому и еще у четверти — два зеленых. Это не только объясняет результат Менделя, но прямо указывает на природу возникновения цистического фиброза.
Медицинские исследования подтвердили: когда ребенок получает одну дефектную копию гена CFTR и одну нормальную, нормальная версия гена доминирует над дефектной. С точки зрения генетической функциональности дефектная версия остается бездействующей. А это значит, что болезнь разовьется лишь в том случае, когда ребенок получит дефектные гены от обоих родителей. В медицинской генетике это явление известно как «рецессивный тип наследования болезни».
Хотя приведенное здесь объяснение наследственной природы заболевания весьма упрощено, тем не менее оно отчетливо указывает на возможность лечения цистического фиброза путем генной терапии. Болезнь развивается от неправильной работы гена CFTR. Значит, для излечения больному нужно каким-то образом ввести правильную версию CFTR.
Поделиться книгой: