Помоги проекту - поделись книгой:
Другой студент, Кэлвин Бриджес, являл собой полную противоположность подслеповатому и чопорному Стертеванту. Бриджес был сиротой, и поначалу Морган просто из жалости взял его лаборантом. Но, промывая бутылки, молодой человек прислушивался к разговорам коллег и скоро научился невооруженным глазом замечать сквозь грязное стекло интересные экземпляры мушек. Тогда Морган перевел его на исследовательскую должность, и до конца своей жизни Бриджес, по сути, не менял работодателя. Это был чувственный красавец с пышной шевелюрой, практиковавший «свободную любовь» еще до появления этого термина. Впоследствии, в двадцатые годы, он ушел от жены и детей, сделал вазэктомию и стал варить самогон в своей холостяцкой берлоге на Манхэттене. Он продолжал волочиться за женщинами, приставая к каждой юбке, включая жен своих коллег. Многие дамы пали жертвами его наивного обаяния, однако даже после того, как «мушиная комната» стала легендой, ни один другой университет не взял бы его на должность выше ассистента, дабы не запятнать свою репутацию.
Должно быть, приобретение таких сотрудников, как Бриджес и Стертевант, ободрило Моргана, так как его эксперименты к тому времени зашли в тупик. Не находя среди дрозофил естественных мутантов, он стал подвергать мушек воздействию низких и высоких температур, впрыскивать в их гениталии (которые не так-то легко найти) кислоты, щелочи, соли и другие потенциальные мутагены. Результатов по-прежнему не было. В январе 1910 года почти отчаявшийся Морган наконец обнаружил мушку со странным пятном в форме трезубца на груди – не бог весть что, но уже что-то. В марте появились еще два мутанта: один с шершавыми «родинками» у оснований крыльев, похожими на волосатые подмышки, другой с желтым телом (в норме оно должно быть серым). В мае того же года был замечен особенно впечатляющий экземпляр: мушка с белыми (а не красными, как обычно) глазами.
В надежде на прорыв – наверняка начался мутационный период! – Морган тщательно изолировал белоглазую особь. Он откупорил бутылку, приставил к ее горлышку кверху ногами другую, пустую бутылку и посветил через нее фонариком, чтобы выманить мушку наверх. Естественно, вместе с белоглазой в верхнюю бутылку устремились сотни других мушек, так что Моргану пришлось быстро закупорить посуду, снова взять пустую бутылку и раз за разом повторять всю процедуру, понемногу уменьшая число насекомых. На его счастье, при этих манипуляциях мушка с белыми глазами не вырвалась наружу, и ее (вернее, его – это был самец) удалось отсадить от остальных. Морган скрестил белоглазого мутанта с красноглазыми самками, а затем разными способами стал скрещивать между собой их потомство. Результаты были неоднозначными, но один из них особенно взволновал Моргана: после скрещивания некоторых красноглазых потомков соотношение между красноглазыми и белоглазыми мушками в следующем поколении было 3:1.
За год до этого, в 1909 году, Морган присутствовал на лекции датского ботаника Вильгельма Йохансена в Колумбийском университете, посвященной менделевским отношениям. Йохансен воспользовался случаем для популяризации придуманного им недавно слова –
Это событие кардинально изменило взгляды Моргана – и это было только начало. Соотношение между красноглазыми и белоглазыми мушками убедило его, что теория генов – не чепуха. Однако где на самом деле располагаются гены? Возможно, в хромосомах, однако плодовые мушки имели сотни наследственных признаков и всего четыре хромосомы. Если исходить из того, что на одну хромосому приходится один признак, как считали многие ученые, хромосом не хватает. Морган не хотел быть втянутым в споры о так называемой теории хромосом, однако следующее открытие не оставило ему выбора. При внимательном рассмотрении своих белоглазых мух он обнаружил, что все без исключения мутанты были самцами. Ученые уже знали, что пол мух определяется одной хромосомой (как и млекопитающие, мухи женского пола имеют две X-хромосомы, а самцы – одну). Теперь с этой хромосомой связывался еще и ген белых глаз – так, что она отвечала уже за два признака. Вскоре у мух мужского пола проявились дополнительные признаки – короткие крылья, желтые тельца, – также свойственные исключительно самцам. Этот факт неопровержимо доказывал следующее: в одной хромосоме находилось множество генов[6]. То, что Морган доказал это практически против своей собственной воли, значения не имело; так или иначе, он начал продвигать теорию хромосом.
Подобное ниспровержение старых представлений вошло у Моргана в привычку – черта, которая одновременно восхищала и приводила в бешенство. Поощряя теоретические рассуждения в «мушиной комнате», Морган вместе с тем считал новые теории дешевыми, поверхностными и никчемными – пока они не будут подвергнуты тщательной экспериментальной проверке в лаборатории. Казалось, ему не приходило в голову, что теории необходимы ученым как ориентиры, с помощью которых они могут оставлять нужное и отбрасывать лишнее, формулировать полученные результаты и избегать путаницы в рассуждениях. Даже студенты, например Бриджес, Стертевант и особенно раздражающе гениальный и гениально раздражающий Герман Мёллер, который присоединился к работе в «мушиной комнате» позднее, все больше озлоблялись на Моргана из-за бесчисленных ссор по поводу генов и наследственности. Не меньше раздражало и то, что когда кто-то загонял Моргана в угол и убеждал его в его неправоте, Морган отбрасывал свои старые идеи и невозмутимо принимал новые, как нечто само собой разумеющееся.
Морган не придавал большого значения подобному квазиплагиату. Все работали во имя одной цели (
Тем не менее ненавистные идеи подстерегали Моргана на каждом шагу. Поскольку, едва появившись на свет, его теория генов-хромосом чуть было не потерпела крах, спасти ее могла только радикальная идея. Вспомним, что Морган установил наличие в одной хромосоме множества генов. Кроме того, из работ других ученых ему было известно, что родители передают своим детям целые хромосомы. Следовательно, все генетические признаки каждой хромосомы должны наследоваться вместе – они всегда должны быть сцеплены. Возьмем гипотетический пример: если набор генов одной хромосомы требует, чтобы щетинки были зелеными, крылья – остроконечными, а усики – толстыми, то муха с одним признаком должна проявить все три. Такие группы признаков существуют у мух, однако, к своему разочарованию, команда Моргана обнаружила, что некоторые сцепленные признаки иногда проявляются не вместе: зеленые щетинки и остроконечные крылья, которые должны всегда появляться вместе, почему-то проявлялись по отдельности у разных мух. Случаи разрыва связи не были обычным делом – сцепленные признаки могли проявляться в 2–4 % случаев – однако они происходили с таким постоянством, что могли разрушить всю теорию, если бы Морган не позволил себе редкий полет фантазии.
Он вспомнил одну статью бельгийского священника-биолога, который использовал микроскоп для изучения процесса формирования яйцеклеток и сперматозоидов. Одним из ключевых фактов биологии (мы будем постоянно к нему обращаться) является то, что хромосомы составляют пары почти идентичных близнецов. (Человеческая клетка содержит сорок шесть хромосом, объединенных в двадцать три пары.) При формировании яйцеклеток и сперматозоидов эти практически идентичные хромосомы выстраиваются в центре родительской клетки. В ходе деления одна «хромосома-близнец» отталкивается в одну сторону, а другая – в другую, и рождаются две отдельные клетки.
Однако священник-биолог заметил, что, перед тем как разделиться, хромосомы-близнецы иногда взаимодействуют между собой, обвивая друг друга кончиками. Почему так происходит, он не знал. Морган предположил, что в процессе такого взаимодействия кончики отрываются и меняются местами[7]. Это объясняло, почему сцепленные признаки иногда разделяются: хромосома разрывается где-то между двумя генами и разделяет их. Морган продолжал рассуждать в правильном направлении и пришел к мысли о том, что признаки, разделяющиеся в 4 % случаев, вероятно, располагаются в хромосоме дальше друг от друга, чем те признаки, которые разделяются в 2 % случаев, поскольку дополнительное расстояние между первой парой увеличивает вероятность разрыва на этом участке.
Догадка Моргана оказалась верной, и с помощью идей Стертеванта и Бриджеса в течение последующих нескольких лет в «мушиной комнате» была в общих чертах описана новая модель наследственности – та самая, благодаря которой команда Моргана вошла в историю науки. Согласно этой модели, все признаки контролируются генами, которые располагаются в определенных местах хромосом, следуя друг за другом, подобно жемчужинам в ожерелье. Поскольку живые существа наследуют одну копию каждой хромосомы от каждого родителя, хромосомы передают наследственные признаки от родителя к ребенку. При кроссинговере[8] (и мутации) хромосомы немного изменяются, благодаря чему каждая живая особь является уникальной. Тем не менее хромосомы (и гены) большей частью остаются в неизменном состоянии, что объясняет наличие общих признаков у членов одной семьи. Вот он – первый важнейший шаг к пониманию того, как работает наследственность.
По правде говоря, в лаборатории Моргана была разработана лишь малая часть этой теории, которую, как мозаику, по кусочкам сложили биологи из разных стран. Однако именно команда Моргана окончательно объединила эти разрозненные идеи, а мушки-дрозофилы обеспечили их неопровержимое экспериментальное подтверждение. По крайней мере, вряд ли кто-либо посмел бы отрицать сцепление признаков с полом, когда на полке у Моргана жужжало десять тысяч мутантов, среди которых не было ни единой самки.
Понятное дело, что, получив признание за объединение этих теорий, Морган не сделал ничего, чтобы примирить их с дарвиновской теорией естественного отбора. Несмотря на то, что сама работа, проводимая в «мушиной комнате», подталкивала ученого к этому шагу, Морган в который раз «позаимствовал» идею у ассистентов – в том числе у того, кто не отнесся к этому так же покорно, как Бриджес и Стертевант.
Герман Мёллер начал время от времени интересоваться «мушиной комнатой» с 1910 года. На его попечении была престарелая мать, поэтому жизнь его была суетливой: он работал курьером в гостиницах и банках, по ночам обучал иммигрантов английскому языку, наспех перекусывая бутербродами, пока добирался на метро с одной работы на другую. Каким-то образом Мёллер все же нашел время, чтобы подружиться с писателем Теодором Драйзером в Гринвич-Виллидж, увлечься социализмом и регулярно ездить за двести миль в Корнелльский университет ради степени магистра. Однако, как бы ни был он изнурен, свой единственный свободный день – четверг – Мёллер отводил на то, чтобы заглянуть к Моргану и «мушиным мальчикам» и обменяться мнениями о генетике. Благодаря незаурядному интеллекту, Мёллер вскоре стал одним из самых активных участников этих научных посиделок. В 1912 году Мёллер окончил Корнелльский университет, и Морган выделил ему рабочее место в «мушиной комнате». Проблема заключалась в том, что Морган отказался платить Мёллеру, так что рабочий режим молодого энтузиаста остался прежним. Вскоре у него случился нервный срыв.
С тех пор (и на протяжении последующих десятилетий) Мёллер негодовал по поводу своего положения в «мушиной комнате». Его раздражало то, что Морган открыто благоволил буржуа Стертеванту и перекладывал черную работу – например, подготовку бананов – на плечи «пролетария» Бриджеса. Его раздражало то, что и Бриджес, и Стертевант получали плату за проведение экспериментов на основе его, Мёллера, идей, в то время как ему приходилось бегать по всему Нью-Йорку, чтобы заработать мелочь. Он негодовал по поводу того, что Морган рассматривал «мушиную комнату» как клуб для избранных и иногда заставлял друзей Мёллера работать в коридоре. Но больше всего Мёллера возмущало то, что Морган не обращал внимания на его заслуги. Отчасти виной тому была медлительность Мёллера в том, что Морган ценил превыше всего – в проведении хитроумных экспериментов, которые он (Мёллер) сам и придумал. В действительности Мёллер едва ли мог найти худшего наставника, чем Морган. При всех своих симпатиях к социализму Мёллер ценил интеллектуальную собственность и чувствовал, что в «мушиной комнате», с ее свободным и коммунальным укладом, его талант эксплуатировался и оставался без внимания. И уж точно Мёллер не мог претендовать на роль мистера Конгениальность. Он бестактно и нудно критиковал Моргана, Бриджеса и Стертеванта и воспринимал как личное оскорбление все, кроме чистой логики. Больше всего Мёллера задело небрежное принижение Морганом роли естественного отбора в процессе эволюции, которую сам Мёллер считал основой биологии.
Несмотря на личные конфликты, инициатором которых был он сам, Мёллер незаметно вел «мушиную» группу вперед, к большим достижениям. После 1911 года Морган едва ли внес какой-либо вклад в формирующуюся теорию наследования, в то время как Мёллер, Бриджес и Стертевант продолжали совершать фундаментальные открытия. К сожалению, сегодня трудно разобраться, кто что открыл, и не только из-за постоянного обмена идеями. Морган и Мёллер часто набрасывали мысли на разрозненных клочках бумаги, при этом Морган каждые пять лет очищал свой шкаф от документов – вероятно, по причине малых размеров лаборатории. Мёллер хранил все документы, однако много лет спустя еще один коллега, с которым Мёллер враждовал, выбросил его записи, пока Мёллер работал за рубежом. Кроме того, Морган (как и собратья Менделя по монастырю) уничтожил архив Бриджеса, когда адепт свободной любви скончался от сердечного приступа 1938 году. Выяснилось, что Бриджес был бабником, и когда Морган нашел подробные записи о его похождениях, он счел благоразумным сжечь все бумаги и сохранить репутацию генетики, как и многих обманутых мужей-генетиков, незапятнанной.
Как бы то ни было, историки располагают достоверными данными о некоторых открытиях. Так, все «мушиные мальчики» участвовали в выявлении группы признаков, наследуемых вместе. Более того, они обнаружили у мух четыре отдельные группы признаков, что в точности соответствовало числу пар хромосом. Этот факт явился мощным толчком для развития теории хромосом, поскольку доказывал, что каждая хромосома содержит множество генов.
Опираясь на эти данные, Стертевант вывел понятие сцепления генов и хромосом. Согласно догадке Моргана, гены, которые разделяются в 2 % случаев, должны располагаться ближе друг к другу в хромосомах, чем гены, которые разделяются в 4 % случаев. Однажды вечером, размышляя над этим предположением, Стертевант понял, что проценты можно перевести в реальные расстояния. Так, гены, которые разделяются в 2 % случаев, должны располагаться в два раза ближе друг к другу, чем другие пары; эта же логика работала и для сцеплений с другими процентами. Забросив университетские задания и засев на всю ночь за работу, этот девятнадцатилетний юноша набросал к утру первую схематическую карту хромосомы. Когда Мёллер увидел карту, он «буквально подскочил от волнения», после чего указал, как ее можно усовершенствовать.
Бриджес обнаружил явление «нерасхождения» – редкие случаи, когда хромосомы не полностью расходятся после кроссинговера и сплетения плеч (в результате чего возникает избыток генетического материала, что может привести к таким проблемам, как синдром Дауна). Помимо научных открытий, Бриджес, мастер на все руки, провел индустриализацию «мушиной комнаты». Взамен кропотливого отделения мух путем переворачивания одной за другой бутылок вверх дном, Бриджес изобрел пульверизатор, с помощью которого мух можно было оглушать, оросив их крошечными дозами эфира. Он также заменил лупы бинокулярными микроскопами и ввел в обиход белые фарфоровые тарелки и остроконечные кисти, чтобы было проще рассматривать мух и проводить с ними различные манипуляции. Кроме того, он заменил гниющие бананы на питательную смесь из патоки и кукурузной муки и соорудил шкафы с регулируемой атмосферой, так что мушки, плохо переносящие падение температуры, могли размножаться зимой и летом. Он даже построил «мушиный морг», чтобы послужившие науке мушки уходили в небытие достойно. Не все нововведения ассистента были приняты Морганом – так, он продолжал прихлопывать мух везде, где бы они ни приземлились, несмотря на наличие морга. Однако Бриджес знал, что мутанты появляются крайне редко, и когда это произойдет, его биологическая фабрика позволит каждому из них благоденствовать и производить миллионы потомков[9].
Мёллер был постоянным поставщиком озарений и идей, рассеивая противоречия и подпирая шаткие теории непоколебимой логикой. И хотя ему приходилось до хрипоты спорить с Морганом, в конце концов, ему удалось заставить старшего ученого увидеть, что гены, мутации и естественный отбор работают в тесном сотрудничестве. Вот что Мёллер (среди прочих) говорил об этом: гены наделяют существ признаками, а мутации генов изменяют признаки, создавая существ, различающихся по цвету, высоте, скорости и т. д. Однако в противовес де Фризу, который считал мутации значительными событиями, в результате которых появляются «спорты» и «внезапные виды», большинство мутаций изменяют существ совсем незначительно. Кроме того, естественный отбор позволяет наиболее приспосабливаемым из этих существ выжить и чаще производить потомство. Тут в игру вступает кроссинговер. Происходит перетасовка генов между хромосомами, в результате чего новые варианты генов собираются воедино, поставляя на нужды естественного отбора еще более разнообразный рабочий материал. (Кроссинговер имеет такое большое значение, что некоторые современные ученые считают, что сперматозоиды и яйцеклетки «отказываются» формироваться до тех пор, пока кроссинговер хромосом не произойдет минимальное количество раз.)
Мёллер также помог расширить представления ученых о потенциале генов. Более того, он утверждал, что на признаках, подобных тем, что изучались Менделем (двойные признаки, контролируемые одним геном), история не заканчивается. Многие важные признаки контролируются несколькими генами и даже десятками генов. Таким образом, эти признаки проявятся в разной степени, в зависимости от того, какие именно гены унаследует та или иная особь. Некоторые гены также могут «усилить» или «ослабить» другие; подобные крещендо и диминуэндо, в свою очередь, производят еще более тонкие градации. Наконец, самым важным является то, что благодаря дискретности и стабильности генов выгодные мутации не будут разбавляться между поколениями. Такой ген остается в целости и сохранности, а значит, более совершенные родители могут скрещиваться с менее совершенными видами и при этом передавать этот ген дальше.
Мёллер считал, что дарвинизм и менделизм прекрасно дополняли и усиливали друг друга. И когда он, наконец, убедил в этом Моргана, Морган стал дарвинистом. Легко смеяться над этим очередным обращением Моргана «в новую веру» – кроме того, в более поздних работах Морган продолжает ставить генетику выше естественного отбора. Тем не менее одобрение Моргана имело значение в более широком смысле. В то время в биологии господствовали высокопарные теории (включая теорию Дарвина), и благодаря Моргану наука сохраняла под собой твердую почву, ведь этот авторитетный ученый оставался сторонником веских доказательств. Биологи знали: если какая-то теория сумела убедить даже Томаса Ханта Моргана, значит, она чего-нибудь, да стоит. Более того, даже Мёллер признавал огромное влияние Моргана на развитие науки. «Мы не должны забывать, – однажды заметил он, – о роли руководящей личности Моргана, который заразил всех остальных своим собственным примером, своей неутомимой деятельностью, своей рассудительностью, веселостью и бодростью духа». В конце концов, своим дружелюбием Морган сделал то, что было неподвластно блестящей иронии Мёллера: убедил генетиков критически отнестись к собственным предубеждениям против Дарвина и серьезно обдумать обоснованность предложенного синтеза теорий Дарвина и Менделя – естественного отбора и генетики.
Многие ученые действительно увлеклись работой команды Моргана в 1920-х годах, поставляя непритязательных плодовых мушек в лаборатории по всему миру. Очень скоро дрозофила стала «стандартным животным» в генетике, позволяя ученым в любой точке земного шара сравнивать открытия в равных условиях. Руководствуясь такими стандартами работы, в 1930-х и 1940-х годах новое поколение биологов с математическим мышлением приступило к исследованиям распространения мутаций в естественных популяциях вне лаборатории. В ходе этих исследований выяснилось, что если ген дает некоторым существам хотя бы небольшое преимущество для выживания, оно может (при условии достаточно длительного сохранения) подтолкнуть вид к развитию в новых направлениях. Более того, большинство изменений будет проходить крошечными шажками – в точности, как утверждал Дарвин. Если работа «мушиных мальчиков», в конце концов, показала, как примирить Менделя с Дарвином, то биологи более позднего времени представили обоснования не менее веские, чем евклидово доказательство. Дарвин как-то посетовал, что математика ему «отвратительна» и что любая задача, на шаг отходящая от простейших вычислений, для него непосильна. В действительности именно математика стала опорой для теории Дарвина и повторно спасла ее репутацию[10]. Таким образом, так называемое затмение дарвинизма, пришедшееся на начало 1900-х годов, ознаменовало собой период мрака и путаницы в науке, однако он в скором времени завершился.
Помимо научных открытий, распространение дрозофил по всему миру имело еще одно важное последствие, во многом благодаря «веселости» Моргана. Дело в то, что в генетике названия большинства генов представляют собой уродливые сокращения, за которыми стоят чудовищно нелепые слова, значение которых может понять человек шесть во всем мире. Так при обсуждении, скажем, гена ALOX12B зачастую нет смысла расшифровывать его название (арахидонат 12-липоксигеназа, тип 12R), поскольку, как нам кажется, это не столько проясняет смысл, сколько сбивает с толку (чтобы не напрягать читателей, отныне я буду указывать лишь сокращенные названия генов и делать вид, что за ними ничего не стоит). В отличие от устрашающе сложных названий генов, названия хромосом отличаются поразительной банальностью. Планеты были названы в честь богов, химические элементы – в честь мифов, героев и великих городов. Хромосомы получили названия, по оригинальности сопоставимые с размерами обуви. Хромосома один – самая длинная, хромосома два – вторая по длине (
Ученые, изучавшие дрозофил (да благословит их Господь!), были людьми исключительными. Команда Моргана выбирала для мутантных генов достаточно иллюстративные названия: например, «
К счастью, эта причуда с названиями генов дрозофил является источником вдохновения для ученых, работающих в других областях генетики. Ген, наделяющий млекопитающих лишними сосками, получил название «
Однако задолго до появления этих милых названий, и даже до того, как плодовые мушки колонизировали генетические лаборатории по всему миру, первоначальная «мушиная» группа ученых из Колумбийского университета распалась. Морган перебрался в Калифорнийский технологический институт в 1928 году, прихватив с собой Бриджеса и Стертеванта и обосновавшись в солнечной Пасадене. Пять лет спустя Морган стал первым генетиком, получившим Нобелевскую премию, – как заметил один историк, «за утверждение тех самых принципов, которые он изначально собирался опровергнуть». У Нобелевского комитета есть правило, согласно которому премию в одной отрасли в один год могут получить не более трех человек, однако комитет присудил ее одному Моргану, а не разделил ее – как это следовало бы сделать – между ним, Бриджесом, Стертевантом и Мёллером. Некоторые историки утверждают, что Стертевант проделал достаточно важную работу, чтобы получить отдельную Нобелевскую премию, однако его преданность Моргану и готовность отказаться от авторства идей уменьшили его шансы. Возможно, Морган был с этим согласен, поскольку он все же поделился вознаграждением с Бриджесом и Стертевантом, учредив для их детей фонды на высшее образование. Мёллер не получил ничего.
Мёллер к тому времени покинул Колумбийский университет и перебрался в Техас. В 1915 году он начал преподавать в Университете Райса (где кафедрой биологии заведовал Джулиан Гексли, внук «бульдога Дарвина»), а впоследствии обосновался в Техасском университете. И хотя теплые рекомендации Моргана помогли ему получить работу в Университете Райса, Мёллер активно подогревал соперничество между его группой из «штата одинокой звезды» и группой Моргана из «имперского штата», и каждый раз, как техасская группа делала значительный шаг вперед, ее участники трубили о «полном успехе» и сияли от радости. В ходе одного из таких прорывов биолог Теофилус Пейнтер открыл первые хромосомы (в слюнных железах дрозофил[11]), размер которых позволял исследовать их визуально, что давало ученым возможность изучить физическую основу генов. Но как бы ни была важна работа Пейнтера, «джекпот» достался именно Мёллеру. В 1927 году он открыл, что при воздействии на мушек рентгеновским излучением частота мутаций увеличивается в 150 раз. Это означало не только возможные последствия для здоровья, но и то, что ученым больше не нужно было ждать появления мутаций. Теперь они могли производить их в промышленных масштабах. Это открытие принесло, наконец, Мёллеру научное признание, которое он (и ему это было известно) давно заслуживал.
Однако, что вполне предсказуемо, Мёллер начал вступать с Пейнтером и другими коллегами в перебранки, которые вскоре переросли в открытые ссоры. В итоге Техас перестал ему нравиться, а он перестал нравиться Техасу. Местные газеты призывали изгнать его как политического провокатора, а Бюро расследований (предтеча ФБР) установило за ним наблюдение. Без видимых причин развалился его брак, и в один из вечеров в 1932 году жена Мёллера сообщила о его исчезновении. Позже группой коллег он был обнаружен в лесу – измазанный в грязи, растрепанный, промокший после ночи, проведенной под дождем, с помутненным от барбитуратов сознанием, которые он проглотил, чтобы убить себя.
Опустошенный, униженный, Мёллер уехал из Техаса в Европу. Здесь он совершил своего рода тур в духе Форреста Гампа по тоталитарным государствам. Он изучал генетику в Германии, пока нацисты не разгромили его институт. Он бежал в Советский Союз, где выступал перед самим Иосифом Сталиным с докладом о евгенике, которая, по мнению некоторых ученых, позволяла вывести сверхчеловека с помощью науки. Сталин не проникся этой идеей, и Мёллер поспешил уехать. Дабы не прослыть «реакционером-дезертиром», симпатизирующим буржуазии, Мёллер принял участие в гражданской войне в Испании на стороне коммунистов, работая на одном из донорских пунктов. Коммунисты проиграли, и грянул фашизм.
Испытав очередное разочарование, Мёллер отправился обратно в Соединенные Штаты, на этот раз в Индиану. Шел 1940-й год. Его интерес к евгенике возрос; позже он помог основать «Репозиторий для выбора зародышей» – «банк спермы гениев» в Калифорнии. Кульминацией его карьеры стало получение собственной, ни с кем не разделенной Нобелевской премии в 1946 году за открытие способности рентгеновского излучения вызывать генетические мутации. Несомненно, Нобелевский комитет хотел компенсировать несправедливость, допущенную по отношению к Мёллеру в 1933 году. Но помимо этого, премия досталась ему в связи с атомными бомбардировками Хиросимы и Нагасаки, которые в 1945 году обрушили на Японию потоки радиационного излучения, что сделало его работы до ужаса актуальными. Если исследования «мушиных мальчиков» в Колумбии доказали существование генов, то теперь ученые должны были выяснить, как гены работают и как в их работе (слишком часто, в губительном свете бомбы) происходят сбои.
Глава 3. ДНК и превратности судьбы
День 6 августа 1945 года вполне неплохо начинался для одного японца, который без преувеличения стал самым невезучим человеком XX века. Цутому Ямагучи вышел из автобуса около штаб-квартиры фирмы «Мицубиси» в городе Хиросима, но вдруг вспомнил, что забыл свой
Стоило Ямагучи разуться на пороге гостиницы, как он сразу же столкнулся с ее пожилыми хозяевами, которые, казалось, поджидали его и тут же пригласили на чай. Ямагучи не мог отказать этим одиноким старикам, и неожиданные посиделки еще немного его задержали. Но вот Ямагучи сходил за инканом, обул ся, поспешил на улицу, поймал такси, вышел неподалеку от работы и пошел по кромке картофельного поля. Именно тогда он и услышал над головой гул вражеского бомбардировщика. Ямагучи едва успел заметить пятнышко, отделившееся от самолета. На часах было 8:15.
Многие уцелевшие вспоминают, что бомба рванула как-то не сразу. Грохот обычной бомбы раздается практически одновременно со вспышкой взрыва. А эта бомба мерцала и разбухала постепенно, раскаляясь все сильнее. Ямагучи понял, что окажется почти в эпицентре взрыва, поэтому не мешкал. К тому времени все уже привыкли к воздушным тревогам, поэтому Ямагучи ринулся на землю, зажмурился и заткнул уши пальцами. Ослепительная вспышка длилась какое-то мгновение, потом раздался страшный гул, а за ним последовала ударная волна. В следующий момент Ямагучи ощутил где-то
Очнувшись, Ямагучи не понимал, сколько времени прошло – может быть, считаные секунды, а может быть, час. В городе стоял сумрак. Грибовидное облако подняло с земли тонны пепла и грязи, рядом догорали высушенные листочки картофеля. Кожа Цутому также словно пылала. После выпитого горячего чая он закатал рукава рубашки, а теперь увидел, что предплечья страшно обгорели – по виду увечья напоминали сильнейшие солнечные ожоги. Он поднялся и, пошатываясь, побрел через картофельное поле, через каждые несколько шагов останавливаясь передохнуть, спотыкаясь о другие жертвы – обгоревшие, истекающие кровью, разорванные взрывом. Движимый странным чувством долга, он добрался до офиса «Мицубиси». На месте бывшего здания он нашел дымящиеся развалины, по которым кое-где трепетали последние огоньки, а также обнаружил множество погибших коллег – ему, опоздавшему, так повезло. Ямагучи шел дальше, время медленно текло час за часом. Ямагучи пил воду из покореженных труб, а на станции скорой помощи смог попробовать печенье, после чего его сразу же стошнило. Ближайшую ночь Ямагучи скоротал под перевернутой лодкой на берегу моря. Левая рука Цутому почернела, так как в момент взрыва оказалась без всякой защиты подставлена под белую вспышку.
Все это время под опаленной кожей Ямагучи его ДНК страдала от гораздо более тяжелых увечий. Атомная бомба, сброшенная на Хиросиму, окатила город потоками разнообразного излучения, в том числе высокоэнергетическими рентгеновскими и гамма-лучами. Гамма-лучи, как и другие разновидности радиоактивного излучения, цепляют ДНК и наносят ей точечный ущерб. Гамма-лучи простреливают ДНК и окружающие ее молекулы воды, выбивая из атомов электроны, как зубы при апперкоте. Из-за внезапной потери электронов атомы превращаются в свободные радикалы – химически активные осколки, которые бурно образуют химические связи. Начинается цепная реакция, расплетающая ДНК, а иногда даже рвущая хромосомы на куски.
К середине 1940-х годов ученые начали постепенно понимать, почему дробление или разрушение ДНК вызывает такие катастрофические повреждения в живой клетке. Сначала группе ученых из Нью-Йорка удалось убедительно доказать, что гены являются участками ДНК. Это открытие опровергло всеобщее убеждение в белковой природе наследственности. Но, как показало второе исследование, между ДНК и белками все-таки существует особая связь: ДНК отвечает за
В сумме два этих открытия объясняли, в чем заключается вред радиации. При разрушении ДНК повреждаются гены; когда гены выходят из строя, нарушается синтез белков, а при дефиците белков гибнут клетки. Ученые пришли к такому выводу не сразу; важнейшая научная статья, в которой описано соотношение «один ген – один белок» была опубликована всего за несколько дней до бомбардировки Хиросимы. Однако к тому времени уже было известно достаточно, чтобы содрогнуться об одной мысли о ядерном оружии. Когда в 1946 году Герман Мёллер получил заслуженную Нобелевскую премию, в интервью газете «
Несмотря на весь пессимизм Мёллера, Ямагучи во что бы то ни стало хотел выжить – ради семьи. Он испытывал смешанные чувства относительно войны. Сначала был против нее, затем какое-то время поддерживал, впоследствии вновь склонялся к антивоенным настроениям, когда Япония начала проигрывать. Ямагучи опасался, что на его родной остров высадится неприятель – и что тогда станет с женой и сыном? В таком случае Ямагучи даже был готов дать им смертельную дозу снотворного, чтобы спасти от мучений. Спустя несколько часов после бомбардировки Хиросимы, он очень затосковал по родным. Поэтому, узнав, что из города один за другим уходят поезда, он собрал последние силы и решил побыстрее отправиться домой.
Город Хиросима расположен на множестве островов, и, чтобы попасть на вокзал, Цутому пришлось переправиться через реку. Все мосты обрушились или сгорели, поэтому Ямагучи, сжав волю в кулак, попытался перебраться на другой берег по жуткому месиву мертвых тел, устилавших всю реку. Он буквально полз, отпихивая с пути обгоревшие части тел. Но неожиданно в слое трупов обнаружилась огромная полынья, вынудившая его повернуть назад. Выше по течению реки Ямагучи добрался до железнодорожной эстакады, в которой устоял один из пролетов около сорока метров в длину. Он залез на эту конструкцию, а дальше по металлическому тросу добрался до берега и спустился на землю. Пробравшись через толпу, бедняга очутился на вокзале, а вскоре – и в вагоне поезда. К счастью, поезд тронулся достаточно скоро, Ямагучи был спасен. Поезд летел по рельсам всю ночь, пока, наконец, не прибыл в родной город Цутому – Нагасаки.
Физик, оказавшийся в Хиросиме, мог бы констатировать, что гамма-лучи искорежили ДНК Ямагучи за триллионные доли секунды. С точки зрения химика, самые драматичные события закончились бы за миллисекунду, – к этому моменту свободные радикалы уже успели бы изрешетить ДНК. Цитолог мог бы наблюдать за организмом уцелевшего несколько часов, отслеживая, как клетки пытаются залатать изорванную двойную спираль. Врач диагностировал бы у пострадавшего лучевую болезнь – головные боли, рвоту, внутренние кровотечения, отслоение кожи, малокровие – все эти симптомы проявляются в течение недели. Наибольшее терпение пришлось бы проявить генетику. Генетический ущерб, нанесенный жертвам атомных бомбардировок, проявляется спустя годы и даже десятилетия. По мрачному стечению обстоятельств, именно за эти десятилетия ученые смогли составить полную картину работы генетических механизмов, а также возникающих при этом сбоев. Можно сказать, что они наблюдали растянутый во времени непрерывный репортаж о разрушении ДНК.
Сегодня, изучая в ретроспективе эксперименты над ДНК и белками, проводившиеся в 1940-е годы, мы находим их очень убедительными. Однако в те годы лишь некоторые ученые смогли распознать, что именно ДНК является носителем генетической информации. Более веские доказательства на этот счет были получены в 1952 году вирусологами Альфредом Херши и Мартой Чейз. Они знали, что вирус инфицирует клетку, подменяя ее генетический материал своим. А поскольку вирусы, которые они изучали, состояли только из ДНК и белков, гены должны были находиться либо в ДНК, либо в белках. Альфред и Марта решили пометить вирусы радиоактивными изотопами серы и фосфора, а затем выпустить их в клеточную культуру. Соответственно, если бы генетическая информация передавалась через белок, то в инфицированных клетках обнаружилась бы радиоактивная сера. Но когда Херши и Чейз отделили зараженные клетки, они нашли там только радиоактивный фосфор. Это означало, что вирус внедряет в клетку именно свою ДНК.
Результаты своего исследования ученые опубликовали в 1952 году, окончив статью предостережением: «Описанные эксперименты не предполагают каких-либо иных выводов химического характера». Точно. Все ученые, которые к тому моменту еще занимались проблемой белковой наследственности, забросили свои прежние исследования и сосредоточились на изучении ДНК. Развернулась настоящая гонка – кому же первому удастся понять структуру ДНК? В апреле 1953 года, спустя всего год после выхода статьи Херши и Чейз, весь мир узнал о двух нескладных парнях, научных сотрудниках Кембриджского университета – Фрэнсисе Крике и Джеймсе Уотсоне (кстати, Уотсон ранее учился у Германа Мёллера). Крик и Уотсон впервые предложили термин «двойная спираль», который впоследствии стал легендарным.
Двойная спираль, описанная Уотсоном и Криком, состоит из двух длинных нитей, сплетающихся в единую правовращающую косичку. Поднимите правую руку и направьте большой палец в потолок. Теперь остальные пальцы у вас на правой руке согнуты в направлении против часовой стрелки; можно сказать, что спираль ДНК завивается вокруг них снизу вверх. Каждая нить состоит из двух главных цепей, которые удерживаются вместе парными нуклеотидными основаниями, входящими друг в друга плотно, как кусочки пазла. Угловатый аденин (А) сочетается с тимином (Т), изогнутый цитозин (Ц) – с гуанином (Г). Гениальная догадка Уотсона и Крика заключалась в том, что в силу такой взаимной дополнительности (комплементарности) парных оснований А – Т, Ц – Г одна нить ДНК может служить шаблоном для копирования другой. То есть, если одна сторона двойной спирали содержит нуклеотиды Ц – Ц – Г – А – Г – Т, то вторая должна иметь вид – Г – Г – Ц – Т – Ц – А. Система настолько проста, что всего за одну секунду можно скопировать сотни оснований ДНК.
Все это замечательно, но в то же время двойная спираль не выдала никакой информации о том, как именно гены ДНК формируют белки, – а ведь именно это важнее всего. Чтобы понять этот процесс, ученым пришлось тщательно исследовать «химического родственника» ДНК – молекулу РНК. Эта молекула похожа на ДНК, но в ней закручена лишь одна нить, и вместо тимина (T) находится урацил (У). Биохимики обратились к РНК, поскольку концентрация этой кислоты резко возрастает, когда клетки начинают вырабатывать белки. Но когда они принялись за поиски РНК внутри клеток, оказалось, что эта кислота неуловима, подобно исчезающему виду птиц; удавалось обнаружить лишь крохи, которые тут же пропадали. Понадобились годы усердных экспериментов, чтобы точно установить, что происходит, – как именно клетки преобразуют последовательность оснований ДНК в инструкции для РНК, при помощи которых затем создаются белки.
Сначала клетки осуществляют «транскрипцию» ДНК в РНК. Этот процесс похож на копирование самой ДНК тем, что одна из ее нитей служит шаблоном. Так, последовательность Ц – Ц – Г– А – Г – Т оснований ДНК превратилась бы в молекуле РНК в последовательность Г – Г – Ц – У – Ц – А (основание У встает вместо Т). После сборки такая цепочка РНК выходит за пределы ядра и направляется к особым образованиям, которые занимаются производством белков, – рибосомам. Поскольку молекула РНК передает сообщение от одной стороны к другой, ее называют информационной или матричной РНК (мРНК).
Построение белка (трансляция) начинается в рибосомах. По прибытии мРНК рибосома захватывает ее недалеко от окончания и выявляет всего лишь три звена цепочки (трипле т). В нашем примере был бы обнаружен триплет ГГЦ. После этого к работе приступает второй тип РНК – транспортная РНК (тРНК). Каждая молекула тРНК содержит две основные части: аминокислоту, прикрепленную к ней (груз, который предстоит передать), и триплет РНК, который выступает, подобно мачте корабля. Различные молекулы тРНК могут попытаться прикрепиться к выявленному триплету РНК, но это пройдет успешно лишь тогда, когда основания окажутся комплементарными. Таким образом, к триплету ГГЦ может присоединиться лишь тРНК с фрагментом ЦЦГ. И только после успешного соединения рибосома принимает груз – аминокислоту.
В этот момент молекула тРНК уходит, молекула мРНК сдвигается на три позиции и все начинается заново. Выявляется другой триплет, к которому стыкуется молекула тРНК с другой аминокислотой. Так занимает свое место вторая аминокислота. В конце концов, после множества шагов создается цепочка аминокислот – белок. А поскольку каждому триплету РНК соответствует одна и только одна аминокислота, информация должна в точности быть передана от ДНК к РНК, а затем белку. Этот процесс происходит в каждом живом существе. Введите одну и ту же молекулу ДНК в морскую свинку, лягушку, тюльпан, слизевик, дрожжи, американского конгрессмена – и вы получите одинаковые цепочки аминокислот. Поэтому не удивительно, что в 1958 году Фрэнсис Крик возвел процесс «ДНК → РНК → белок» в ранг центральной догмы молекулярной биологии[12].
И тем не менее догма Крика не объясняет всех нюансов в создании белка. С одной стороны, можно заметить, что из четырех оснований ДНК можно составить 64 различных триплета (4 × 4 × 4 = 64). В то же время эти триплеты кодируют всего лишь двадцать аминокислот, которые содержат наши тела. Почему?
В 1954 году физик Георгий Гамов основал «научный» клуб галстуков РНК (
Несмотря на совместную интеллектуальную мощь, история клуба завершилась в некоторой степени глупо. Физиков зачастую притягивают проблемы повышенной сложности, и вот некоторые участники клуба с «физическим» складом ума (включая Крика, со степенью доктора философии) ринулись работать с ДНК и РНК, не осознав, насколько простым был процесс «ДНК → РНК → белок». Они сосредоточились главным образом на том, как ДНК хранит инструкции, и почему-то решили сначала, что ДНК должна скрывать свои инструкции в виде сложного кода – биологической криптограммы. Ничто так не увлекает компанию мальчишек, как закодированные сообщения. И тогда Гамов, Крик и другие участники принялись подобно компании десятилетних ребят с пачкой чипсов в руках за взлом этого шифра. Вскоре они уселись за рабочие столы и начали исписывать расчетами страницу за страницей. Воображение было удачно раскрепощено при помощи экспериментов. Они выдумали решения: достаточно мудреные, чтобы заставить Уилла Шортца улыбнуться – «ромбовидные коды», «треугольные коды», «коды в виде запятой», а также множество других, уже забытых. Эти коды пришлись бы по вкусу Управлению национальной безопасности: обратимые коды, коды со встроенными механизмами защиты от ошибок, коды, увеличивающие плотность хранения за счет перекрывающихся триплетов. Парням из Управления очень нравятся коды, которые используют анаграммы (то есть ЦАГ = АЦГ = ГЦА и др.). Такой подход выглядел обоснованным, поскольку после изъятия всех повторяющихся комбинаций число уникальных триплетов в точности равнялось двадцати. Другими словами, ученые, казалось бы, нашли связь между числами 20 и 64 – причину, по которой природа просто
По правде говоря, во всем этом было слишком много нумерологии. Неоспоримые биохимические факты вскоре умерили пыл взломщиков кода, показав, что не существует убедительной причины для того, чтобы молекула ДНК кодировала именно 20 аминокислот, а не 19 или 21. Не нашлось также веских оснований (как надеялись некоторые) для того, чтобы каждому триплету соответствовала бы определенная аминокислота. Система в целом оказалась случайной, внедренной в клетки миллиарды лет назад, и теперь настолько укоренилась, что ее невозможно изменить – своего рода порядок расположения букв на клавиатуре компьютера. Более того, в РНК не используется никаких забавных анаграмм или алгоритмов коррекции ошибок, а уж тем более нет стремления к увеличению свободного пространства. В действительности наш код сводится к расточительному излишеству: два, четыре и даже шесть триплетов РНК могут представлять одну и ту же аминокислоту[13]. Некоторые биокриптографы чуть позже испытали досадное чувство, когда сравнили природные коды с лучшими из кодов клуба галстуков РНК. Эволюционный процесс не показался таким уж мудрым.
Однако вскоре досада растворилась. Разгадка кода ДНК/ РНК наконец позволила ученым объединить две разделенные области генетики, которые рассматривали ген как информацию и ген как химическое вещество. Мишер и Мендель впервые оказались крепко объединены. А то, что код ДНК построен так небрежно, в некоторых случаях оказывается только выигрышным. Выдуманные коды обладают приятными свойствами, но чем причудливее становится код, тем больше вероятность того, что он даст сбой. И какими бы небрежными ни были наши коды, они прекрасно справляются с одной задачей: поддержание жизни и минимизация повреждений, вызванных мутациями. Именно на эту замечательную способность и пришлось положиться Цутому Ямагучи, а также многим другим, в августе 1945 года.
Ранним утром 8 августа Ямагучи в обморочном состоянии приехал в Нагасаки и побрел домой. Его семья решила, что он погиб, и ему пришлось убеждать свою жену в том, что он не призрак, показав ей свои ступни (согласно японским верованиям у призраков нет ступней). Этот день он провел в покое, то приходя в сознание, то вновь теряя его. Но при этом он твердо решил на следующий день отправиться в штаб-квартиру фирмы «Мицубиси», которая находилась в Нагасаки.
Он прибыл туда незадолго до 11 часов утра. С перевязанными руками и лицом он изо всех сил старался рассказать своим коллегами о масштабе атомной войны. Однако его начальник не позволил запугать себя, скептически назвав весь рассказ враньем. «Ты ведь инженер, – рявкнул он. – Выполни расчеты. Как может одна бомба разрушить целый город?» Замечательные последние слова. Как только наш нострадамус умолк, комната стала наполняться белым светом. Жар стал терзать кожу Ямагучи, а сам он рухнул на пол офиса.
«Я подумал, – вспоминал он позже, – что это грибовидное облако пришло за мной из Хиросимы».
80 тысяч человек погибли в Хиросиме и еще 70 тысяч – в Нагасаки. Среди нескольких сотен тысяч уцелевших жертв всего лишь около 150 человек (что подтверждается свидетельствами) были в обоих городах в эти дни, а совсем небольшая их часть оказалась в пределах зоны взрыва – внутри круга диаметром около двух с половиной километров с мощным радиоактивным излучением. Некоторые хибакуся (
Вскоре после взрыва в Нагасаки Ямагучи оставил своего обомлевшего начальника и коллег, а затем забрался на один из наблюдательных пунктов, расположенный на холме неподалеку. Под гнетущей завесой грязных облаков он увидел воронку на месте родного города и своего дома. Начался черный радиоактивный дождь, и Ямагучи изо всех сил поспешил спуститься с холма, опасаясь худшего. Но его жена Хисако и сын Кацутоси были в бомбоубежище и остались целы.
Когда радость от встречи с ними утихла, Ямагучи стал чувствовать себя еще хуже, чем раньше. Всю следующую неделю он фактически пролежал в убежище, страдая, как Иов. Его волосы выпали. Нарывы лопнули. Его постоянно тошнило. Лицо опухло, а одно ухо перестало слышать. Обожженная кожа спадала хлопьями, а под ней, подобно китовому мясу, алела плоть и причиняла боль. Как и Ямагучи, в эти месяцы страдали многие, и генетики стали опасаться этой затянувшейся агонии, поскольку постепенно стали проявляться признаки мутаций.
Ученые уже полвека знали о мутациях, но только исследования процесса «ДНК → РНК → белок», проводимые группой клуба галстуков РНК и другими, в точности установили, как устроены эти мутации. В большинстве мутаций встречаются «опечатки» – случайные замены оснований ДНК при ее репликации: например, триплет ЦАГ может превратиться в ЦЦГ. «Тихие» мутации не причиняют вреда, поскольку код ДНК является избыточным. Триплеты, следующие перед мутированным и после него, вызовут одну и ту же аминокислоту, и поэтому общий эффект можно сравнить с вариантами написания слова, вроде «карате» вместо «каратэ». Но если триплеты ЦАГ и ЦЦГ приведут к разным аминокислотам («бессмысленная» мутация), то такая ошибка может нарушить структуру белка и искалечить его.
Гораздо хуже «безумные» мутации. При создании белков клетки будут продолжать трансляцию РНК в аминокислоты до тех пор, пока не встретится один из трех «завершающих» триплетов (например, УГА), который останавливает процесс. «Безумная» мутация случайно превращает нормальный триплет в один из таких стоп-сигналов, который обрывает белок раньше времени и, как правило, выводит его из строя. Мутации могут также отменить стоп-сигнал, и тогда белок будет расти все дальше и дальше. Мутация, которая подобна черной мамбе, – мутация сдвига рамки считывания – не содержит «опечаток». Вместо этого исчезает какое-либо основание или происходит внедрение лишнего. А поскольку клетки считывают РНК последовательными группами по три основания, такая вставка или удаление искажают не только данный триплет, но и все последующие, вызывая многоступенчатую катастрофу.
Обычно клетки моментально исправляют простые «опечатки», но если что-либо пойдет не так (и ведь обязательно пойдет), дефект может навсегда зафиксироваться в ДНК. Каждый живущий ныне человек на деле родился с десятками мутаций, которых избежали его родители. Некоторые из этих мутаций могли бы привести к летальному исходу, если бы у каждого из нас не было двух копий каждого гена, по одному от каждого родителя. Если один из генов работает неправильно, его может подменить второй. Тем не менее все живые организмы с возрастом продолжают накапливать мутации. Небольшие существа, которые обладают высокой температурой тела, особо подвержены риску: на молекулярном уровне тепло является интенсивным движением, а чем сильнее это движение, тем более вероятна возможность ошибки в извивах ДНК при ее копировании. Млекопитающие являются достаточно крупными созданиями и, к счастью, поддерживают постоянную температуру тела, но и они становятся жертвами других мутаций. Когда в цепочке ДНК оказываются рядом два основания Т, ультрафиолетовое излучение может соединить их под неправильным углом, в результате чего образуется петля в ДНК. Такие дефекты могут полностью убить клетку или вывести ее из нормального режима. По сути, все животные (и растения) обладают специальными ферментами, которые расправляют петли T-оснований, но млекопитающие в процессе эволюции лишились таких веществ – именно поэтому млекопитающие подвержены солнечным ожогам.
Помимо самопроизвольных мутаций ДНК может быть повреждена также и внешними факторами, которые называются мутагенами. Некоторые мутагены причиняют больший урон, чем радиоактивность. Опять же, радиоактивные гамма-лучи приводят к образованию свободных радикалов, которые расщепляют фосфатно-сахарную основу ДНК. Теперь ученые знают, что если разорвется лишь одна из нитей двойной спирали, клетки способны с легкостью исправить повреждение, зачастую в течение часа. У клеток есть молекулярные «ножницы», с их помощью вырезается искалеченный участок ДНК, после чего в ход идут ферменты, которые прочесывает неповрежденную нить и добавляют в каждой точке комплементарные основания А, Ц, Г или Т. Процесс восстановления быстр, прост и точен.
Двойная спираль разрывается реже, но последствия этого более страшные. Двойные разрывы напоминают наспех ампутированные конечности: с обеих концов разорванной ДНК выступают остатки одиночной спирали. В клетках есть две практически одинаковые копии каждой хромосомы. Если в одной из них произойдет разрыв двойной спирали, клетки способны сравнить испорченные участки с другой хромосомой (будем надеяться, неповрежденной) и выполнить исправление. Но процесс этот трудоемкий, и если клетки обнаруживают, что вокруг есть повреждения, для которых необходимо быстрое восстановление, то зачастую происходит просто сцепление выступающих обрывков спирали по нескольким выровненным основаниям (даже если остальные не выровнены), а отсутствующие основания спешно заполняются. Неверно определенные основания могут вызвать ужасающую мутацию сдвига рамки считывания – и таких неверных «угадываний» предостаточно. Клетки, которые восстанавливают разрывы двойной спирали, совершают неверные действия приблизительно в 3000 раз чаще, чем при обычном копировании ДНК.
Хуже того, радиоактивность способна уничтожать фрагменты ДНК. Высокоорганизованным существам приходится сворачивать многочисленные витки ДНК, образуя маленькие ядра; человеческий рост (чуть менее двух метров) сжался бы до размеров меньше двух тысячных долей сантиметра. Такое интенсивное сдавливание часто приводит к тому, что ДНК становится похожей на запутанный телефонный шнур: спираль пересекает саму себя или многократно изгибается. Если гамма-лучи проникнут в ДНК и разорвут ее рядом с одним из таких пересечений, то появится множество свободных концов, расположенных близко друг к другу. Клетки «не знают», как были выстроены исходные спирали (у них нет памяти), и поэтому, стремясь спешно исправить повреждение, они иногда скрепляют то, что должно быть отдельными спиралями. Так вырезается и фактически уничтожается промежуточный участок ДНК.
Что же происходит в результате таких мутаций? Клетки, которые подавлены большим числом повреждений ДНК, могут почувствовать неладное и уничтожить себя, чтобы не жить с нарушениями функций. В небольших дозах такое самопожертвование щадит тело, но если одновременно умрет слишком много клеток, то могут отключиться целые системы органов. В сочетании с интенсивными ожогами такие отключения органов вызвали многочисленные случаи смертей в Японии, и некоторые из жертв, которые не умерли сразу же, вероятно, желали бы такого исхода. Те, кому удалось выжить, рассказывают о том, что ногти у людей отпадали словно высохшая скорлупа. Они вспоминают «обугленные куклы» ростом с человека, которые были свалены штабелями в проходах между домами. Кто-то вспоминает человека, ползущего на двух культях и держащего обугленного ребенка вниз головой. Кому-то из памяти появляется женщина без сорочки, с пылающими, как «плоды граната», грудями.
Ямагучи во время своих мучений в бомбоубежище – безволосый, обожженный, лихорадочный, наполовину глухой – чуть было не присоединился к этому списку погибших. И только благодаря преданному уходу со стороны семьи ему удалось выкарабкаться. Некоторым ранам все еще требовались повязки, причем на несколько лет. Но в целом его удел Иова превратился в судьбу Самсона: раны большей частью зажили, сила возвратилась, волосы отросли заново. Он снова устроился на работу, сначала в «Мицубиси», а затем в качестве учителя.
Но до полного избавления было еще далеко – теперь Ямагучи оказался лицом к лицу с более коварной и настойчивой угрозой. Если радиоактивность и не убивает клетки моментально, она может вызвать мутации, которые приведут к раку. Эта зависимость может показаться нелогичной, так как мутации обычно повреждают клетки, но клетки опухоли начинают буйно раз растаться, делясь и увеличиваясь в количестве с ужасающей быстротой. В действительности у всех здоровых клеток есть гены, которые играют роль регулятора для двигателя, снижая «обороты» и поддерживая метаболизм в норме. Если мутация выводит регулятор из строя, то клетка может не увидеть веской причины для того, чтобы убить себя, и в итоге (особенно если другие гены, например те, которые регулируют скорость деления клеток, также повреждены) она начинает поглощать ресурсы, а также своих соседей.
Многие из уцелевших жителей Хиросимы и Нагасаки получили такие дозы радиации (причем за один прием), которые в сто раз превосходят радиационный фон, поглощаемый человеком в обычных условиях за год. И чем ближе они были к эпицентру взрыва, тем больше повреждений и мутаций возникло в их ДНК. Как и ожидалось, клетки, которые быстро делятся, быстрее распространяют и повреждения в ДНК, в результате чего в Японии тут же возникла вспышка лейкемии, ракового заболевания белых кроветворных клеток. Эпидемия лейкемии пошла на убыль спустя 10 лет, но тем временем набрали силу другие заболевания: рак желудка, толстой кишки, легких, мочевого пузыря, щитовидной железы, молочных желез.
Если участь взрослых людей была незавидной, то еще не родившиеся и пребывающие в утробе оказались намного более уязвимыми: любая мутация или повреждение многократно повторялись в их клетках. Было много выкидышей, если возраст плода составлял менее четырех недель, а у тех, кто выжил и появился на свет в конце 1945 – начале 1946 года, обнаружилось множество врожденных дефектов, таких как маленькие головы или несформированный мозг. (Самый высокий коэффициент интеллекта IQ среди таких неполноценных детей был равен 68.) Но после всего этого в конце 40-х годов многие из 250 тысяч японцев-
Специалисты по радиации мало что могли посоветовать насчет того, чтобы
Но опять-таки, никто не знал всего с уверенностью, и над каждым будущим ребенком в Хиросиме и Нагасаки в течение десятилетий был подвешен дамоклов меч, усиливавший обычные тревоги тех, кто готовился стать родителями. В удвоенной мере это должно было относиться к Ямагучи и его жене, Хисако. Они оба в начале 50-х годов достаточно восстановили свои силы, для того чтобы завести детей, вне зависимости от долгосрочных прогнозов. Рождение первой дочери, Наоко, поначалу подтверждало мнение Мёллера, поскольку у нее не наблюдалось видимых дефектов или уродств. Затем родилась вторая дочь, Тосико, которая также оказалась здоровой. Но, будучи рожденными в добром здравии, обе дочери Ямагучи оказались болезненными в детстве и во взрослом возрасте. Предполагают, что они унаследовали генетически подорванную иммунную систему от дважды облученного отца и облученной матери.
Если же говорить о Японии в целом, то среди детей
Более того, люди, которые были напрямую подвержены радиоактивному облучению, оказались более живучими, чем ожидали ученые. Сын Ямагучи, Кацутоси, прожил после взрыва в Нагасаки еще более пятидесяти лет и умер от рака в 58-летнем возрасте. Хисако прожила намного дольше, скончавшись в 2008 году в возрасте 88 лет от рака печени и почки. Да, возможно плутониевая бомба в Нагасаки стала причиной обоих заболеваний. Но в таком возрасте заболеть раком вполне вероятно и по другим причинам. Сам же Ямагучи, несмотря на двойное облучение в Хиросиме и Нагасаки в 1945 году, прожил еще 65 лет и скончался от рака желудка в 2010 году в возрасте 93 лет.
Никто с уверенностью не может сказать, почему Ямагучи оказался исключением – почему он столько прожил после двойного облучения, в то время как другие умерли от сравнительно малых доз радиации. Ямагучи никогда не подвергался генетической проверке (по крайней мере, исчерпывающей), но даже если бы она и проводилась, медицине не хватило бы знаний, чтобы дать заключение. Мы можем лишь строить науко образные догадки. Во-первых, очевидно, что его клетки проделали адскую работу по восстановлению разорванных двойных спиралей ДНК и дублированию погибших. Возможно, у него были более продуктивные восстанавливающие белки, которые работали быстрее или эффективнее, или же некие комбинации восстанавливающих генов, которые действовали особенно хорошо при совместной работе. Во-вторых, мы можем также предположить, что, несмотря на наличие некоторых неизбежных мутаций, они не вывели из строя ключевые внутриклеточные структуры. Может быть, мутации коснулись тех участков ДНК, которые не отвечают за кодирование белков. В-третьих, возможно, что в его случае происходили лишь «тихие» мутации, при которых триплет ДНК изменяется, а аминокислота, вследствие избыточности, – нет. (В таком случае его спас тот самый «сляпанный» код, который разочаровал участников клуба галстуков РНК.) И наконец, в-четвертых, Ямагучи, по-видимому, до последних дней своей жизни смог избежать каких-либо серьезных повреждений в своих генетических регуляторах ДНК, которые сдерживают развитие потенциальных опухолей. Его могла уберечь любая из этих причин (или все они, вместе взятые).
А возможно – и это в равной степени правдоподобно, он и не был особенным человеком с точки зрения биологии. Может быть, многие другие смогли бы выжить, подобно ему. И, осмелюсь сказать, некоторая надежда на это существует. Даже самые смертоносные виды оружия, когда-либо изобретенные, которые способны мгновенно убить десятки тысяч людей, которые атакуют и терзают биологическую сущность людей, их ДНК, не уничтожают народ. И они не способны также отравить следующее поколение: тысячи детей – потомки тех, кто уцелел после атомного взрыва, – живут и здравствуют сегодня. После более чем трех миллиардов лет облучения ДНК космическими лучами и солнечной радиацией, а также повреждений разного характера природа выработала свои защитные методы, которые позволяют восстановить и сохранить целостность ДНК. И не только той «догматической» ДНК, сообщения которой транскрибируются в РНК и транслируются в белки, но и всех видов ДНК, включая те, утонченный язык и математические структуры которых ученые только начинают исследовать[15].
Глава 4. Саундтрек ДНК
Это, конечно, произошло случайно, тем не менее каламбур из «Алисы в Стране чудес» в последнее время вступил в любопытный резонанс с ДНК. В реальной жизни автор «Алисы» Льюис Кэрролл, он же Чарльз Лютвидж Доджсон, преподавал математику в Оксфордском университете. А одним из самых известных (по крайней мере фанатам) эпизодом из «Алисы» являются стенания Черепахи Квази о «четырех действиях арифметики – скольжении, причитании, умилении и изнеможении[16]». Однако прямо перед этим Черепаха Квази говорит нечто примечательное, утверждая, что в школьные годы не «развивался», а «извивался»[17]. Конечно, это просто очередная шуточка, однако слово «извиваться» пробудило интерес со стороны некоторых математически подкованных исследователей ДНК.
Специалистам давным-давно было известно, что ДНК, длинная и активная молекула, может запутываться в самые невероятные клубки. А вот чего ученые не могли понять, так это того, почему эти клубки не засоряют наши клетки. Современные биологи ищут ответ на этот вопрос не в самой известной области математики – теории узлов. Уже много тысяч лет, как моряки и портные оценили практическую пользу узлов, в религиозных традициях – причем у таких далеких друг от друга людей, как кельты и буддисты, – определенные узлы считались священными, но систематическое изучение узлов началось только в конце XIX века, в викторианской Англии Кэрролла (Доджсона). В то время ученый-универсал Уильям Томсон, лорд Кельвин, предположил, что все элементы периодической системы химических элементов (таблицы Менделеева) на самом деле – микроскопические узлы различной формы. Точнее говоря, Кельвин определял эти атомные узлы как закрытые петли (узлы с распутанными концами, что-то вроде шнурков для ботинок – это «клубки»). Также он определил «уникальный» узел – уникальный образец нитей, пересекающихся над и под друг другом. Таким образом, если стянуть эти петли в один узел и распутать все его пересечения, чтобы сделать их похожими на другой узел, они останутся тем же самым узлом. Кельвин предположил, что уникальная форма каждого узла приводит к возникновению различных свойств у каждого химического элемента. Вскоре физики-ядерщики опровергли эту мудреную теорию, но Кельвин вдохновил шотландского физика П. Г. Тэта начертить диаграмму уникальных узлов, и с тех пор теория узлов продолжала развиваться совершенно обособленно.
Поначалу теория узлов включала в себя в основном игры с «колыбелью для кошки» и подсчет их итогов. Самый тривиальный узел – О («в миру» – круг) специалисты педантично называли «не-узлом». Прочие уникальные узлы классифицировались по числу пересечений, и в итоге к июлю 2003 года ученые могли идентифицировать 6 217 553 258 отдельных узлов, имеющих до 22 различных причудливых переплетений, то есть примерно по одному узлу на каждого жителя Земли. Между тем другие специалисты по теории узлов не ограничились простым перечислением возможных вариантов и разработали пути трансформации одного узла в другой. Для этого, как правило, вырезается участок нити в месте пересечения, перемещается под верхнюю нить, после чего нити снова соединяются отрезанными концами. Иногда это делает узлы более сложными и запутанными, но часто и наоборот, упрощает их. Теорию узлов изучают авторитетные математики, но, несмотря на это, в ней по-прежнему господствует атмосфера игры. Если не считать претендентов на Кубок Америки по парусному спорту, никому и не снилось применение теории узлов на практике – до тех пор, пока в 1976 году не было обнаружено, что ДНК тоже завязывается узлом.
Цепочка ДНК переплетается и завязывается в узлы по нескольким причинам: это и ее длина, и постоянная активность, и, вместе с тем, изолированность от других цепочек. Ученые успешно проводили симуляции ДНК внутри активного клеточного ядра: помещали в коробку длинную тонкую веревку и затем трясли ящик. Концы веревки причудливейшим образом переплетались, за несколько секунд образуя удивительно сложные узлы, имевшие до 11 пересечений (вы легко сможете это себе представить, если когда-нибудь роняли в сумку наушники и через некоторое время пытались достать их оттуда). Подобные клубки в ДНК могут привести к летальному исходу, так как клеточные механизмы, отвечающие за копирование и транскрибирование ДНК, должны делать это спокойно и постепенно; узлы же этот процесс срывают. К сожалению, смертоносные узлы и переплетения могут создаваться и во время самих процессов копирования и транскрибирования ДНК. Копирование ДНК требует разделения спирали на две нити, но разделить две тесно переплетенные нити такой спирали не проще, чем плотно сплетенный волосяной жгут. Более того, когда клетки начинают копировать ДНК, длинные липкие свободно раскачивающиеся нити могут переплестись между собой. Если не произойдет хорошего рывка и нити не выпутаются, это сплетение окажется губительным – произойдет своеобразное самоубийство клетки.
Кроме собственно узлов, ДНК может оказаться и в других топологических переделках. Линии могут сцепиться друг с другом, как соседние звенья цепи. Они могут очень плотно перепутаться, испытав такое усилие, которое мы прилагаем к тряпке, когда выжимаем ее, или же к клейму, прижимаемому к предплечью. Они могут свернуться кольцами туже, чем гремучие змеи. И вот как раз последняя из конфигураций – кольца – возвращает нас к Льюису Кэрроллу и Черепахе Квази. Специалисты по теории узлов определили некоторые кольца как «корчи», а весь процесс образования колец сравнили с извиванием от боли, как если бы нити ДНК переплетались в агонии. Может, Черепаха Квази, как считают некоторые современные исследователи, хитро ссылается на теорию узлов с ее «извивами»?
С одной стороны, Кэрролл работал в престижном университете как раз в то время, когда Кельвин и Тэт начали изучать теорию узлов.
Теория узлов была не единственной математической проблемой, появлявшейся во время исследований ДНК. Для этого также использовались диаграммы Венна и принцип неопределенности Гейзенберга. Архитектура ДНК обнаруживает следы «золотого сечения» – отношения длины к ширине, которое наблюдается в классических зданиях, таких, как Парфенон. Геометры-энтузиасты скручивали ДНК лентой Мебиуса, конструировали из нее все пять правильных многогранников. Специалистам по клеточной биологии теперь известно, что, даже просто для того, чтобы закрепиться в ядре, длинная волокнистая ДНК должна сложиться и разложиться во фрактальную модель: петли внутри петель внутри петель – при этом практические невозможно определить, какой шкалой – нано-, микро-, миллиметровой – вы сейчас пользуетесь. Наиболее же невероятное достижение покорилось группе японских ученых, которые, присвоив комбинациям А, Ц, Г и Т определенные буквенные и цифровые значения, смогли внедрить закодированную надпись «E = mc2 1905!» в ДНК обычной почвенной бактерии.
Поделиться книгой: