«подобие». Единицы наследственной информации, закодированные в ДНК и упакованные в хромосомы, передаются через сперматозоиды и яйцеклетки в эмбрион, а из эмбриона – в каждую клетку организма. Эти единицы кодируют инструктивные послания для построения белков, а инструкции и белки, в свою очередь, реализуют структуру и функции организма.
Но, хоть это описание механизма наследственности и отвечает на вопрос Менделя, как подобное порождает подобное, оно не помогает разгадать обратную загадку Дарвина – как подобное порождает непохожее. Чтобы эволюция происходила, необходима генетическая изменчивость: организмы должны производить потомство, генетически отличное от обоих родителей. Если гены обычно передают «подобие», то как они могут передавать «непохожесть»?
Один из механизмов изменчивости в природе – это мутации, то есть изменения последовательности ДНК (например, Т замещает A), которые могут повлиять на структуру белка и тем самым на его функции. Мутации возникают, когда ДНК повреждается химическими веществами либо рентгеновским излучением или же когда полимераза делает случайную ошибку, копируя гены. Второй типичный механизм обеспечения генетического разнообразия – рекомбинационный обмен одинаково расположенными участками ДНК между отцовской и материнской хромосомами, в результате которого может получиться гибрид материнских и отцовских генов. Такая рекомбинация – тоже мутация, просто при ней генетический материал целыми фрагментами перемещается между хромосомами[571].
Передача генетической информации от одной хромосомы к другой происходит только при крайне специфических обстоятельствах. Первое обстоятельство – образование сперматозоидов и яйцеклеток. Непосредственно перед сперматогенезом и оогенезом клетка ненадолго превращается в игровую площадку для генов. Парные хромосомы (одна была получена от матери, вторая – от отца) «обнимаются» и с готовностью делятся друг с другом генетической информацией. Такой обмен между парными хромосомами имеет ключевое значение для смешивания и сопоставления наследственной информации от родителей. Морган назвал этот феномен кроссинговером (а его ученики использовали кроссинговер как инструмент для картирования генов мушек). Более современный термин – рекомбинация; он подчеркивает способность производить комбинации комбинаций генов.
Второе обстоятельство более зловещее. Когда ДНК повреждается мутагеном – например, ионизирующим излучением, – целостность наследственной информации, естественно, подвергается угрозе. Если такое повреждение случается, ген можно воссоздать по его «близнецу» – копии на парной хромосоме: часть материнской копии можно восстановить, опираясь на отцовскую, что опять же приводит к формированию гибридных генов.
Еще раз: для восстановления гена используется принцип спаривания оснований. Инь чинит ян, отображение восстанавливает оригинал: с ДНК происходит примерно то же, что и с Дорианом Греем, когда прототип постоянно черпает жизненные силы из своего портрета. Белки сопровождают и координируют весь процесс: направляют поврежденную цепь к нормальному гену, копируют и корректируют утраченную информацию, сшивают разрывы – и все это в конечном счете приводит к переносу информации с неповрежденной цепи на поврежденную.
Регуляция. Репликация. Рекомбинация. Примечательно, что все три «р» физиологии генов прочно завязаны на молекулярную структуру ДНК – на принцип спаривания оснований двойной спирали, предложенный Уотсоном и Криком.
Генетическая регуляция работает за счет транскрипции ДНК в РНК, в основе механизма которой лежит принцип спаривания оснований. Когда цепь ДНК используется для построения РНК-инструкции, именно спаривание оснований между ДНК и РНК позволяет создать РНК-копию гена. В ходе репликации цепь ДНК тоже копируется со своего «отображения». На основе каждой цепи создается ее комплементарная копия, в результате чего из одной двойной спирали получаются две. И при рекомбинации стратегия противопоставления оснований реализуется снова, на этот раз чтобы восстановить поврежденную ДНК. Испорченная копия гена реконструируется «по предписанию» комплементарной цепи, то есть второй копии гена[572].
Двойная спираль гениально решала три главные задачи физиологии генов, и все решения были вариациями на одну и ту же тему. Зеркальные отображения веществ используются для получения своих же зеркальных отображений; по отражению воссоздается оригинал. Пары нужны, чтобы обеспечивать точность воспроизводства, постоянство информации. «Моне – это всего лишь глаз, – так однажды Сезанн выразился о своем друге, – но, боже мой, какой глаз!» Так и ДНК: всего лишь вещество – но, боже мой, какое вещество!
Ученые-биологи издавна делятся на два лагеря: анатомы и физиологи. Анатомы описывают природу тканей, структур и частей тела: изучают, как все устроено. Физиологи же сосредоточены на тех механизмах взаимодействия структур и частей тела, которые обеспечивают функции живых организмов: их волнует, как все работает.
Это разделение знаменует и судьбоносный переходный момент в истории гена. Мендель был, можно сказать, первым «анатомом» гена: наблюдая за движением информации между поколениями гороха, он описал принципиальное устройство гена как неделимой информационной частицы. Морган и Стёртевант продолжили анатомическую линию в 1920-х, показав, что гены – материальные единицы, линейно распределенные по хромосоме. В 1940–1950-х Эвери, Уотсон и Крик определили ДНК как молекулу гена и описали ее структуру моделью двойной спирали, доведя тем самым анатомическую концепцию гена до естественной кульминации.
С конца 1950-х по 1970-е в научном пространстве доминировала уже физиология генов. Тот факт, что гены могут регулироваться – включаться и выключаться определенными сигналами, – углубил понимание работы генов во времени и пространстве и ее роли в определении уникальных свойств отдельных клеток. То, что гены могут воспроизводиться и рекомбинировать с генами других хромосом и что их «чинят» специальные белки, объяснило, как клеткам и целым организмам удается сохранять, копировать и перетасовывать генетическую информацию из поколения в поколение.
Биологам, изучающим человека, каждое из этих открытий принесло огромную пользу. Как только генетика перешла от материальной концепции гена к механистической – от его строения к функциям, – «человеческие» биологи начали наконец постигать столь долго искомые связи между генами, физиологией человека и патологией. Болезнь могут вызывать изменения не только в шифре – нуклеотидной последовательности гена какого-то белка (например, гемоглобина при серповидноклеточной анемии), но и в генетической регуляции, то есть неспособность включать и выключать нужный ген в нужной клетке в нужное время. Репликация генов объясняет, как многоклеточный организм возникает из одной клетки, а ошибки репликации – как критическое нарушение метаболизма или разрушительная психическая болезнь может случайным образом появляться в семье, где ранее ничего подобного не было. Подобие геномов объясняет сходства между родителями и детьми, а рекомбинация и мутации – различия. У одной семьи общие не только социальная и культурная сети, но и сеть активных генов.
Подобно тому, как анатомия и физиология XIX века заложили основу для медицины XX века, анатомия и физиология генов заложит фундамент для новой могучей биологической науки. В следующие десятилетия эта революционная наука расширит область своих интересов и манипуляций с простых организмов до сложных. Ее концептуальная лексика – «генетическая регуляция, рекомбинация, мутация, репарация ДНК» – перетечет из фундаментально-научных журналов в медицинские учебники, а затем и в общественно-культурные дискуссии (смысл слова «раса», как мы увидим, нельзя понять в полной мере, не разобравшись, что такое рекомбинация и мутация). Новая наука постарается объяснить, как гены строят, поддерживают, восстанавливают и воспроизводят людей – и какой вклад вносят вариации в анатомии и физиологии генов в вариации человеческой идентичности, судьбы, здоровья и болезни.
От генов к генезу
Вначале была простота[573].
Хотя описание гена на молекулярном уровне прояснило механизм передачи наследственных признаков, оно только усложнило загадку, которая занимала Томаса Моргана в 1920-х. Для Моргана главной тайной биологии был не ген, а генез: как «единицы наследственности» определяют формирование и поддерживают функции органов и организмов? («Извините, что зеваю, – сказал он однажды студенту, – я только пришел со своей лекции [по генетике]».)
Ген, как отметил Морган, – экстраординарное решение экстраординарной проблемы. Половое размножение требует, чтобы организм коллапсировал в единственную клетку, но затем – чтобы одна клетка снова выросла в целый организм. Морган понял, что ген решает одну биологическую проблему – передачу наследственных признаков, – но усугубляет другую – механизм развития организмов. Единичная клетка должна переносить полный набор инструкций для построения организма с нуля – и отсюда необходимость генов. Но как гены заставляют единственную клетку снова превратиться в целый организм?
Эмбриологу может казаться естественным подход к проблеме генеза «от начала к концу»: от самых ранних зародышевых событий до построения телесного плана полноценного организма. Но мы увидим, что в силу важных причин постижение развития организма шло как фильм в обратной прокрутке. Механизм определения генами макроскопических анатомических черт – конечностей, органов, других структур – расшифровали первым. Затем раскрыли механизм определения их пространственного положения: где какие структуры должны быть – спереди или сзади, слева или справа, сверху или снизу. А вот самые ранние события эмбрионального развития – формирование осей тела, передней и задней, спинной и брюшной, левой и правой его частей – изучили последними.