Что за безумное стремленье! - Фрэнсис Крик

По моему мнению, существуют два справедливых критических замечания в адрес концепции естественного отбора. Первое состоит в том, что мы пока еще не можем на основании исходных посылок рассчитать скорость естественного отбора, разве только весьма приблизительно, хотя, возможно, эта задача станет легче, когда мы лучше разберемся в том, как развиваются организмы. В конце концов, довольно странно, что нас так волнует эволюция организмов (процесс, трудный для изучения, ведь он происходил в прошлом и по природе своей непредсказуем), в то время как мы всё еще не знаем точно, как они функционируют в современную эпоху. Эмбриологию изучать намного легче, чем эволюцию. Логичнее было бы вначале изучить достаточно подробно, как организмы развиваются и как они работают, и только затем задаваться вопросом, как они эволюционировали. Но эволюция – настолько завораживающая тема, что мы не можем устоять перед искушением попытаться объяснить ее прямо сейчас, несмотря на то что наши познания в эмбриологии все еще далеко не полны.

Второе замечание гласит, что мы можем пока не знать всей механики, которая сложилась в ходе эволюции, чтобы сделать естественный отбор более эффективным. Нас могут еще поджидать сюрпризы в том, что касается уловок природы, призванных сделать эволюцию легче и быстрее. Один из примеров подобного механизма, вероятно, половое размножение, и, судя по всему, могут существовать и другие, еще не открытые. «Эгоистичная» ДНК – большие фрагменты ДНК в наших хромосомах, не несущие какой-либо внятной функции, – может оказаться компонентом еще одного такого механизма (см. с. 248). Вполне возможно, что эта «эгоистичная» ДНК играет важную роль в ускоренной эволюции некоторых сложных механизмов генного регулирования, значимых для высших организмов.

Но, если оставить в стороне эти оговорки, процесс естественного отбора могуч, гибок и имеет огромное значение. Поразительно, что в современном обществе так мало людей, понимающих его как следует. Можно принимать все доводы насчет эволюции, генов и естественного отбора, вместе с представлением, что гены – это единицы инструкции в сложной программе, которая не только формирует организм из оплодотворенной яйцеклетки, но и в значительной мере помогает управлять его дальнейшим поведением. И при этом можно оставаться в недоумении. Как, спросите вы, гены могут быть такими умными? Что такого способны делать гены, что обеспечивало бы сооружение всех этих чрезвычайно сложных и отлично управляемых органов у живых существ?

Чтобы ответить на этот вопрос, нужно вначале иметь представление о размерном уровне, который мы обсуждаем. Какого размера ген? В то время, когда я начинал заниматься биологией – в конце 1940-х, – у нас уже имелись кое-какие косвенные данные, указывавшие, что отдельный ген, вероятно, не больше очень крупной молекулы, то есть макромолекулы. Любопытно, что простой, содержательный довод, основанный на здравом смысле, тоже указывает в этом направлении.

Генетика учит, что, грубо говоря, половину наших генов мы получаем от матери, из яйцеклетки, а половину – от отца, из сперматозоида. А головка человеческого сперматозоида, которая содержит эти гены, очень мала. Отдельный сперматозоид слишком крохотный, чтобы увидеть его невооруженным глазом, хотя его и можно ясно рассмотреть в мощный микроскоп. Однако в этом малом объеме каким-то образом помещается практически полный набор инструкций для построения целого человека (яйцеклетка обеспечивает дубликат). Обдумав математическую сторону, мы неизбежно приходим к выводу, что ген должен быть по бытовым меркам очень-очень маленьким, сравнимым по размеру с очень крупной молекулой вещества. Само по себе это не объясняет нам, как работает ген, но подсказывает, что имеет смысл сперва обратиться к химии макромолекул.

К тому времени уже было известно, что каждая химическая реакция внутри клетки катализируется определенным типом крупных молекул. Такие молекулы называются ферментами. Ферменты – рабочие механизмы живой клетки. Впервые их открыл в 1897 г. Эдуард Бюхнер, получивший за это Нобелевскую премию десять лет спустя. В ходе своих опытов он давил клетки дрожжей гидравлическим прессом и получал насыщенную смесь дрожжевых экстрактов. Его интересовало, смогут ли частицы живой клетки осуществлять какую-нибудь из клеточных химических реакций, потому что в те времена большинство исследователей считало, что для проведения таких реакций клетка должна быть целой. Так как ему было нужно законсервировать экстракт, он использовал ту же стратегию, что и повар на кухне: добавил побольше сахара. К его удивлению, экстракт вызвал брожение сахарного сиропа! Так были открыты ферменты, или энзимы (слово «энзим» означает «в дрожжах»)[14]. Вскоре обнаружили, что ферменты можно получить из множества других типов клеток, включая человеческие, и что в каждой клетке содержится великое множество разных видов ферментов. Даже простая бактериальная клетка может содержать более тысячи разных типов ферментов, и молекул каждого типа бывают сотни и тысячи.

В благоприятных условиях можно выделить определенный фермент, очистив от примеси всех остальных, и изучить его действие изолированно, в растворе. Подобные исследования показали, что каждый фермент весьма специфичен и катализирует только одну определенную химическую реакцию или, в лучшем случае, несколько близких реакций. Без данного конкретного фермента химическая реакция в условиях умеренной температуры и кислотности, обычно свойственных живой клетке, проходит очень-очень медленно. Добавьте фермент, и реакция пойдет нормальным темпом. Если вы как следует разболтаете в воде крахмал, мало что произойдет. Плюньте туда, и фермент амилаза в вашей слюне начнет расщеплять крахмал на сахара.

Следующим крупным открытием стало то, что все исследованные ферменты оказались макромолекулами и все они принадлежали к одному и тому же семейству макромолекул – к белкам. Ключевое открытие сделал в 1926 г. однорукий американский химик Джеймс Самнер. Нелегко заниматься химическими опытами с одной рукой (другую он потерял в юности из-за несчастного случая на охоте), но Самнер, обладая решительным характером, задался целью доказать, что ферменты – белки. Ему удалось показать, что один конкретный фермент – уреаза – является белком, и получить его кристаллы, однако его выводы поначалу не получили поддержки. Напротив, группа немецких исследователей горячо оспаривала эту идею, к досаде Самнера, но в итоге оказалось, что он был прав. В 1946 г. за свое открытие он получил Нобелевскую премию по химии (совместно с двумя другими учеными). И хотя недавно обнаружилось несколько важных исключений из этого правила, идея, что ферменты – это почти всегда белки, все еще верна.

Белки, таким образом, представляют собой семейство хитроумно устроенных и разнообразных молекул. Едва ознакомившись с ними, я осознал, что одна из ключевых проблем – объяснить, как они синтезируются. Существовало и третье важное умозаключение, хотя в 1940-е гг. оно было настолько ново, что не все были готовы его принять. К нему пришли Джордж Бидл и Эд Тейтем. (Они тоже получат Нобелевскую премию в 1958 г. за свое открытие.) Работая с хлебной плесенью Neurospora, они обнаружили, что у каждой мутантной формы, исследованной ими, как будто не хватало всего лишь одного фермента. Они сформулировали знаменитый принцип: «один ген – один фермент».