Вопрос заключался в том, как изменения в генах могли приводить к новым изобретениям в истории жизни. Традиционная точка зрения гласила, что изобретения возникали со временем постепенно, благодаря небольшим генетическим изменениям на каждой стадии. Эта концепция поддерживалась таким количеством теоретических и экспериментальных работ, что фактически стала аксиомой. Британский статистик сэр Рональд Фишер вывел ее в математическом виде в 1920-х годах, когда пытался связать зарождавшуюся генетику с дарвиновской теорией эволюции. Отчасти логика рассуждений строилась так: если вы что-то меняете в системе случайным образом, значительные изменения скорее нанесут вред и приведут к катастрофе, чем незначительные.
Рассмотрим в качестве примера самолет. Любое случайное изменение, нарушающее нормы, практически наверняка приведет к созданию такого самолета, который не сможет летать. Случайные изменения формы корпуса, расположения, формы или модели двигателя или конфигурации крыльев с большой вероятностью создадут монстра, не способного подняться в воздух. Но небольшие поправки, такие как смена цвета сидений или минимальные изменения размеров, с меньшей вероятностью окажутся катастрофическими. Вообще говоря, они с большей вероятностью повысят эффективность системы, чем значительные изменения, пусть даже косвенным путем. Этот способ рассуждений доминировал в сфере эволюционной биологии на протяжении многих лет – сомневаться в нем было все равно как сомневаться в том, что яблоки падают с дерева под действием силы тяжести.
Гольдшмит, бежавший из нацистской Германии, устроился на работу в США и на протяжении десятилетий изучал мутантов. Переехав в Северную Америку, он внедрился в сферу генетики, не обращая внимания на установившийся status quo. Под впечатлением от мутантов с двумя головами или лишними сегментами тела, подобных тем, которых открыл Кэлвин Бриджес, он подумал, что значительные превращения могут происходить в одну стадию в результате одной значительной мутации. Суть этой идеи отразилась в одном из самых известных замечаний Гольдшмита, и именно оно вызвало такой гнев у Майра: “Первая птица вылупилась из яйца рептилии”. Не было никаких постепенных превращений; по мнению Гольдшмита, биологические революции происходили за один шаг при смене одного поколения.
Мутантов Гольдшмита стали называть “перспективными монстрами”. Монстрами – поскольку они очень сильно отличались от нормы, а перспективными – поскольку с них начинались целые революции в истории жизни. В отношении царства растений, где изменение числа хромосом за один шаг может привести к появлению нового вида, идея Гольдшмита не вызвала возражений. Однако в отношении царства животных дела обстояли иначе.
Идея Гольдшмита незамедлительно подверглась жесточайшим нападкам. Наибольшие сомнения возникали насчет вероятности выживания и репродукции перспективных монстров. Во-первых, мутант должен оказаться жизнеспособным и произвести жизнеспособное потомство. К тому времени было хорошо известно, что большинство мутантов, не говоря уже о мутантах со значительными изменениями, либо стерильны, либо умирают, не достигнув репродуктивного возраста. Но даже если мутант выжил и способен к размножению, его судьба все еще остается неопределенной. Он не может дать потомство, если оказался единственным подобным мутантом в популяции: ему нужен партнер с такой же мутацией. Чтобы перспективные монстры Гольдшмита могли за один шаг произвести революцию в истории жизни, необходима целая серия маловероятных событий: значительная мутация должна привести к появлению жизнеспособной взрослой особи; она должна произойти одновременно у особей и мужского, и женского пола; некоторые из этих особей должны найти друг друга, спариться и произвести потомство, которое, в свою очередь, тоже сможет воспроизводиться.
Когда я изучал биологию в 1970-х годах, Гольдшмит по-прежнему считался кем-то вроде парии или еретика, отважившегося опубликовать очевидно ошибочную информацию. Мало того что он такую информацию публиковал, он, по-видимому, радовался роли “белой вороны” и последние десятилетия научной деятельности занимался тем, что защищал перспективных монстров, часто осмеиваемый публикой.
Майр, Гольдшмит и их современники спорили по поводу одного из главных вопросов, касающихся разнообразия жизни: как происходят важнейшие эволюционные изменения. Идея перспективных монстров Гольдшмита казалась маловероятной, и вопрос оставался открытым. Постепенные изменения не вызывали разногласий; биологи уже давно знали, что небольшие постепенные генетические изменения могут приводить к массивным революционным преобразованиям за миллионы лет – за отрезки времени, измеряемые по геологической шкале. При анализе окаменелостей возникали более трудные загадки. Рассмотрим для примера появление скелета – одно из важнейших событий в истории нашего вида. Миллионы лет жили на Земле наши червеобразные предки с телами без костей. Кость имеет характерную структуру со строго организованными слоями клеток, производящих специфические белки и кристаллические образования, которые придают скелету прочность и регулируют направление роста костей. Появление скелета позволило нашим предкам увеличить размер и силу, чтобы разыскивать добычу, избегать хищников и перемещаться. Это изобретение стало возможным благодаря появлению нового типа клеток, способных производить белки, необходимые для формирования, питания и роста скелета. Но самые разные ткани, будь то ткани кожи, нервов или костей, состоят из клеток, производящих сотни различных белков. Нервные клетки отличаются от клеток скелета, поскольку синтезируют многие белки, которые обеспечивают возможность проводить нервные импульсы. Понятное дело, в скелете и производящих его клетках таких белков нет. Аналогичным образом хрящи, сухожилия и кости состоят из белков, которых нет в нервных клетках. И скелет – всего лишь один пример: за историю жизни животных длительностью около 600 миллионов лет возникли сотни новых тканей, обеспечивших новые способы питания, пищеварения, передвижения и репродукции.
Вот в этом и заключается трудность: для появления новых клеток и тканей из клеток и тканей предков требуются изменения сотен генов. Как могут возникать новые клетки и ткани, если для этого в геноме одновременно должно произойти множество разрозненных мутаций? Если невелика вероятность одной инкрементной мутации, одновременное появление сотен таких мутаций просто невозможно себе представить. Это сравнимо с выигрышем джекпота не на одной рулетке в казино, а на всех рулетках одновременно.
Беременность со смыслом
В спортивном зале моего коллегу из Чикагского университета Винни Линча трудно не заметить: его руки и ноги покрыты изображениями всевозможных существ, благодаря чему он выделяется даже на фоне татуированных студентов. На его конечностях представлены сцены из речной жизни рыб и стрекоз.
Картинка речной жизни – дань уважения экосистеме реки Гудзон, с детства воспитавшей в Линче любовь к науке. Он рос в городе на берегу реки и интересовался живущими у воды существами. Он записывал, зарисовывал и читал все, что касалось разных животных, и в воображении переносился в другой мир. К сожалению, интерес к разнообразию жизни не помог школьной успеваемости. Он не преуспел, поскольку, по его собственному объяснению, “не слушал преподавателей”, а рассматривал через окно птиц и насекомых.
К счастью, одна учительница биологии распознала его идиллический мир и позволила ему сидеть на последней парте с книгами и атласами, по которым потом его опрашивала. Этот опыт, предложенный мудрым преподавателем, подтолкнул Линча к изучению биологии. С тех пор он изучает происхождение разнообразия в мире животных: не просто как животные живут, едят и передвигаются, но как они эволюционировали от древних предков за миллионы лет. Он специализируется на решении этих глубоких вопросов с помощью передовых технологий.
Для прогресса в биологии одинаково важно ставить правильные вопросы и находить экспериментальные системы для их изучения. Т. X. Морган нашел подход к генетике через дрозофил. Барбара Макклинток подошла к пониманию работы генов через изучение кукурузы. Винни Линч ищет ответы на загадки революционных превращений в истории жизни с помощью децидуальных стромальных клеток.
Когда Линч рассказывает о децидуальных стромальных клетках, его глаза расширяются. В тот раз, когда мы с ним впервые о них заговорили, он сентиментально заявил, что это одни из “самых прекрасных клеток тела”. Я допускаю, что это похоже на высказывание фанатика, но когда я увидел эти клетки под микроскопом, я с ним согласился. Многие клетки при сильном увеличении похожи на одинаковые маленькие пятнышки. Но не эти. Эти клетки с большими красными телами и обильной соединительной тканью между ними выглядят почти буйными, если можно применить подобный эпитет к клеткам.
Однако Линч видит не только эстетическую, но и научную красоту децидуальных стромальных клеток. В них содержится ключ к происхождению одного из важнейших изобретений в истории жизни – беременности. Большинство рыб, птиц и земноводных и даже самые примитивные млекопитающие вылупляются из яиц. У них нет механизма беременности, как у млекопитающих, у которых эмбрион развивается внутри тела матери и снабжается ее кровью. Нет у них и децидуальных стромальных клеток.
Прекрасные клетки: децидуальные стромальные клетки
Беременность – процесс совершенно естественный и вместе с тем необычайно странный. Сперматозоиды маневрируют через матку и фаллопиевы трубы, чтобы в конечном итоге найти яйцеклетку. Затем один сперматозоид (в редких случаях несколько) проникает в яйцеклетку и запускает цепь событий. Геномы сперматозоида и яйцеклетки сливаются, и из двух клеток образуется одна. Со временем эта клетка превращается в тело, состоящее из миллиардов клеток, расположенных в строго определенном порядке. Формируются плацента и пуповина, связывающие мать с плодом, устроившимся под защитой матки. Чтобы матка могла удержать плод, необходимо формирование целого ряда новых структур.