Публикация книги Дарвина “О происхождении видов” изменила подход к изучению аномалий развития. По мнению Дарвина, двигателем эволюции служит естественный отбор, а различия между индивидуумами – топливо для этого двигателя. Если представители какого-то вида различаются по форме и функции признаков, а некоторые из этих признаков повышают успешность соответствующих индивидуумов в конкретных условиях, со временем такие индивидуумы и такие признаки распространятся. Если же признак является недостатком, со временем он исчезнет. Различия между индивидуумами – основа эволюции. Если бы все особи в популяции были абсолютно одинаковыми, не было бы эволюции за счет естественного отбора. Различия между индивидуумами – исходный материал для эволюции за счет естественного отбора; чем больше вариаций, тем быстрее может происходить эволюция. И только при обилии вариаций, включая те, что обнаружены при изучении монстров, естественный отбор со временем может приводить к значительным изменениям.
Одним из подвижников в деле изучения вариаций после Дарвина был Уильям Бейтсон (1861-1926). Бейтсон, как и Дарвин, всю жизнь интересовался естественной историей. Когда его спросили, кем он мечтал стать в юности, он ответил, что хотел быть натуралистом, но если бы оказался недостаточно хорош для этого дела, то стал бы врачом. Бейтсон поступил в Кембриджский университет в 1978 году и был ничем не примечательным студентом. Но книга Дарвина “О происхождении видов” оказала на юного Бейтсона чрезвычайно сильное влияние. Ему захотелось узнать, как действует естественный отбор. По его мнению, ответ следовало искать через понимание межвидовых различий: за счет каких механизмов разные организмы выглядят по-разному? При чтении труда Грегора Менделя, установившего принципы наследования у гороха, Бейтсона посетило озарение: основу эволюции составляют вариации, передаваемые от одного поколения другому. Он перевел работу Менделя на английский язык и придумал слово “генетика” – производное от греческого слова “генезис”, означающего происхождение.
Бейтсон, как до него Жоффруа Сент-Илер, принялся классифицировать различия между особями и видами. Но у Бейтсона было одно преимущество. Он был вооружен новыми идеями, возникавшими в развивающейся области генетики, и искал пути, по которым различия между особями могут влиять на процесс эволюции.
Этой работе Бейтсон посвятил почти десять лет и в 1894 году опубликовал монументальный труд “Материалы по изучению вариаций”. Книга описывает варианты различий между организмами, поиски общих правил возникновения различий и, в конечном итоге, пути эволюции. Описав так много видов, как только смог, Бейтсон предложил два способа определения различий. Один тип различий заключается в величине или степени выраженности органов, образующих непрерывный спектр от малого до большого размера. Например, в популяциях мышей проявляются различия в длине конечностей, хвостов и величине других органов. Этот тип вариаций можно легко описать на количественном уровне, определяя длину, ширину или объем структуры. Другой тип более серьезный и заключается в наличии или отсутствии структуры. Примером может служить полидактилия кошек Хемингуэя. У нормальных особей на лапах пять пальцев, а у животных с полидактилией их шесть или больше. Такие кошки отличаются от обычных количеством пальцев, а не, скажем, длиной их костей. Это качественное отличие, а не отличие по степени выраженности или размеру.
Поиск организмов с дополнительными органами захватил Бейтсона. Его привлекали причуды природы в виде дополнительных органов или необычного расположения органов, например пчелы с ногами на месте антенн, люди с лишними ребрами или мужчины с дополнительными сосками[12]. Складывалось впечатление, будто органы отрезаны и приклеены на новое место. Полностью сформированный орган получал вторую копию или перемещался в другое место на теле. Эти монстры несли в себе тайну, и ее раскрытие могло помочь в понимании общих правил формирования и эволюции организмов.
Натурфилософы XVI века и более позднего времени были правы в том, что монстры несут в себе какую-то важную информацию о живой природе. Нужно было лишь найти “правильных” монстров и научные методы их изучения.
Муха
Одно из самых важных решений в истории биологии было принято тогда, когда Томас Хант Морган (1866—1945) решил работать с мухами. Начинал Морган свою научную работу с исследований морских желудей, червей и лягушек, будучи убежден, что внутри их клеток и эмбрионов кроется ключ к разгадке нашей собственной биологии. Выбор объектов не был вызван ни эзотерическими соображениями, ни случайностью: Морган решил экспериментировать с мелкими водными существами, способными восстанавливать части тела после их потери. Например, плоские черви планарии – чемпионы по регенерации: разрежьте их пополам, дайте вырасти, и вы получите двух целых особей. Многие существа, такие как черви, рыбы и земноводные, умеют восстанавливаться после травмы. Нам остается лишь завидовать этим нашим родственникам среди животных; на каком-то этапе эволюции млекопитающие потеряли такую способность.
Морган занялся наукой в такое время, когда многое из того, что теперь мы воспринимаем как должное, было совершенно неизвестно. Чешский монах Грегор Мендель выяснил, что признаки передаются из поколения в поколение, но механизм наследования оставался тайной. Люди научились разглядывать клетки, но никто не знал, что в наследовании какую-то роль играют хромосомы, не говоря уже о существовании ДНК.
В научном подходе Моргана отразился важнейший поворот в восприятии жизни, который ныне направляет практически все биомедицинские исследования: на основные механизмы биологии человека могут пролить свет разные существа – от червей до морских звезд. В работах Моргана подразумевалось, что все существа на планете связаны между собой на самом глубинном уровне.
После нескольких лет экспериментов по регенерации и их описания в вышедшей в 1901 году авторитетной книге “Регенерация” Морган осознал, что для продвижения вперед ему не хватает инструментов. И он занялся поиском новой темы для исследований. В центре всего, от регенерации до анатомии, находится наследование – передача информации от предыдущего поколения следующему. Механизмы, движущие наследованием, могли бы стать ключом к раскрытию многих тайн биологии. Морган был убежден, что для прорыва в генетике нужно существо, которое быстро растет и размножается, имеет небольшой размер и может достигать значительной численности в лабораторных условиях. Идеально было бы найти такой организм, хромосомы которого (уже предполагалось, но еще не было доказано, что в хромосомах содержится генетический материал) были бы видны под микроскопом. Список кандидатов был достаточно длинен, но в нем не было одного существа, которое как раз больше всего хотелось изучать, – человека.
В это же время незнакомый тогда Моргану специалист по систематике насекомых задался аналогичной целью, но продвигался к ней с противоположной стороны. Делом жизни Чарльза У. Вудворта (1865-1940) из Калифорнийского университета в Беркли было изучение скрытых деталей анатомического строения насекомых, а также классификация мух и других насекомых. Благодаря этим исследованиям он стал экспертом по биологии мух и предлагал использовать в качестве экспериментальной модели один конкретный вид, фруктовую муху Drosophila melanogaster. Где-то в начале 1900-х годов (точная дата неизвестна) он встретился с биологом из Гарварда Уильямом Э. Каслом (1867-1962) и предложил ему попробовать провести несколько экспериментов на дрозофилах.
Касл, подобно Бейтсону, интересовался механизмами наследования и вариаций. В то время он работал с морскими свинками, желая понять, как параметры тела и окраска передаются из поколения в поколение. Но морские свинки его не удовлетворяли, поскольку самки приносили не более восьми детенышей и беременность у них длилась два месяца. Чтобы анализировать наследование признаков, Каслу приходилось месяцами ждать появления нескольких поколений. Предложение Вудворта поработать с дрозофилами казалось привлекательным; в среднем фруктовые мухи живут от 40 до 50 дней, и за это время самка способна произвести тысячи эмбрионов. Касл понимал, что с мухами за месяц он сможет провести больше экспериментов по наследованию, чем с морскими свинками за несколько лет.
Касл переключился на работу с дрозофилами и разработал методы их разведения и выращивания. В 1903 году он опубликовал статью по результатам экспериментов с мухами, которая оказалась менее значимой в научном плане, чем в плане воздействия на научное сообщество. Другие ученые, включая Моргана, увидели всю прелесть и мощь экспериментов с мухами.
В дрозофилах трудно узнать подходящих кандидатов для совершения революционных открытий. Эти существа длиной три миллиметра живут на гниющих фруктах. Мы часто видим их вблизи помоек; они не кусаются, но досаждают тем, что вьются вокруг. Однако именно то, что делает их неприятными для нас, делает их ценными для науки.
Работа Моргана следовала традиции работы с монстрами, иными словами, заключалась в поиске и изучении мутантов. Мутанты – ключ к пониманию нормального функционирования генов. Мутант без глаз свидетельствует о дефекте одного или нескольких генов, контролирующих формирование глаз. И в этом смысле мутанты – идеальный объект для идентификации генов, задействованных в развитии разных органов. Поскольку мутанты встречаются редко, Моргану нужно было скрещивать тысячи дрозофил для выявления единственного мутанта. Он и его группа разводили сотни колоний размножающихся мух и разглядывали под микроскопом каждое насекомое в поисках каких-либо аномалий.
Гены – это участки ДНК, свернутой и плотно упакованной в виде хромосом, которые находятся в клеточном ядре. Обратите внимание на поперечные полосы на хромосомах (бэндинг хромосом)
Большинство людей об этом не знают, но под микроскопом тело дрозофилы выглядит невероятно сложным. При среднем увеличении на сегментах тела проявляется целый мир щетинок, иголочек и выростов. Группа Моргана изучила все эти детали, так что любое, даже самое маленькое изменение становилось для них предметом анализа в поисках новых мутантных форм. Исследователи проводили долгие часы, склонившись над микроскопами и выискивая мух с любыми необычными признаками: с другой формой крыльев, иным расположением полос или измененными конечностями.