Десять великих идей науки. Как устроен наш мир.

Эткинз Питер

Артистичностью они обладали, а вот жизнестойкостью нет, ибо H. neanderthalensisисчезли около 30 тысяч лет назад, став тупиком эволюции, сухим листом на ветке дерева жизни. Вымирание неандертальцев началось около 40 тысяч лет назад с волны вторжения, которая хлынула через Европу с востока на запад и закончилась около 27 тысяч лет назад. Завоевателями были кроманьонцы (рис. 1.14), разновидность H. sapiens, почти идентичная современному человеку и названная по имени места Кро Маньон в центральной Франции (близ деревни Лес Эйзи в Дордони), где в 1868 г. были найдены первые образцы. Кроманьонец был адаптирован к теплу, и это подтверждает точку зрения, что он (вместе со своей «ею», разумеется) прибыл из Африки. Кроманьонцы сметали все перед собой, возможно благодаря своему значительному превосходству в орудиях (т.е. в оружии), известных как Ориньякские, которые включали кость и олений рог, а также изысканную глиняную посуду, или благодаря тому, что у неандертальцев не было защиты от принесенных ими болезней, или потому, что из-за недостаточно артикулированной речи неандертальцы не могли достаточно

эффективно общаться, чтобы координировать свою оборону. Кроманьонцы жили в шалашах и употребляли ловушки для животных, луки и стрелы, черенки и рукоятки для ножей и битум для их крепления. Война теперь вступила на путь индустриализации, и этому суждено было стать проклятьем человеческой истории на все последующие тысячелетия.

Рис. 1.14.Кроманьонский человек был почти идентичен современному человеку, показанному здесь в несколько идеализированном виде. Это высоко интеллектуальное творение находится в процессе уничтожения других видов, более масштабного, чем любой из его конкурентов, включая природные катастрофы. Однако, как показывают следующие страницы, несмотря на недостаток самоконтроля, это парадоксальное животное способно к утонченному пониманию и, как показывают страницы других книг, к утонченным художественным достижениям.

Современные люди, однако, когда не заняты бойней, имеют теперь все необходимое, чтобы поразмышлять о своей окружающей среде, о своей физической и психологической природе, о строении вещества, которое их окружает и которое они медленно познают, чтобы подчинить своей воле. Что будет дальше, зависит от того, куда приведут эти начинания.

Глава вторая

ДНК

Рационализация биологии

Почти все проявления жизни заложены на молекулярном уровне, и без понимания молекул мы можем иметь лишь весьма поверхностное понимание самой жизни.

Френсис Крик

Великая идея: наследственность закодирована в ДНК

Каждый из нас состоит почти из сотни триллионов самих себя. Каждая из наших клеток — а их примерно сто триллионов, и большинство их так малы, что понадобится около двух сотен, чтобы покрыть точку над i — содержит полную схему нашего тела. В принципе (всегда угрожающе подозрительный оборот речи) ваше тело, рассыпанное на свои сто триллионов клеток, могло бы породить сто триллионов вас, каждый из этих новых вас, рассыпанный снова, мог бы стать еще одной сотней триллионов, и вы с вашими клонами очень быстро достигли бы абсолютного доминирования во Вселенной. К счастью, имеются физические и биологические ограничения, делающие невозможным воплощение этой фантазии. Но даже рассмотрение такой возможности заставляет предположить, что мы в беспрецедентной степени осведомлены о клеточной природе жизни.

Мы осведомлены. Дарвин и его современники, возможно, за исключением одного монаха, ничего не знали о природе наследственности. Несмотря на то что они проницательно смотрели на мир природы и хорошо осознавали результаты конкуренции, крылья их понимания были подрезаны неосведомленностью о механизмах наследования. Наиболее почитаемым механизмом в то время была смешанная наследственность, при которой каждый из родителей сливает свои наследуемые характеристики в общий котел, которому предстоит стать их ребенком, и ребенок возникает из этой смеси. Тот факт, что подобное смешивание не смогло бы поддерживать естественный отбор, поскольку новые адаптационные свойства быстро размывались бы, использовался как сильный аргумент против точки зрения Дарвина и задерживал полное принятие его теорий. Аристотель, хотя и был замечательным искателем вопросов, давал обычно неверные ответы, снова и снова демонстрируя бесполезность размышлений в кресле, не подкрепленных экспериментом. [5] Замечая, что кровь омывает все органы тела, Аристотель назначил носителем наследственности кровь, и этот взгляд сохранился до сих пор в качестве метафоры. Он считал семя очищенной кровью, которая при копуляции смешивается с менструальной кровью и порождает следующее поколение.

5

Размышления в кресле, связанные с экспериментом, конечно, чрезвычайно продуктивны и являются ядром научного метода.

Монахом, владевшим ключом, конечно, был Грегог Мендель (1822-84), названный Иоганном при рождении в семье фермера в Хайнцендорфе, на севере Моравии, провинции в Австрийской Силезии, позднее вошедшей в Чехословакию, ныне Чешскую Республику. Отец Менделя, Антон, был незадачливым малым, чье здоровье и средства к существованию были подорваны ботаникой в виде упавшего на него дерева. Антон продал ферму своему племяннику, так что смог вносить плату за сына, которому предстояло посвятить жизнь ботанике в школе в Троппау и затем в университете в Олмютце. Единственным способом получить дешевое образование для Менделя было поступление в монастырь Св. Томаша в Брюнне (теперь Брно) в возрасте двадцати двух лет, где он принял имя Грегор и был возведен в сан священника в 1847 г. Шагом, подготовившим его ум к малой арифметике наследственности, которую ему суждено было разработать позже, было направление в Вену для изучения наук и математики, чтобы стать учителем. Однако его успехи в учении были незначительны, особенно в биологии, и через два года он возвращается в монастырь, чтобы позднее стать его аббатом (1868).

Мендель был священником прихода в прелатстве имперского и королевского Австрийского ордена императора Франца-Иосифа, заслуживающим похвал директором Моравского ипотечного банка, основателем Австрийской метеорологической ассоциации, членом Моравского и Силезского общества поддержки агрокультуры,

естественных наук и краеведения, и, что наиболее важно, садовником. В 1850-х гг., примерно в то же время, когда Дарвин записывал свои мысли, он начал исследования, сделавшие его посмертно знаменитым. Множество вопросов о достоверности его работы или работы его ассистентов поднималось — и энергично отводилось, — когда выдающийся статистик и генетик Рональд Элмер Фишер (1890-1962) объявил, что цифры, приводимые Менделем, вызывают подозрения. Позднее понимались вопросы, знал ли действительно Мендель, что он делает, и не является ли миф, выросший вокруг его достижений, скорее следствием нашей подслеповатости, чем его прозрения. Так, толчком к работам Менделя послужило желание понять скорее правила гибридизации, чем механизм наследственности. Мотивацией же была попытка реализовать преобладающую в то время точку зрения, что новые виды возникают из гибридизации, причем «устойчивые» гибриды и становятся новыми видами. Его безрассудной целью было создание новых видов, и он потерпел в этом оглушительное фиаско.

Мендель представил свои результаты — по существу, мрачный отчет о неудаче — в собрании общества естествоиспытателей Брюнна на заседаниях 8 февраля и 8 марта 1865 г. и опубликовал их как «Опыты над растительными гибридами» (Versuche "uber Planzenhybriden)в трудах общества в 1866 г. Эти результаты были полностью проигнорированы, если не считать вводящей в заблуждение цитаты в Die Pflanzen Mischlinge(1881) В.О. Фока, и пролежали незамеченными до 1900 г. Возможно, они были проигнорированы потому, что с современной им точки зрения описывали лишь неудачу в попытке выявить рациональные основы гибридизации, а дрейф Менделя в сторону административной работы также мог отражать его собственное разочарование в печальном исходе трудов всей его жизни. Затем три ботаника — Хуго де Врис в Голландии, Карл Эрих Корренс в Германии и Эрих Чермак фон Зейсенегг в Австрии — обнаружили, как они заявили, что сами того не зная, как они заявили, повторили его работу. В этих сообщениях имеется специфический привкус надувательства, поскольку было согласовано, что один из авторов (де Врис) отложит признание приоритета Менделя до той поры, когда окажется, что другой (Корренс) уже опубликовал подобную работу, так что де Врис, понимая, что так или иначе первенство придется уступить, объявил приоритет Менделя попыткой замутить блеск сообщения Корренса. Вся манера объяснений была выдержана в духе пренебрежения к работе Менделя тридцатипятилетней давности, и содержала утверждения, что он был вторгшимся в науку любителем, что он был слишком тесно связан с церковью, от которой ничего хорошего ждать не приходится, что его математические построения — даже в простой арифметике, которая ему требовалась — приводят в замешательство современных биологов. Истина может быть проще: до тех пор, пока де Врис, Корренс и фон Зейсенегг не вытащили на свет его работу и не взглянули на нее с более современной точки зрения, о механизме наследственности не появилось ни одной стоящей мысли.

Хотя Мендель провел свои исследования в девятнадцатом веке, их значение стало очевидным только в двадцатом. Теперь мы понимаем, что Мендель квантовал наследственность, подобно тому, как Планк квантовал энергию (см. главу 7). Теперь мы способны увидеть, что его достижением были свидетельства, которые привели к низвержению преобладающей тогда теории смешанной наследственности и к ее неизбежно последовавшей замене на теорию, в которой наследственную информацию несли дискретные единицы. В течение восьми лет его внимание было сфокусировано на садовом горохе (Pisum sativum), обладавшем множеством свойств, необходимых для проводимых им исследований. Во-первых, сама структура цветка довольно специфична и дает возможность либо легко скрестить два растения, либо, как это случается в природе, позволить им самоопылиться. Более того, это растение имеет ряд изменчивых характеристик: например, его лепестки могут быть белыми или пурпурными, его горошины могут быть округлыми или покрытыми морщинами, иметь зеленую или желтую внутренность, находиться в желтом или зеленом стручке, а его ростки могут быть кряжистыми или тонкими. Более того, и, возможно это было подлинной причиной, горошины имели достаточно низкую цену на рынке семян, занимали мало места и давали много ростков в относительно короткое время. Мы также можем подозревать, что гороховый суп удручающе часто появлялся в меню монастыря Св. Томаша. Единственным недостатком садового гороха было то, что он не слишком фотогеничен в пейзаже, и экспериментальный садик Менделя засадили, к удовольствию посетителей, более привлекательными бегониями (рис. 2.1).

Рис. 2.1.Сад Менделя в его монастыре. Мендель использовал в своей работе обычный горох, что оказалось удачным выбором, отчасти из соображений экономии, но также и потому, что многие характеристики гороха генетически независимы. В настоящее время этот сад засажен бегониями.

Мендель хотел знать, каким способом гибридизация декоративных растений производит изменения, повторяющиеся в следующих поколениях. Он решил поискать систематическую схему, которая, как он считал, могла скрыто присутствовать в наблюдениях. В первые два года он решил убедиться, что его растения дают правильное потомство, что кустики зеленого гороха порождают зеленый горох, а кустики желтого гороха порождают желтый, и то же происходит с другими признаками. Потом он начал серию перекрестных опылений и самоопылений. Например, когда он скрещивал зеленый горох с желтым, весь горох в потомстве первого поколения (в так называемых F ₁гибридах) был желтым. Однако, когда гибриды самоопылялись, три четверти гороха в следующем, F ₂, поколении были желтыми, а одна четверть зеленой. Таинственным образом первоначальный зеленый опять появился. Подобная схема, с тем же численным отношением, возникала, когда он скрещивал и потом самоопылял растения, проявляющие другие характеристики. Ясно, что схема проявилась, а схемы вопиют, требуя объяснения.