Текст книги "Самое грандиозное шоу на Земле: доказательства эволюции"

Ферменты

Теперь, увидев, как зародышевые листки играют в оригами, складываясь в эмбрион, давайте заглянем внутрь клетки. Там мы столкнемся с тем же принципом самосборки – самоизгибания и самосвертывания, но в существенно меньшем масштабе – в масштабе белковой молекулы. Белки исключительно важны. Чтобы воздать должное этой важной молекуле, я начну с провокационного рассуждения. Мне нравится рассуждать о том, какой странной могла бы быть жизнь на других планетах, но одно или два свойства жизни я все же считаю универсальными. Жизнь, возникнув, развивается в рамках процессов, имеющих отношение к дарвиновскому естественному отбору генов. Она во многом основана на белках или других молекулах, которые, подобно белкам, умеют складываться во всевозможные многообразные формы. Белковые молекулы являются виртуозами “автооригами”, но размерный класс их мира гораздо меньше, чем в мире эмбриональных тканей, где мы уже побывали. На показательных выступлениях по использованию локальных условий белковые молекулы стали бы безоговорочными победителями.

Белки представляют собой цепочки мелких молекул, которые называются аминокислотами. Эти цепочки, как и слои зародышевых клеток, имеют свойство складываться строго определенным образом, но в мире меньшего масштаба. Природные белки состоят из двадцати типов аминокислот. Кстати, это свойство на других планетах может быть и другим, потому что во Вселенной больше аминокислот, но все земные белки выстроены именно из двадцати. Как у них получается “автооригами”? Аминокислотные цепочки белков, просто следуя законам химии и термодинамики, спонтанно, сами собой сворачиваются в определенные трехмерные конфигурации. Я написал было – “завязываются”, но в отличие от миксин (да, позволю себе такое сравнение) белки не завязываются в узлы. Когда мы обсуждали вирусы, мы встречались с трехмерными структурами белков, получившими название третичных. Они получаются путем сложения и сворачивания аминокислотных цепочек. Каждая последовательность аминокислот диктует и строго определенную картину свертывания. Так что последовательность аминокислот в цепочке, сама по себе определяемая последовательностью “букв” в коде ДНК, навязывает и третичную структуру белку[52]52
  Эта фраза требует пояснения. Аминокислотная последовательность определяется генами и только генами. Но трехмерная форма обусловлена не только последовательностью аминокислот, поэтому здесь зависимость не абсолютная, что в реальном мире имеет большое значение. Некоторые цепочки аминокислот способны формировать альтернативные трехмерные структуры. Белки, называемые прионами, имеют два варианта стабильных трехмерных форм. Две вариации строго дискретны, что означает, что между этими двумя нет стабильных промежуточных переходов, подобно выключателю света, который может быть только в двух положениях – “включено” и “выключено”. Подобные “мигающие белки” могут быть ужасными, а могут быть полезными. В случае с прионами они ужасны. Коровье бешенство вызывает одна из альтернативных форм белка. В мозге, в клеточных мембранах включен некий необходимый полезный белок, имеющий альтернативную форму. Эта альтернативная форма обычно не встречается, но стоит появиться хоть одной молекуле, она вызывает цепную реакцию: соседние молекулы начинают сворачиваться по ее правилам и сами превращаются в свою альтернативу. Подобно падающим костям домино или распространяющимся слухам, альтернативный прион распространяется по всему мозгу с ужасными последствиями для коровы или для человека с болезнью Крейтцфельдта-Якоба либо для овцы, если та заболела почесухой. Но иногда альтернативные вариации третичных структур белков могут быть полезными. Держа в уме сравнение с выключателем света, мы вспомним замечательный пример. Родопсин – светочувствительный белок в глазах, который включает ретиналь (это не белок по своей химической природе), перескакивающий от одной стабильной формы к другой, когда на него попадает фотон. Затем он вновь быстро возвращается в первоначальную стабильную форму, отмеривая таким образом, как счетчик, световые кванты. Но, так или иначе, мозг регистрирует эти переходы:
  “Внимание, в этой точке зарегистрирован свет”. В книге Жака Моно “Случайность и необходимость” такие случаи наглядно разобраны.


[Закрыть].

А форма третичной структуры, в свою очередь, имеет химические следствия исключительной значимости.

Движения “автооригами” (теперь это сворачивающиеся и складывающиеся белковые цепочки) определяют химические законы. Те же законы определяют углы между связывающимися атомами. Представьте себе ожерелье из неправильной формы магнитов. Оно не будет обрамлять прекрасную шею прекрасным овалом. Вместо этого магниты перепутаются, сцепляя углы с выемками и соединяя одну плоскую грань к другой. В отличие от белковой цепочки, форма магнитного “украшения” непредсказуема, потому что каждый магнит притягивается другими и может сцепиться с любым из них. Но для цепочки из белков дело обстоит иначе: спонтанно свернутая в глобулу аминокислотная последовательность ведет себя совсем не так, как ожерелье из магнитов.

Нам неизвестны все нюансы химических закономерностей, которые сдвигают вместе те или иные части аминокислотной цепи, но эти закономерности познаваемы в принципе, они в принципе выводимы из этой самой последовательности. И здесь, употребляя выражение “в принципе”, я не имею в виду ничего таинственного. Невозможно угадать заранее грань игральной кости, но мы полагаем, что результат будет зависеть от силы и направления броска, а также знания некоторых дополнительных данных о сопротивлении воздуха, и так далее. Хорошо известно (и не раз продемонстрировано), что определенная последовательность аминокислот сворачивается всегда одинаково или несколькими альтернативными способами. Для эволюции важно то, что последовательность аминокислот определяется согласно правилам генетического кода последовательностью букв (триплетов нуклеотидов) того или иного гена. И хотя химикам не так-то просто предсказать, как отразится мутация в гене на форме белка, следует понимать, что это принципиально возможно. Любая конкретная мутация изменит форму фермента совершенно определенным образом (или создаст набор нескольких альтернативных форм). А естественному отбору только это и нужно. Ему нет нужды знать, каким образом эта форма получена. И если она отразится на выживании, ген с данной мутацией либо выиграет, либо проиграет в конкуренции за доминирование в генофонде. И какое дело, понимаем мы или нет, как именно сворачивается данный белок?

Мы знаем, что формы белков неисчислимо разнообразны, и знаем, что они предопределены генетическими последовательностями. Но почему это так важно? Отчасти потому, что белки являются непосредственным строительным материалом тела. Так, волокнистые белки, например коллаген, соединяются в прочные жгуты, называемые связками и сухожилиями. Большинство белков все же не волокнистые, они имеют характерную глобулярную форму. Глобулы снабжены мелкими выступами (или зубчиками), и их взаиморасположение обусловливает ферментную или каталитическую роль белков.

Катализатором называют химическое вещество, которое ускоряет химическую реакцию иногда в миллион или миллиард раз; при этом сам катализатор остается неизменным: реакция успешно прошла, и катализатор снова свободен и снова готов к работе. Особый класс катализаторов составляют белковые катализаторы, или ферменты (энзимы). Они фантастически капризны – предельно разборчивы в выборе химической реакции. Или наоборот: химические реакции в клетке разборчивы в выборе фермента. Ведь многие реакции в клетке настолько медленные, что без помощи ферментов от них бы не было никакого толку. Но с ферментами они протекают очень быстро, так что продукт можно выдавать на-гора.

Мне нравится представлять это так. Вот химическая лаборатория с сотнями бутылочек и колб, и в каждой простое или сложное вещество, раствор или порошок. Химик, желающий провести опыт, снимает с полки пару-тройку бутылочек, берет оттуда щепоть одного, каплю другого, смешивает в отдельной пробирке (может и подогреть) – и реакция начинается. А сколько еще могло бы произойти химических реакций в этой лаборатории, если бы все имеющиеся там вещества не были изолированы?

Живая клетка сродни гигантской химической лаборатории с огромными запасами химикатов. Но они не разделены стеклянными стенками. Все перемешано, будто какой-то громила ворвался в лабораторию и расколотил все колбы. Ужасно, правда? Было бы ужасно, если бы все вещества вступали в реакцию друг с другом в любых комбинациях. Однако этого не происходит. Или происходит, но с ничтожной скоростью. Если только там нет фермента. Тогда все полки с бутылочками становятся ненужными, ведь вещества и так не собираются вступать в реакцию, пока не появится правильный фермент. Иными словами, если нужно, чтобы вещества А и Б вступили в химическую реакцию, можно хранить их в отдельных закупоренных бутылочках, а можно слить сотню разных веществ в котел и потом добавить фермент, катализирующий реакцию А и Б. Следует понимать, что аналогия с разгромленной лабораторией не слишком хороша. Ведь в клетке имеется инфраструктура из мембран, которые разграничивают пространство, где протекают реакции. Так что в некоторой степени мембраны исполняют роль колб и флаконов.

Смысл этого раздела главы в том и заключается, что “правильность” фермента достигается за счет правильной формы, а она, в свою очередь, получается за счет определенной генетической последовательности (последовательности нуклеотидов в гене), а естественный отбор работает именно с генами, поддерживая или отбрасывая их. В “супе”, который наполняет клетку, плещутся, роятся и вертятся тысячи молекул. Молекула А, может, и желала бы прореагировать с молекулой Б, но для этого им нужно встретиться и занять правильную позицию по отношению друг к другу. Это очень маловероятно, если только не вмешается правильный фермент. И у него, обладающего своеобразной формой, сложившейся подобно магнитному ожерелью, есть необходимые выступы и углубления нужной конфигурации.

У каждого фермента имеется так называемый активный центр (или активный сайт). Обычно это зубец или карман, форма которого придает специфические свойства ферменту. Слово “зубец” здесь, наверное, не совсем уместно. Пожалуй, лучше сравнить его с электрической розеткой. Это примерно то, что мой друг зоолог Джон Кребс назвал “великим штепсельным заговором”: различные страны внедряют собственные типы вилок и розеток, и в итоге английские вилки не подходят к американским или французским розеткам, и так далее. Активные центры на поверхности белковых молекул подобны розеткам, в которые можно вставить только вилки определенного типа. Но если в арсенале “штепсельных заговорщиков” всего полдюжины типов вилок и розеток (тем не менее этого достаточно, чтобы создать путешественнику неудобства), то типы “вилок” ферментов гораздо, гораздо более разнообразны.

Представим, как с помощью фермента образуется химическое соединение АБ, – очевидно, путем присоединения молекулы А к молекуле Б. В одну часть активного центра фермента идеально вставляется молекула А, будто деталь в пазл. Вторая часть активного центра так же идеально подходит для молекулы Б, куда она прицепляется, становясь в позицию, которая требуется для соединения А и Б. Выступы и выемки крепко держат А и Б, угол для реакции совершенно точен – молекулам А и Б ничего не остается, кроме как вступить в реакцию. Образуется соединение АБ, высвобожденное из объятий фермента, а сам фермент готов снова примерить к своим выемкам и выступам новые молекулы А и Б. В клетке могут быть целые армии одинаковых ферментных молекул, работающих подобно роботам на конвейерной ленте, выпускающей продукт клеточной индустрии АБ. А если в клетке на конвейере заработает другой фермент, то пойдет выпуск другой продукции – АВ, БД или ЕЖ. Конечные продукты будут различными, хотя сырье всегда одно и то же. А есть и другие ферменты – они занимаются не соединением молекул друг с другом, а расщеплением молекул на части. Некоторые из таких ферментов вовлечены в процесс пищеварения, также они являются своего рода биологическими моющими средствами. Но так как в этой главе обсуждается построение эмбрионов, то нас все же интересуют строительные ферменты, посредники химического синтеза. (Один из таких процессов показан на цветной вклейке 12.)

Здесь у читателей могут возникнуть вопросы. Все это прекрасно: зубцы и выступы, вилки и розетки, активные центры, у которых сродство только к одним типам молекул и которые в миллион раз ускоряют единственную реакцию – да, все это хорошо. Слишком хорошо, чтобы быть правдой. Как получаются молекулы фермента нужной формы? Какова вероятность того, что сразу объявится фермент, у которого есть и “вилки”, и “розетки” для А и Б, причем эти высокоспецифичные неровности сразу поставят А и Б напротив друг друга, заставив любоваться друг на дружку под нужным углом, а потом еще и соединиться? Вероятность ничтожна, если представлять себе целиком сразу весь пазл – или, если вам нравится аналогия, сразу все сети “штепсельного заговора”. Но на самом деле следует представить вот что: постепенные улучшения. Как в других случаях, когда перед нами встает загадка образования сложных структур, нельзя думать, что их совершенство в настоящий момент существовало всегда.

Молекулы ферментов ускоряют нужные реакции в миллиард раз. Это выходит у них благодаря совершенной форме, приспособленной для определенной реакции. Но так ли нужна такая скорость? Возможно, и ускорения в миллион раз хватило бы. Или в тысячу раз. Даже стократно. Да что тут говорить – и в десять раз, и даже в два раза быстрее, чем исходная реакция. Даже за это улучшение естественный отбор сразу ухватился бы. Работа фермента улучшалась постепенно, его форма совершенствовалась, меняясь от самой простой, почти без зубцов, до филигранно подогнанных друг к другу деталей. Постепенность означает, что на каждом шаге, даже шажке, происходило какое-то заметное улучшение. А заметность его предполагает, что не мы, а естественный отбор должен обратить на него внимание, даже если для нас это улучшение неразличимо.

Вот так все и работает. Лучше не придумаешь! Клетка является живой химической фабрикой, способной выпускать колоссальное число соединений в любом количестве, стоит только добавить необходимый фермент. И как этот выбор делается? Путем включения нужного гена. Если клетка представляется котлом с химикатами, не вступающими в реакцию друг с другом, то в клеточном ядре, напротив, работает только малое число генов. Если ген включен (например, мы говорим о клетке печени), то последовательность нуклеотидов, то есть генетический код, определит последовательность аминокислот (помните магнитное ожерелье?), она определит форму, в которую свернется белок, а в этой форме появятся нужные зубцы и впадины, которые неизбежно заставят молекулы в “котле” соединиться требуемым образом. В каждой клетке, за исключением красных кровяных телец, имеется ядро, содержащее набор генов для всех ферментов. Но также в каждой клетке “активированы” немногие гены. Так, в клетках щитовидной железы вырабатываются ферменты для производства тироидного гормона, и соответственно, работают только гены этих ферментов. Точно так и с любыми другими клетками. Конфигурация клетки, ее поведение, ее участие в спектакле – все определяется идущими в клетке химическими реакциями. Поэтому весь ход эмбрионального развития управляется генами. Именно гены диктуют последовательность аминокислот, определяющую третичную структуру белков, именно она формирует “розетки” и “штепсели” в активном центре. Он, в свою очередь, контролирует клеточную химию, а это вызывает спонтанно организованное, подобное поведению скворцов в стае, поведение клеток в процессах эмбрионального развития. Таким образом, разница генов может вызвать изменения хода эмбрионального развития и, следовательно, изменения облика и поведения взрослых особей. А впоследствии выживание и репродуктивный успех этих особей повлияют на выживание генов, которые некогда обеспечили их выживание и репродуктивный успех. И в этом заключается естественный отбор.

Эмбриональное развитие кажется сложным (так оно и есть), но все видится проще, если разложить его на более простые составляющие, которые, по сути, являются самоорганизующимися процессами, управляемыми во всех случаях местными взаимодействиями. Другое дело – понять, как клетки, в которых содержится набор генов, решают, какой из генов следует задействовать в определенный момент. Попробуем ответить на этот вопрос.

Утеха для червей

Будет ли тот или иной ген активирован, зависит от химического состава окружающей среды, а он регулируется работой каскадов других генов, называемых генами-переключателями либо регуляторными генами. Клетки щитовидной железы, например, сильно отличаются от мышечных, как и от всех других, понятное дело, хотя гены у всех одинаковые. Хорошо, скажете вы: клетки мышц и щитовидной железы различаются у более или менее развившихся эмбрионов. Но эмбрион начинается с однойединственной клетки. Клетки щитовидной и поджелудочной желез, клетки печени и костей, клетки кожи и мышц – все это потомки оплодотворенной яйцеклетки, их судьбы складываются в ветвящееся генеалогическое древо. Это древо, берущее начало в зачатии, не имеет ничего общего с эволюционным древом, уходящим в прошлое на миллионы лет, которым мы любовались в других главах. Позвольте показать вам, например, полную родословную 558 клеток только что вышедшей из яйца личинки червя-нематоды Caenorhabditis elegans. (Не знаю, почему этим червям дали видовое название elegans – изящный, но теперь можно сказать, что они его заслуживают. И, хотя я знаю, что не все читатели одобряют отступления от темы, исследования C. elegans – это такое торжество научной мысли, что сейчас меня ничто не остановит.)

В 1960-х блистательный южноафриканский ученый Сидней Бреннер выбрал C. elegans в качестве идеального подопытного животного. Он как раз закончил свою работу с Фрэнсисом Криком и другими коллегами из Кембриджа, посвященную расшифровке генома, и обдумывал, за что бы взяться. С его легкой руки – и благодаря его мощному творческому заделу! – в исследованиях генетики и анатомии нервной системы C. elegans появилось целое сообщество специалистов по C. elegans, которое теперь насчитывает тысячи людей. Можно сказать, что мы знаем о C. elegans почти все. Нам полностью известен его геном. Мы точно знаем, где находится каждая из его 558 клеток (у личинок; у взрослой особи-гермафродита их 959, не считая репродуктивных), и для каждой составлена полная родословная. Нам известно большое количество мутантных генов, приводящих к появлению атипичных червей, и мы точно знаем, где в теле проявляется мутация. Мы знаем и полную историю образования этих отклонений. Это маленькое создание известно нам снаружи и изнутри, вдоль и поперек (“О, храброславленный герой!”). В 2002 году Бреннер был, пусть запоздало, удостоен Нобелевской премии, и один из видов, близких к C. elegans, был назван в его честь – Caenorhabditis brenneri. Его постоянная колонка “Дядя Сид” в журнале “Каррент байолоджи” являет образец эрудированности и бестрепетной научной мудрости, остроумной и прекрасной, как вся область исследований C. elegans, им инспирированная. Однако мне хотелось бы, чтобы микробиологи общались с зоологами (как это делал сам Бреннер) и перестали бы относиться к Caenorhabditis как к единственной нематоде или даже как к единственному червю, будто других не существует.

Родословная клеток Caenorhabditis elegans

Разумеется, в диаграмме вы не сможете прочесть, где какие типы клеток находятся (чтобы написать их разборчиво, понадобилось бы семь страниц), но там указано: “глотка”, “мышцы кишечника”, “мышцы тела”, “сфинктер”, “кольцевой ганглий”, “поясничный ганглий”. Все эти клетки вне зависимости от типа приходятся друг другу буквально двоюродными сестрами с учетом их общего происхождения. Я рассматриваю мышечную клетку MSpappppa. Она является сестрой другой мышечной клетки, двоюродной сестрой двух мышечных клеток, двоюродной племянницей еще двух мышечных клеток, троюродной – шести клеткам глотки, четвероюродной сестрой еще семнадцати клеткам глотки, и так далее. Не правда ли поразительно, что мы можем уверенно использовать слова вроде “племянница” по отношению к клеткам, каждая из которых поименована и однозначно определена? Количество “поколений” клеток, отделяющих ткани от первоначальной яйцеклетки, невелико. В конце концов, в теле C. elegans всего 558 клеток, а теоретически можно получить 1024 (два в десятой степени) клеток всего за десять делений. Количество поколений клеток у человека гораздо больше. Тем не менее, теоретически можно составить аналогичную родословную каждой из триллионов клеток (сравните с 558 клетками женской личинки C. elegans), проследив линию предков до одной оплодотворенной яйцеклетки. Впрочем, для млекопитающих невозможно определить и поименовать конкретные клетки, и так, чтобы это соответствовало их расположению. У нас речь идет о некой усредненной популяции клеток, немного различающихся у разных людей.

Надеюсь, что моя ода во славу Caenorhabditis не увела нас слишком далеко от разговора о том, как различные клетки отдаляются друг от друга, меняя форму и другие признаки по мере ветвления древа клеток в ходе эмбрионального развития. В том месте, где двум линиям клеток суждено разойтись в разные стороны, должно произойти нечто, что будет отличать клетку, чья судьба – стать клеткой гортани, от ее сестры-близнеца, которая превратится в кольцевой ганглий. А иначе как они определят, какие гены какой клетке задействовать? Дело в том, что когда ближайший общий предок двух клонов делился пополам, две половины его клетки уже не были одинаковыми. Поэтому две дочерние клетки, хотя и получили одинаковый набор генов, различались по химическому составу. Вследствие этого у них были активированы разные гены, что и определило дальнейшую судьбу их потомков. Этот принцип действует на протяжении всего развития эмбриона, с самого начала. Ключ к клеточной дифференциации у всех животных – асимметричное деление клеток[53]53
  У C. еlegans первая клетка обозначается Z (“зигота”), и ее передний конец отличается от заднего. Это различие реализуется в итоге как передне-задняя ось тела. Когда делится зигота, то передняя дочерняя клетка, называемая AB, получает больше “передне-задней” субстанции, чем задняя дочерняя клетка Р1. Различие между линиями этих клеток в дальнейшем усиливается. АВ дает начало большей части клеток тела, включая почти всю нервную систему, и эту часть я больше не буду обсуждать. Р1 рождает двух дочек, опять же не сходных друг с дружкой: EMS (она дает начало остальным клеткам брюшной стороны) и Р2 (отвечает за клетки спинной стороны). Обе являются внучками зиготы Z (не забывайте, что мы обсуждаем потомство клеток, а не отдельных нематод). EMS делится пополам, и двоих ее отпрысков называют E и MS, а отпрысков Р2 – С и Р3. Эти четверо являются правнучками Z (правнучки АВ также существуют, но я о них не упоминаю, за исключением потомков ABal и ABpl, определяющих левую сторону, и их двоюродных сестер ABar и ABpr, определяющих правую). У Р3 появляется две дочки D и P4 – это праправнучки Z. MS и С также имеют потомков, каждого со своим именем. Потомство P4 превращается в так называемую зародышевую линию. Клетки зародышевой линии не участвуют в формировании тела червя, они развиваются в репродуктивные клетки. Понятно, что запоминать все эти названия не нужно. Важно только то, что хотя они все генетически идентичны, химическое содержание у них различается. Причина различий кроется в индивидуальной истории клетки.


[Закрыть]. Сэр Джон Салстон с коллегами проследил путь каждой из клеток тела червя вплоть до одной из шести клеток-основательниц. Мы можем назвать их клетками-родоначальницами: AB, MS, E, D, C и P4[54]54
  Салстон, оставшийся в Кембридже после того, как Бреннер уехал в Америку, стал еще одним нобелевским лауреатом, получившим премию за работы по C. elegans. Впоследствии он возглавил британскую ветвь проекта “Геном человека”, который в Америке возглавлял сначала Джеймс Уотсон, а после Фрэнсис Коллинз.


[Закрыть]. Когда ученые давали клеткам названия, они стремились сделать так, чтобы история каждой была сразу ясна. Название клетки начинается с названия одной из шести клеток-родоначальниц. Дальнейшее название клетки состоит из букв, указывающих направление деления: перед (anterior), зад (posterior), спина (dorsal), брюхо (ventral), лево (left) или право (right)[55]55
  Далее в названиях клеток даются английские, а не русские буквы: это стандарт. – Прим. науч. ред.


[Закрыть]. Например, Ca и Cp – две “дочери” клетки-родоначальницы C (передняя и задняя соответственно). Обратите внимание: у каждой клетки может быть не более двух “дочерей” (одна может погибнуть). Вот мышечная клетка Cappppv. У нее говорящее имя. У клетки C была передняя дочерняя клетка, от которой отделилась задняя “дочь”, у которой также была задняя “дочь”, и у двух следующих также. Последняя породила брюшную дочернюю клетку, на которую я смотрю. Каждая клетка организма описана строчкой, заглавные буквы которой являются именем одной из клеток-основательниц. Еще один пример – клетка ABprpapppap, нервная клетка, расположенная в брюшном нерве, тянущемся по всей длине червя. Наверное, нет необходимости перечислять все ее деления. Замечательно то, что у каждой клетки есть имя, описывающее историю ее развития. Каждое из десяти делений, которые привели к появлению клетки ABprpapppap (понятно, не только ее, но и остальных), было асимметричным, что предопределило активацию разных генов для двух дочерних клеток. Таким же образом происходит дифференциация тканей во всех живых существах. Разумеется, у большинства животных больше 558 клеток, и их эмбриональное развитие, как правило, задано менее жестко. Как по-дружески напомнил мне сэр Джон Салстон (и о чем я уже коротко упоминал), у млекопитающих (особенно у них) клеточные родословные различны для каждой особи, а у Caenorhabditis они практически идентичны, исключая мутантных особей. Тем не менее, принцип остается тем же. У любого животного клетки различных частей тела, хотя и несут одинаковый генетический код, отличаются друг от друга именно из-за асимметричного деления в процессе короткой эмбриональной истории.

Подведем итоги. Не существует никакого плана развития, никакой схемы, никакого чертежа, да и самого проектировщика также нет. Развитие эмбриона, а в итоге и всего организма, определяется набором локальных механизмов, применяемых к отдельным клеткам, взаимодействующих в местном масштабе здесь и сейчас. Внутриклеточные процессы также регулируются локальными правилами, применяемыми к отдельным молекулам, особенно белкам. Повторяю: все эти механизмы и правила локальны – только “здесь и сейчас”! Никто не может, глядя на последовательность ДНК оплодотворенной яйцеклетки, предсказать внешний вид животного. Единственный способ узнать это – позволить яйцеклетке развиваться естественным путем и посмотреть, что выйдет. Ни один компьютер не способен на подобное предсказание, только если он не запрограммирован на имитацию биологических процессов, но в этом случае нам просто не нужен компьютер. Подобный метод создания сложных структур в корне отличен от метода с применением чертежей. Если бы ДНК являла собой своего рода чертеж, вытянутый в строчку, было бы относительно несложно запрограммировать компьютер на чтение схемы и воспроизведение животного. С другой стороны, было бы почти невозможно представить себе, как такое животное могло бы эволюционировать.

Теперь, чтобы эта глава не выглядела отступлением от главной темы книги – эволюции, вернемся к Холдейну и скептически настроенной даме. Если гены определяют развитие эмбриона, а не форму взрослого организма, если ни естественный отбор, ни Бог, в отличие от процессов эмбриогенеза, не изготавливают крылышки, то как действует естественный отбор у животных, когда формирует их тела и поведение? Как естественный отбор действует на эмбрионы, сортируя и вытачивая детали, предоставляя взрослым животным именно то, что им необходимо для выживания: крылья или плавники, щитки или крепкую броню, жало или щупальца?

Естественный отбор – это выборочное выживание успешных генов по отношению к другим, менее успешным. Но естественный отбор не выбирает гены напрямую. Вместо этого он отбирает их носителей – отдельных особей. Этот выбор происходит сам собой. Ненамеренно отбираются те, кто сумел выжить и оставить потомство, передав ему те самые гены. Выживание гена зависит от выживания организма, на образование которого повлиял этот ген: ген, будто всадник, едет вместе с телом, они вместе живут и вместе умирают. Любой ген может существовать одновременно в виде множества копий, путешествующих в большом числе тел в поколении, и передаваться из поколения в поколение в популяции. Соответственно, ген, который в среднем увеличивает шансы на выживание, будет стремиться постепенно к увеличению количества своих копий в популяции. Таким образом, гены, которые мы встречаем в генофонде, скорее всего будут теми генами, которые успешно формируют тела. В этой главе мы увидели, как именно гены формируют тело. Дама, задавшая вопрос Холдейну, полагала, что естественному отбору вряд ли хватило бы миллиарда лет, чтобы создать генетический рецепт изготовления человека. Я же утверждаю, что это вероятно. Хотя, разумеется, ни я, ни кто бы то ни было еще не может подробно рассказать, как это происходило. Это оттого, что все правила имеют локальный характер. Любой акт естественного отбора отбирает мутацию, которая сказалась одновременно на большом количестве клеток многих особей в виде небольшого изменения формы белка. Он, в свою очередь, ускоряет какую-нибудь химическую реакцию во всех клетках, в которых активирован данный ген. Это, например, увеличивает скорость роста зачатка челюсти у эмбриона. Впоследствии это отразится на форме головы (укорачивается морда, черты становятся скорее человеческими, чем обезьяньими). Естественный отбор может оказывать давление каким угодно образом. Например, через эстетическое предпочтение потенциальных половых партнеров. Изменение формы челюсти может оказать небольшое влияние на способность грызть орехи или кусаться. Комбинация давлений естественного отбора, конфликтующих, находящих компромиссы невообразимой сложности, определяет статистический успех данного гена, пытающегося распространиться в генофонде. Сам же ген не подозревает ни о чем. Единственное, что он делает, передаваясь из поколение в поколение, – это изменяет аккуратную впадинку на белковой молекуле. Все остальное – неизбежное следствие небольших каскадных изменений локального масштаба, которые в итоге образуют организм.

Но еще сложнее, чем сложение векторов отбора, действующих в рамках экологических, половых, социальных законов, устроена невообразимо сложная сеть взаимодействий, реализующихся внутри и между развивающимися клетками: влияние генов на белки, генов друг на друга, влияние белков на экспрессию генов, одних белков на другие, мембран, химических градиентов, физических и химических потоков внутри эмбриона, гормонов и других посредников для управления на расстоянии, клеток, нацеленных на клетки с комплементарными маркерами. Никто не может охватить картину целиком, но для того, чтобы принять действенность естественного отбора, это и не требуется. Естественный отбор обеспечивает распространение в генофонде мутаций, которые отвечают за важные изменения в эмбриональном развитии. Картина складывается из сотен тысяч мелких локальных взаимодействий, в принципе понятных (хотя иногда на практике очень сложно перепутанных) любому, кто возьмет на себя труд разобраться. Целое ошеломляет, кажется таинственным, но на самом деле тайны нет. Нам известны и принципы эмбриологии, и механизмы эволюционной истории, ведущей к доминированию в генофонде определенных генов. В процессе эволюции усложнения постепенно накапливались. Каждый шаг уводил ненамного дальше. И каждый шаг совершался за счет небольшого изменения локальных правил. Когда имеется достаточное число элементов (клеток, белковых молекул, мембран), подчиняющихся локальным правилам и влияющих друг на друга, результат может быть впечатляющим. В зависимости от своего влияния на эти элементы, гены могут исчезнуть или, напротив, уцелеть, и тогда в дело вступает естественный отбор. Собеседница Холдейна ошибалась. В этом нет ничего принципиально невозможного. И, как сказал ей Холдейн, на это нужно всего девять месяцев.