Важно то, что, хотя каждый индивид наследует по одной копии любого гена от каждого родителя, эти две копии могут вести себя по-разному. Такие разные версии гена называются «аллели». Если обсуждать исследование Менделя, используя современную терминологию, то существует два варианта гена, определяющего цвет горошин: аллель зеленого цвета (обозначим его a) и аллель желтого цвета (A). Этот ген цвета расположен на одной из пар хромосом в клетках гороха, но аллели на каждой из двух нитей в паре не обязательно совпадают. Вот их возможные комбинации: AA, Aa, aA и aa. При комбинации аа все горошины будут зелеными, а при комбинации АА — желтыми. Но при комбинации Aa и aA горошины будут не полосатыми или с желто-зелеными пятнами, а всегда желтыми, потому что аллель A является доминантным. Задействуются только инструкции, заложенные в аллеле A, а инструкции в аллеле a игнорируются. То же самое наблюдается во многих других парах аллелей.
Дальнейшие эксперименты показали, как во время мейоза в результате перетасовки генов в половых клетках получаются новые комбинации. Как было уже сказано выше, парные хромосомы разрываются и обмениваются некоторыми своими участками друг с другом (этот процесс называется «кроссинговер»), а затем снова соединяются (происходит рекомбинация). Чем дальше гены расположены друг от друга на хромосоме, тем выше вероятность, что они будут разделены в ходе кроссинговера и рекомбинации; расположенные близко друг к другу гены, как правило, не разделяются. Благодаря этому факту и титаническим усилиям ученых удалось определить расположение генов на хромосомах некоторых видов. Поворотный момент, который окончательно утвердил менделевскую теорию наследственности и положил начало генетике, настал в 1915 г., когда Морган и его коллеги опубликовали свою знаменитую книгу «Механизм менделевской наследственности» (The Mechanism of Mendelian Heredity). Морган продолжил исследования в этой области, и в 1926 г. вышла его книга «Теория гена» (The Theory of the Gene), а в 1933 г. он получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине «за открытия, касающиеся роли хромосом в наследственности». К тому времени уже была заложена основа для слияния закона естественного отбора с законами наследственности. Позже результат этого слияния получил название «синтетическая теория эволюции»; впервые его использовал внук «бульдога Дарвина» Джулиан Хаксли в своей книге «Эволюция: современный синтез» (Evolution: The Modern Synthesis, 1942).
Парадоксально, но повторное открытие законов Менделя в начале XX в. поначалу рассматривалось как удар по теории естественного отбора Дарвина — Уоллеса. Эта теория подразумевает постепенность изменений; но в ходе своих экспериментов такие исследователи, как де Фриз, обнаружили внезапные изменения от поколения к поколению — изменения цвета, морщинистости и т. д. Это объяснялось тем, что Мендель и его последователи намеренно выбирали примеры, где были явно видны скачки от одного поколения к следующему, такие как желтый или зеленый цвет, морщинистая или гладкая поверхность. Большинство характеристик у большинства организмов не наследуются в соответствии с таким простым правилом — «или-или». Люди не просто высокие или низкие; они разного роста и телосложения, и эти разные фенотипы формируются в результате взаимосвязанного воздействия всего набора генов (генотипа). Чтобы изучить влияние нескольких аллелей одного и того же гена на конкретную характеристику организма, шведский генетик Герман Нильсон-Эле (1873–1949) изучал сорта пшеницы, скрещивая их, чтобы получить зерна пяти разных цветов; он обнаружил, что частота появления этих цветов точно описывалась статистическими законами менделевского наследования применительно к одновременной передаче двух пар аллелей, расположенных на двух разных хромосомах. Эдвард Ист (1879–1938) из Гарвардского университета провел похожие эксперименты с короткими и длинными цветками табака.
Все это побудило генетиков обратиться к математике. Они поняли, что в большой популяции особей, такой как популяция людей на Земле, у одного гена может иметься огромное число аллелей, распределенных по разным организмам. Каждая особь является носителем только двух аллелей, отвечающих за конкретный признак, но в клетках других особей присутствует множество других версий данного гена. Теоретически любые два из этих аллелей могут соединиться в следующем поколении. Если в результате каких-либо изменений в окружающей среде один конкретный аллель повышает приспособленность особи, то он быстро распространяется по популяции.
Например, сегодня люди рождаются с глазами разного цвета, и у голубых или карих глаз нет никакого явного эволюционного преимущества. Но если бы солнечное излучение вдруг изменилось таким образом, что голубоглазые люди стали бы лучше видеть и эффективнее находить пищу (не будем учитывать современные технологии), то аллель, отвечающий за голубой цвет глаз, распространился бы по популяции, и голубоглазые люди стали бы рождаться чаще. В 1920-х гг. четверо математиков решили провести расчеты того, насколько эффективно аллели могут распространяться в популяции. Это были Рональд Фишер (1890–1962) и Джон Холдейн (1892–1964) из Англии, Сьюалл Райт (1889–1988) из США и Сергей Четвериков (1880–1959) из СССР. В 1930 г. Фишер опубликовал книгу «Генетическая теория естественного отбора» (The Genetical Theory of Natural Selection), где описал мощь воздействия естественного отбора на виды с большим количеством разных аллелей среди особей. Его расчеты показали, что если новый аллель, появившийся в результате мутации, обеспечивает несущим его животным преимущество всего в 1 % по сравнению с теми, у кого его нет, этот аллель распространится по всей популяции за сто поколений. Это достаточно медленно, чтобы соответствовать геологическим данным, но достаточно быстро, чтобы объяснить идеальный камуфляж жуков-скакунов. Даже самого незначительного индивидуального преимущества, которое практически невозможно обнаружить при изучении популяций животных или растений в дикой природе, достаточно, чтобы гарантировать успех мутировавшему гену. Хотя ученые и продолжали спорить о деталях, фактически синтетическая теория эволюции утвердилась в начале 1930-х гг. Дальше мы сосредоточимся на тех процессах, которые происходят на уровне хромосом, и на открытии роли ДНК в эволюции.
Глава 8. Открытие роли ДНК
Тогда же, когда Томас Морган решал проблему роли генов в передаче наследственной информации, ученые проводили эксперименты в, казалось бы, абсолютно не связанной с генетикой области науки, занимаясь разработкой методов, которые в итоге помогли пролить свет на молекулярный механизм наследственности. Эта глава, помимо прочего, рассказ о том, как новое научное открытие может быстро найти экспериментальное применение и открыть путь ко множеству других открытий.
Рентгеновские лучи были открыты в 1895 г., но поначалу их природа оставалась загадкой. Никто точно не знал, состоят ли они из потока частиц, наподобие электронов, или из электромагнитных волн, как свет, но с гораздо более короткой длиной волны[47]. Важный прорыв произошел в 1912 г., когда группа ученых под руководством Макса фон Лауэ (1879–1960) из Мюнхенского университета открыла дифракцию рентгеновских лучей при прохождении их сквозь кристаллы. Когда свет пропускается через две узкие щели на экране, его волны по другую сторону экрана образуют череду светлых и темных полос, интерференционный узор. Фон Лауэ выяснил, что атомы кристалла сульфида цинка находятся на нужном расстоянии, чтобы обеспечить «щели» подходящего размера для создания сходного эффекта при прохождении рентгеновских лучей. Проведя эксперимент, его команда обнаружила очень сложную дифракционную картину, которую было трудно объяснить, но она явно свидетельствовала о волновой природе рентгеновского излучения. На фотопластинке проявилось множество отдельных пятен, которые были организованы в виде пересекающихся друг с другом кругов, расположенных вокруг центрального пятна от основного луча. В 1914 г. фон Лауэ получил Нобелевскую премию по физике «за открытие дифракции рентгеновских лучей на кристаллах». Тем временем другая команда ученых уже значительно приблизилась к пониманию подробностей этого процесса.
К тому моменту Уильям Генри Брэгг (1862–1942) был всеми уважаемым физиком и работал в Лидском университете. Его сын Уильям Лоуренс Брэгг (1890–1971; его всегда называли Лоуренс) был физиком начинающим и работал в Кембридже. Поначалу Уильям попытался объяснить полученную немецкими коллегами дифракционную картину, считая свет потоком частиц, но вскоре убедился, что она имеет волновое происхождение. Отец с сыном обсудили значение этого открытия и пришли к выводу, что, скорее всего, можно спланировать эксперимент в обратном порядке и определить строение самого кристалла, проанализировав расположения темных и светлых пятен на дифракционной картине. Лоуренс разработал ряд правил, которые определяли местоположение темных и светлых пятен, когда пучок рентгеновских лучей с определенной длиной волны проходил через кристалл с определенным расстоянием между атомами. Это стало называться законом Брэгга. Закон работал в обоих направлениях. Если вы знаете расположение атомов в кристалле, то можете использовать дифракцию для измерения длины волны рентгеновских лучей. Если же вам известна длина волны, то вы можете использовать дифракцию, чтобы определить расположение атомов в кристалле. Лоуренс применил свой закон для интерпретации дифракционных картин, полученных в Мюнхене, но для детальных расчетов ему не хватало информации о длине волны рентгеновских лучей, которые его коллеги использовали в ходе экспериментов. Поэтому Уильям провел собственные опыты и изобрел первый рентгеновский спектрометр, прибор для точного измерения длины волны рентгеновских лучей. К данным этих экспериментов был применен закона Брэгга. Как только было точно доказано, что рентгеновские лучи ведут себя как волны, их можно было использовать для анализа строения кристаллов, и именно поэтому они важны для истории изучения ДНК.