Как объект исследований кукуруза имеет ощутимое преимущество перед дрозофилами Моргана. В одном початке может содержаться до двенадцати сотен зерен. Макклинток знала, что кукуруза идеально подходит для генетических исследований, поскольку каждое зерно представляет собой отдельный зародыш – отдельное существо. В следующий раз, когда будете есть кукурузный початок, вообразите, что едите более тысячи генетически различающихся существ. Для Макклинток каждый початок стал яслями, в которых она могла изучать генетику. Кроме того, сортов кукурузы множество, и початки могут быть разного цвета – от белого до синего и крапчатого. Один початок кукурузы может стать основой эксперимента с участием тысяч отдельных особей – быстрого, дешевого и информативного.
Барбара Макклинток и кукуруза
Подобно группе Моргана, Макклинток начала работу с поиска методов визуализации хромосом. Обрабатывая кукурузу несколькими красителями, она смогла составить подробную карту в виде темных и светлых полос. А потом ей повезло. Она нашла фрагмент хромосомы кукурузы, в котором часто происходило расщепление хромосомы, как будто в этом месте был какой-то структурный дефект. Сосредоточившись на этом участке, Макклинток составила его подробную карту в разных зернах. К своему удивлению, она обнаружила, что этот нестабильный фрагмент перемещается в геноме с места на место. Столь простое наблюдение привело к формулировке одной из важнейших концепций в истории генетики: геном не статичен, гены могут перемещаться с места на место.
Макклинток на этом не остановилась. Она была внимательным и основательным исследователем и не хотела рассказывать миру о своем открытии, пока не выяснит его значения. Ее интересовало, оказывает ли перемещение генов какое-то влияние на зерна. Что, если прыгающий ген приземлится там, где расположен другой ген?
Для ответа на вопрос Макклинток воспользовалась особыми свойствами кукурузы. По мере деления клеток в них происходит образование пигмента. Зерно начинает развиваться от единственной клетки, которая непрерывно делится. Если исходная клетка окрашена, скажем, в лиловый цвет, зерно будет состоять из потомков этой клетки, тоже лиловых. Но вообразите, что в процессе деления в одной из клеток происходит генетическое изменение, в результате которого ген лилового пигмента претерпевает мутацию. Дочерние клетки этой клетки не станут лиловыми, они будут иметь “неправильный” цвет, обычно белый. Эти белые клетки продолжат делиться, создавая потомство белых клеток. В результате сформируется почти полностью лиловое зерно с белым пятном.
Отслеживая появление цветовых пятен на каждом зерне, Макклинток могла понять, где и когда в генах зерен произошли мутации. Она могла проанализировать мутации в каждом зерне и повторить эксперимент в тысячах зерен в каждом початке. Она исследовала сотни тысяч зерен, чтобы в результате скрещивания получить образцы разного цвета с разными пятнами. Она установила, что мутации цвета могут включаться и выключаться, и опять включаться. Исследуя хромосомы, как это делали Бриджес и Морган, она обнаружила, что мутации возникают тогда, когда нестабильный фрагмент хромосомы перескакивает на новое место и оказывается внутри гена пигмента. Встроившись в ген пигмента, он может нарушить его активность, так что пигмент не вырабатывается. Когда нестабильный фрагмент покидает данное место, пигмент вновь может синтезироваться. Геном кукурузы наполнен генами, которые производят собственные копии и перескакивают с места на место, приводя к образованию цветных пятен на зернах.
После нескольких десятилетий таких исследований Макклинток рассказала о своей идее во время доклада в лаборатории Колд-Спринг-Харбора, где она работала. У собравшихся ученых идея не вызвала большого интереса. Ее не поняли, не поверили, а может, подумали, что это открытие касается только кукурузы. Макклинток так описывала их реакцию: “Они решили, что я сошла с ума, совсем свихнулась”.
Такое положение дел сохранялось на протяжении десятков лет. Но Макклинток упорствовала и составляла карты прыгающих генов в тысячах початков кукурузы. В то время она думала так: “Если вы понимаете, что правы, остальное не важно. Вы знаете, что рано или поздно все выяснится”.
В 1977 году в других лабораториях были получены доказательства существования прыгающих генов в бактериях, в мышах и, вообще говоря, во всех видах организмов, которые были исследованы. Еще одна неожиданность открылась при изучении самих генов. Наш геном переполнен прыгающими генами: на их долю приходится до 70 % его состава. Прыгающие гены – это правило, а не исключение. Многократно повторяющиеся элементы нашего генома, такие как ALU и LINE1, — примеры последовательностей, представленных в виде миллионов копий. Это прыгающие гены, которые производят копии самих себя и встраиваются в любые участки генома. Рой Бриттен заметил их в своих элегантных предварительных экспериментах в 1960-х годах.
В 1983 году Барбара Макклинток была удостоена Нобелевской премии в области физиологии и медицины. А до этого, в 1970 году, президент Ричард Никсон наградил ее Национальной научной медалью США. Во время церемонии Никсон выразился довольно бессмысленно в научном плане, но признал важность вклада Макклинток. Он сказал: “Я прочел [объяснение вашей научной работы] и должен вам сказать, что я его не понял”. И далее: “Но я также должен вам сказать, что, поскольку я не понял, я осознаю, какой это невероятно важный вклад для нашей нации. В этом, по моему мнению, заключается природа науки”.
Геном не есть нечто закостенелое и статичное. В геномах бурлит активность. Удваиваются гены, копируются целые геномы. Гены производят копии самих себя и перепрыгивают с места на место.
Представьте себе два типа генов в геноме: функция одних заключается в производстве белков, а другие просто живут, чтобы прыгать повсюду и производить собственные копии. Что с течением времени произойдет в таком случае? При прочих равных условиях копии будут составлять большую часть генома. Это одна из причин, почему две трети нашего генома образовано повторяющимися последовательностями, такими как LINE1 и ALU. Если их не контролировать, они займут все пространство. Единственное, что может остановить распространение этих паразитов, полностью вышедших из-под контроля, – гибель хозяйского организма, тогда со временем они и сами исчезнут. Особи с абсолютно бесконтрольно прыгающими генами погибнут и не передадут их следующему поколению. Эгоистичные гены и их хозяева находятся в напряженных отношениях, фактически в состоянии войны, поскольку эгоистичные гены существуют только для того, чтобы создавать свои копии, и от этого страдает геном хозяина.
Как в Apple при Стиве Джобсе, в биологии копирование – мать изобретений: в геноме плагиат служит источником бесчисленных генетических новшеств. Зачастую, как в технологии, бизнесе и экономике, поломки могут приводить к революции. Клетки животных переживают поломки на протяжении миллиардов лет, и, как мы увидим, такие изменения могут приводить к возникновению совершенно новых способов существования.
Глава 6Внутреннее поле битвы
Семена моей научной работы были засеяны во время еженедельного ритуала, который я совершал в бытность аспирантом в 1980-х годах. По четвергам утром я вползал по лестнице на пятый этаж, туда, где находится большая часть запасников Гарвардского музея сравнительной зоологии. Я направлялся к коллекции птиц, расположенной в помещении со скрипящими деревянными полами и полотком высотой в двадцать футов. На стенах коробки и полки со скелетами, перьями и образцами кожи, собранными во время экспедиций XIX и XX веков. Воздух пропитан запахом нафталина, защищающего образцы кожи, – а еще историей орнитологии и науки в целом. Именно эта связь с прошлым меня и привлекала: я приходил сюда, чтобы встретиться с вышедшим на пенсию восьмидесятилетним куратором отдела птиц Эрнстом Майром.
В конце 1980-х годов Майр оставался одним из последних представителей поколения генетиков, палеонтологов и систематиков, создавших эволюционную биологию в середине XX века. Майр написал одну из классических книг того времени, “Животные, виды и эволюция”, – гигантский труд, который направлял исследования целого поколения ученых, изучавших формирование новых видов.
Каждую неделю я являлся с каким-нибудь вопросом и выпивал с великим человеком чашку чаю, пока он рассуждал об истории своей науки и давал живые описания идей и людей, участвовавших в ее становлении. Перед каждым визитом я прочесывал литературу, чтобы придумать Майру хорошую тему для воспоминаний. Переносясь с его историями во времени и в пространстве, я чувствовал себя невероятно счастливым, поскольку мне повезло в начале собственного пути в науке получить такой удивительный урок.
Однажды в четверг я пришел с книгой немецкого ученого Рихарда Гольдшмита “Материальные основы эволюции”, впервые опубликованной в 1940 году и переизданной в мягком переплете. Когда я показал ее Майру, его лицо покраснело, а глаза уставились на меня с ледяным блеском. Он встал, постоял неподвижно, не замечая моего присутствия на протяжении какого-то времени, показавшегося мне бесконечным. Я пересек какую-то невидимую черту и был практически уверен, что с чаепитиями по четвергам придется распрощаться.
Майр молча направился к старому деревянному шкафу с папками и быстро оглядел его содержимое. Он вернулся с пожелтевшим оттиском одной из статей Гольдшмита и кинул его на стол со словами: “Я написал мою книгу в ответ на ту чушь, которая написана в первом предложении одного абзаца в конце”. Услышав этот комментарий, я проштудировал статью, пока не добрался до страницы 96. Ошибиться было невозможно, здесь было больше злобных пометок, чем исходного текста.
Три с половиной десятилетия прошло между публикацией статьи Гольдшмита и яростью Майра. Как могло одно предложение или даже идея вызвать такие сильные переживания и стать причиной создания 811-страничной книги, которая положила начало целому направлению исследований?