Для отца Грегора Менделя, монаха-августинца, горох, который он выращивал в монастырском саду в Брюнне, в Моравии, был не только предметом научных изысканий, но и источником развлечения. У него даже была любимая шутка – совершенно неожиданно и с самым серьезным видом заявить гостям: «А сейчас я покажу вам своих детей». Несомненно, Менделю доставляла удовольствие изумленная реакция посетителей на столь откровенное признание из уст священника. А если бы он захотел по-настоящему их шокировать, то назвал бы свой горох hybriden – словом, которое в немецком языке имеет также значение… ну, скажем так, «бастарды». Ведь его горох и впрямь был гибридным.

Сад Менделя пестрел сотнями гороховых растений. У одних цветки были белые, у других – фиолетовые. Одни растения были приземистыми, другие – высокими. Они карабкались по жердям и древесным ветвям, обвивали веревки, натянутые вдоль клумб. Некоторые цветки были заботливо укутаны в маленькие бумажные или ситцевые мешочки. Это были те самые цветки, которые Мендель использовал в своих опытах по скрещиванию. Он брал кисточку из верблюжьей шерсти, опылял цветок одного цвета пыльцой другого, а затем защищал эти цветки мешочками, чтобы назойливые насекомые не нарушили чистоту эксперимента. Из этих незамысловатых опытов и выросла наука генетика – правда, название свое она получила лишь спустя 40 лет после того, как Мендель опубликовал свои результаты, и через 16 лет после его смерти.

Опыты Менделя показали, что некоторые признаки, такие как окраска цветков у гороха, при гибридизации не смешиваются, а передаются будущим поколениям в неизменном виде. Если скрестить растения с фиолетовыми и белыми цветками, у потомства цветки будут не бледно-лиловыми, а исключительно фиолетовыми. Однако при дальнейшем скрещивании этих растений между собой потомство получится смешанным: три четверти цветков будут фиолетовыми, а четверть – белыми. Это пример дискретного, а не смешанного наследования. Результаты скрещивания во втором поколении показали, что признак «белые цветки» никуда не исчезал и при первом скрещивании – он просто затаился, чтобы проявиться вновь.

Эти «частицы наследственности» впоследствии стали известны как гены. Выяснилось, что именно они лежат в основе передачи почти всех наследуемых признаков, а не только менделевских. Признаки, которые кажутся смешанными у потомства внешне непохожих родителей (такие, как цвет человеческой кожи), на деле определяются множеством генов, каждый из которых вносит небольшой аддитивный вклад. Наше современное представление о том, как передаются гены, основано на открытиях Менделя, хотя терминология, включая само слово «ген», появилась позже. Каждый ген существует в нескольких альтернативных вариантах, называемых аллелями. Представьте, что ген – это вафельный рожок, в который можно положить один шарик мороженого любого доступного вкуса. Вкусы – это аллели: вы можете купить ванильный, шоколадный или клубничный шарик, но только один вкус на стаканчик, смешивать нельзя. Однако природа щедра – она дала нам по два рожка на каждый ген и разрешила класть во второй стаканчик мороженое с другим вкусом. Говоря современным языком, Мендель обнаружил вот что: когда каждый из родителей передает гены потомству, аллели (вкусы) будут представлены в следующем поколении пропорционально частоте их встречаемости у родителей.

Так, белоцветковый горох несет две белые аллели гена окраски цветка. В первом поколении у всех фиолетовоцветковых растений Менделя было по две фиолетовых аллели. При первом скрещивании гороха с фиолетовыми и белыми цветками частота двух аллелей у родительских растений составляла 50:50. Все потомство от этого получило по одной фиолетовой и одной белой аллели – снова половина на половину. Но, несмотря на наличие у всех потомков белой аллели, ни у кого из них не оказалось белых цветков. Дело в том, что для выработки фиолетового пигмента достаточно и одной фиолетовой аллели. Это значит, что фиолетовый признак – доминантный по отношению к белому: строго говоря, это аллель, не способная производить пигмент. При следующем скрещивании аллели вновь распределились в соответствии с их частотой у родителей. Чтобы цветок стал белым, растение должно получить две белые аллели. Вероятность этого составляет ¹/₂ × ¹/₂, то есть ¹/₄. Вот почему во втором поколении скрещиваний у Менделя лишь четверть всего гороха зацвела белым цветом.

Можете считать последние несколько абзацев сокращенной вводной лекцией по генетике. Но для наших с вами целей самый важный момент можно выразить еще короче, одной емкой фразой: доля аллели у потомства пропорциональна ее доле у родителей. А если совсем кратко, в двух словах, – это «генетическая справедливость», или первый закон Менделя. Суть в том, что менделевское наследование беспристрастно к различиям между аллелями, слепо к ним – как слепа Фемида. Оно не отдает предпочтения одной аллели перед другой. Позже мы увидим, что такая справедливость – краеугольный камень эволюции сотрудничества между генами. Но для начала нам предстоит еще немного покопаться в саду Менделя.

Когда Мендель изучал частоты наследования нескольких признаков сразу, он обнаружил, что и в этом случае действует то же статистическое правило: частота аллелей у родителей сохраняется у потомков. Так, подсчитав потомство от скрещивания по двум признакам – окраске цветка (фиолетовая/белая) и высоте растения (высокие/приземистые), – доля приземистых растений с белыми цветками в точности совпала с предсказанной на основе случайного сочетания частоты отдельных аллелей у родителей. Итак, и тут восторжествовала генетическая справедливость. Но в начале XX века, когда результаты, полученные Менделем, извлекли на свет божий и ученые начали повторять его опыты на других видах и признаках, всплыло одно осложняющее обстоятельство.

В 1905 году в Кембриджском университете Уильям Бэтсон, Эдит Сондерс и Реджинальд Паннетт скрестили душистый горошек, изучая два признака: окраску цветка (фиолетовая/красная) и форму пыльцы (продолговатая/круглая). Частота аллелей у потомства, как и ожидалось, сохранилась, однако сочетание аллелей оказалось совсем не таким, как предполагалось. Растений с фиолетовыми цветками и продолговатой пыльцой было слишком много, а с красными цветками и продолговатой пыльцой – слишком мало. Эти признаки вели себя так, словно их гены каким-то образом сцеплены между собой. Но объяснить, почему так происходит, Бэтсон не сумел. Ответ нашли Томас Хант Морган и его коллеги из Колумбийского университета в Нью-Йорке.

Морган проводил генетические эксперименты на плодовых мушках – крохотных созданиях, которые вьются над компостной кучей и питают особую слабость к переспелым бананам. Дрозофилы, как их называют ученые, способны дать новое поколение всего за 12 дней. В лабораториях их тысячами разводят в пробирках. Использование дрозофил придало небывалое ускорение развитию молодой науки генетики – ведь теперь можно было за короткий срок проводить масштабные эксперименты. В своей лаборатории Морган обнаружил, что у мушек, как и у гороха, некоторые признаки сцеплены между собой, но порой эта связь нарушается. Отталкиваясь от этих результатов, Морган сделал тот смелый шаг, на который так и не решился Бэтсон.

Морган пришел к выводу, что гены располагаются на хромосомах – структурах, которые можно разглядеть в ядре делящихся клеток и которые хорошо знакомы микроскопистам. Бэтсон упорно отказывался признать, что хромосомы как-то связаны с наследственностью. Но Морган видел: структура и поведение хромосом дают элегантнейшее объяснение результатам генетических экспериментов. Сцепленные гены непременно должны быть расположены на одной хромосоме.

При клеточном делении, которое дает начало половым клеткам (сперматозоидам и яйцеклеткам), именуемым гаметами, хромосомы образуют пары – по одной от каждого родителя. В ходе этого процесса – мейоза (мейотического деления) – материнская хромосома встречается с отцовской, и они обмениваются ДНК. Этот обмен называется рекомбинацией. Если место разрыва и дальнейший обмен участками ДНК окажется между двумя генами, то во время мейоза эти гены разъединятся. Вероятность этого связана с удаленностью одного гена от другого. Если они лежат по соседству, это означает, что сцепление сохранится. Но если гены расположены на разных концах хромосомы, они будут часто разделяться. В 1933 году Томас Хант Морган получил Нобелевскую премию за это открытие, имевшее колоссальное значение для развития генетики[371].

Рис. 19. Как ДНК и гены упаковываются в хромосомы

Но почему вообще гены соединяются вместе, образуя хромосомы? Вряд ли такой вопрос мог прийти в голову Моргану или другим генетикам его эпохи. Однако с позиций современной эволюционной биологии он напрашивается сам собой. Короткие молекулы РНК реплицируются быстрее, и в ходе направленной эволюции их размер уменьшается, поэтому кажется странным, что даже горстка генов в вирусе соединена в одну длинную молекулу. Зачем молекулам РНК или ДНК, способным к самовоспроизведению, объединяться в более протяженные цепочки? Это каверзный вопрос: ведь в самом слове «самовоспроизведение» кроется подвох. Когда дело доходит до «самовоспроизведения», для танго нужны двое: матрица и катализатор. Теоретически это могут быть близнецы – молекулы с одинаковой последовательностью, но играющие разные роли наподобие рибозимов. Впрочем, пока такую двуликую, двухфункциональную последовательность никто не обнаружил. Самовоспроизводящиеся молекулы подобны миллионерам, которые якобы «сделали себя сами»: это миф. Для репликации, будь то умножение молекул или денег, необходима кооперация.

Преимущество связи между генами заключается в их функциональной взаимозависимости. Два несцепленных гена, которым для выполнения своих задач в клетке или успешной репликации необходима взаимная поддержка, рискуют разделиться при делении клетки. Хромосомы решают эту проблему, предоставляя, так сказать, автобус для всей команды: это гарантирует, что ни один ген не отстанет, зазевавшись[372]. По мере того как клетки эволюционировали, становясь все сложнее и сложнее, гены формировали все более обширные взаимозависимые сети, а хромосомы удлинялись. Но тут возникла другая проблема: в длинных сообщениях ошибки при копировании становятся неизбежными.

Репликаза, копирующая РНК в экспериментах с фагами, о которых шла речь в главе 13, способна без ошибок скопировать от 1 до 10 000 нуклеотидов – но этого хватит лишь на то, чтобы закодировать небольшой фермент[373]. У кишечной палочки единственная кольцевая хромосома состоит из 4,6 миллиона пар нуклеотидов. Большинство же хромосом обычно несут тысячи генов, а это значит, что им необходим механизм исправления ошибок. И эволюция любезно снабдила клетки несколькими механизмами, предотвращающими ошибки при копировании ДНК и исправляющими их, если уж они возникли.

Начнем с того, что ДНК химически стабильнее, чем РНК, и потому изначально менее подвержена ошибкам. Вероятно, именно поэтому на заре жизни ДНК вытеснила РНК с позиции хранилища генетической информации. Все клеточные организмы используют ДНК. Механизм репликации ДНК сходен у прокариот и эукариот – значит, он возник очень давно. Этот механизм копирования можно представить себе как единую машину, состоящую из десятка ферментов и других белков, которые взаимодействуют друг с другом. Когда новая нить ДНК выстраивается на матрице уже существующей нити с помощью фермента ДНК-полимеразы, машина сверяет копию с матрицей и удаляет любые несоответствия, заменяя «неправильный» нуклеотид на «правильный».

Такая проверка снижает частоту ошибок с одной на 100 000 до одной на 10 миллиардов. Следом за полимеразой в дело вступают другие ферменты – они вылавливают и исправляют любые оставшиеся несоответствия. Если вам кажется, что это чересчур дотошная проверка на ошибки, то в каком-то смысле так оно и есть. Наследственный дефект в механизме исправления несоответствий приводит к тому, что в клетках кишечника накапливается больше мутаций, чем обычно: это вызывает одну из форм рака кишечника[374]. Дж. Б. С. Холдейн умер именно от этого заболевания. Впрочем, при жизни он посмеивался над своим недугом и – в полном согласии со своим характером – даже написал длинное шуточное стихотворение, в котором есть такие строки: «Прямая кишка была и сплыла, // Зато колостома очень мила». (Колостома – искусственное отверстие кишечника на передней брюшной стенке.)

Несмотря на все ухищрения по обнаружению и исправлению ошибок при копировании ДНК, какие-то мутации все-таки проскальзывают и закрепляются в геноме. И хорошо, что проскальзывают, – иначе эволюции было бы не с чем работать. Ведь именно мутации – главный источник генетического разнообразия, которое порождает новизну и дает естественному отбору материал для работы. Все отличительные особенности любой группы животных, растений или микробов когда-то были в новинку. Впрочем, хотя мутации порой и полезны, гораздо чаще они вредны – по той простой причине, что возникают случайно. В самом деле, много ли шансов, что случайное изменение конструкции улучшит работу какого-либо механизма? Только представьте себе: если бы случайные изменения в автомобиле могли его чинить, все руководства по ремонту можно было бы выбросить, а автомеханики остались бы не у дел. А если бы случайные изменения и вовсе улучшали машину, то идеалом автодизайна были бы скорее тачки из «Безумного Макса», чем «мерседесы».

В реальном мире, где большинство мутаций вредны, возникает проблема. Конечно, особо пагубные мутации естественный отбор быстро отсеет, но слегка вредоносные станут накапливаться из поколения в поколение и в конце концов превратятся в бремя, снижающее приспособленность организмов. Как эволюция справляется с этим? У эукариот, обладающих самыми большими хромосомами, ответ таков: половое размножение и рекомбинация.

Во время мейоза, при рекомбинации хромосомы обмениваются фрагментами, а гомологичные пары хромосом разделяются по-разному, так что состав генома в каждом поколении тасуется заново. Со временем это залатывает бреши, оставленные мутациями, – на место поврежденных генов встают целые из другой копии соответствующей хромосомы. По сути, рекомбинация – это процесс устранения неисправностей[375]. И работает такой механизм лишь потому, что две копии каждой хромосомы в клетке слегка отличаются друг от друга по вполне очевидной причине: ведь одна досталась от отца, другая от матери.

Мейоз и половое размножение неразлучны, как лошадь и телега. Мейоз – это лошадь, которая, согласно пословице, должна идти впереди телеги. Задача мейоза – превратить двойной набор хромосом, имеющийся в обычной клетке, в одинарный, необходимый для образования гамет – яйцеклеток и сперматозоидов. А когда гамета встречает свою вторую половинку, яйцеклетка и сперматозоид сливаются, и двойной набор хромосом восстанавливается. Под микроскопом мейоз похож на сложный танец хромосом. Представьте, что вы – хореограф-рационализатор. Ваша задача – обучить пары хромосом сольным танцам. Вы бы просто взяли и разделили их за один шаг: 2 → 1 + 1. Но мейоз выбирает куда более замысловатый путь: хромосомы умножаются, спариваются, переплетаются и расходятся.

Для начала хромосомы удваиваются, и у каждой появляется сестра-близнец. Иными словами, вместо того, чтобы сразу разделиться, они начинают с увеличения числа: 2 → 4. Затем происходит рекомбинация, и хромосомы, все еще сдвоенные, расходятся к противоположным концам клетки и разделяются вновь образованной клеточной мембраной. И наконец, еще немного потанцевав, сестры-близнецы расстаются и образуют гаметы с одинарным набором хромосом в каждой. Если выразить всю эту танцевальную последовательность в числах – наборах хромосом на клетку, мы получим следующую цепочку: 2 → 4 → 2 → 1. Почему эволюция решила сделать производство гамет таким немыслимо сложным?

Вероятно, затем, что эта система защищает справедливость в мире генов, сбивая с толку аллели, которые так и норовят смухлевать и пробраться в гаметы в большем количестве, чем им полагается. Такие плутоватые аллели, именуемые мейотическими драйверами, встречаются у самых разных организмов, в том числе у плодовых мушек, кукурузы и человека. Один из их трюков – портить конкурирующие хромосомы, что увеличивает их собственную численность в следующем поколении. Однако благодаря мейозу обычно одерживает верх первый закон Менделя. В самом деле, мейоз даже называли[376] «уловкой, призванной одурачить эгоистичные гены»[377]. Суть трюка в том, чтобы тщательно перетасовать копии хромосом: тогда будет непонятно, какие из них попадут вместе в гаметы, а мошенники крепко задумаются, смогут ли они найти подходящую жертву. Перетасовка происходит всякий раз, как хромосомы делятся. Разделить их всего один раз, 2 → 1, было бы куда проще. Но мейоз сначала удваивает число хромосом (2 → 4), а потом дважды делит их (4 → 2 → 1), добавляя лишний уровень неопределенности для мошенников.

Есть общий принцип: неопределенность исхода – друг справедливости и сотрудничества: она не дает мошенникам обвести систему вокруг пальца[378]. Эта идея восходит к моральной философии Джона Ролза, который доказывал, что справедливое общество – это общество честное[379]. По его мнению, решения в справедливом обществе должны приниматься под «завесой неведения», как если бы мы не знали, каким образом эти решения повлияют лично на нас. Скажем, чтобы соблюсти справедливость при дележе пирога, режущий не должен сам решать, какой кусок достанется ему. Если человек не знает, кому какой кусок перепадет, он постарается разделить пирог как можно точнее на равные части.

Случайное расхождение хромосом во время мейоза набрасывает «завесу неведения» на образование гамет, и менделевское наследование остается справедливым. Высказывалась мысль, что политику в США можно сделать более справедливой, если взять этот принцип на вооружение при перекраивании избирательных округов. Если то и дело произвольно менять границы округов, удастся покончить с антидемократической практикой джерримендеринга, когда партия, находящаяся у власти, осуществляет демаркацию в своих интересах[380].

Проводилась и политическая параллель между тем, как люди принимают решения при парламентской демократии, и тем, как это делают гены, когда им нужно «договориться». Вопрос с точки зрения биологии выглядит следующим образом: как получилось, что геном, состоящий из тысяч отдельных генов (каждый из которых мог «дезертировать»), пришел к сотрудничеству и создал систему генетической справедливости, претворяемую в жизнь при мейозе? Или, проще говоря, как сотрудничество восторжествовало над обманом? Ответ состоит из двух частей, отражающих два ключевых ингредиента командной работы, которые не раз упоминались в этой книге: общность интересов членов команды и механизм контроля над мошенниками.

Общность интересов среди генов – следствие сложности внутриклеточных процессов. Уровень сотрудничества, необходимый молекулярным машинам для репликации ДНК, предполагает столь же слаженное и тесное сотрудничество между генами, кодирующими белки, из которых эти машины состоят. То же самое касается всех прочих сложных функций клетки и всех белков, которые выполняют эти функции. Функциональная взаимозависимость процессов в клетке означает, что успех и приспособленность генов в ней тоже взаимосвязаны.

Все гены в геноме кровно заинтересованы в успехе особи, которая передаст их следующим поколениям. Если вообразить геном как парламент генов, то все они будут голосовать за сотрудничество, поскольку оно отвечает интересам каждого из них. И все же, как мы знаем, мутации порой порождают «дезертиров», пытающихся обмануть систему, – вспомним о раке и мейотических драйверах. Долговременного успеха они никогда не добиваются, потому что в генном парламенте их подавляющим большинством голосов ставят на место[381]. Впрочем, как мы сейчас увидим, свои козни они не оставляют.