В основе реакции амплификации лежит та самая система копирования ДНК, которая используется клеткой в естественных условиях. Прежде всего берут опять-таки фермент, на этот раз тот, который управляет копированием ДНК; от названия этого фермента, полимеразы, происходит научное название реакции - полимеразная цепная реакция, или сокращенно ПЦР. Затем добавляются один-два коротких фрагмента ДНК, чтобы направить фермент-полимеразу, минуя все прочее, прямо к тому сегменту исходной ДНК, который надо амплифицировать. Наконец в смесь добавляется строительный материал - азотистые основания - то сырье, из которого будут создаваться новые молекулы ДНК, и еще кое-какие добавки, необходимые для того, чтобы шла реакция, например, магний. Разумеется, не следует забывать собственно о веществе, которое предстоит амплифицировать (в нашем случае - экстракт костей из Абингдона, содержавший, как мы надеялись, несколько молекул древней ДНК).
Теперь предстояло выбрать, какой именно ген амплифицировать. Нам было известно, что если ДНК и имеется в экстракте, то ее очень мало. Мы решили, что шансов на успех будет больше, если выбрать так называемую митохондриальную ДНК, по той простой причине, что количество митохондриальной ДНК в клетке в сотни раз больше, чем любой другой. Впоследствии мы убедились в том, что митохондриальная ДНК к тому же еще и обладает рядом свойств, которые делают ее идеально подходящей для реконструкции прошлого. В первый раз мы остановили свой выбор на ней просто потому, что ее в клетке во много раз больше, чем ДНК любого другого типа, а значит, если в абингдонских костях вообще сохранилась ДНК, то охотиться следует именно на митохондриальную ДНК.
Итак, капли драгоценного костного экстракта были добавлены к ингредиентам, необходимым для проведения реакции амплификации митохондриальной ДНК. Теперь нужно было вскипятить жидкость в пробирке, охладить, затем подогревать несколько минут, а потом снова вскипятить, охладить, подогреть ... и повторить этот цикл еще по крайней мере раз двадцать. Современные генетические лаборатории богато оснащены самым разным хитрым оборудованием, позволяющим проделывать все эти операции автоматически. Но это сейчас. А тогда, в восьмидесятые годы XX века, только одной фирмой был разработан подобный аппарат, стоил он целое состояние, таких денег ни у кого из нас не было. Единственное, что нам оставалось,- это, вооружившись таймером и уставившись на три водяные бани (контейнеры, где поддерживается постоянная температура): кипящую, холодную и теплую, вручную перекладывать пробирку поочередно в первую баню, во вторую, в третью, снова в первую... и так каждые три минуты. Повтор. Еще повтор. И так в течение трех с половиной часов. Мне хватило одной попытки, чтобы прийти в бешенство, а реакция так и не пошла. Необходимо было искать какой-то выход. Может, испробовать электрический чайник? Следующие три недели я провел среди проводов, таймеров, реле, термостатов и длинных спиралей из медных трубок, клапанов от стиральной машины и принесенного из дому чайника. В конце концов я соорудил машинку, которая выполняла необходимые операции. Она кипятила и очень быстро охлаждала, когда клапан стиральной машины открывался, впуская холодную воду из-под крана в свернутую спиралью медную трубку. Потом машинка нагревала - все это действовало безотказно.
Мы нарекли машинку генной служанкой и удостоверились, что она прекрасно справляется с реакцией амплификации на контрольном материале, содержавшем молекулы современной ДНК, на котором мы отлаживали ее работу. Можно было смело доверить ей и экстракт абингдонских костей. Сравнив последовательность полученных молекул с данными, опубликованными в научных статьях, мы вскоре убедились, что ДНК, безусловно, принадлежит человеку. Мы добились своего. Вот здесь прямо перед нами была ДНК кого-то, кто умер сотни лет назад. Это была ДНК, в буквальном смысле поднятая из гроба.
Итак, отправной точкой нашей работы стало открытие ДНК в обломках костей из полуразрытых могил кладбища в Абингдоне, тех самых костей, которые не внушали никаких надежд на успех, когда я впервые увидел их наполовину скрытыми в мокрой земле. Сейчас мне с трудом верится, что спустя несколько лет мы пришли к таким глубоким выводам, касающимся истории и, я бы сказал, самой сути нашего биологического вида. По мере того как будет разворачиваться повествование, вы увидите, что, как и в большинстве случаев, наше научное исследование отнюдь не походило на уверенное продвижение вперед к хорошо известной цели по заранее спланированному маршруту. Куда больше оно напоминало цепочку беспорядочных бросков, причем такие факторы, как подвернувшийся случай, личные взаимоотношения, денежные затруднения, даже физические травмы, определяли направление каждого из этих бросков не в меньшей степени, чем любая продуманная стратегия. Проторенных путей, которые привели бы нас к открытию семи дочерей Евы, просто не существовало. Исследование продвигалось маленькими шажками, каждый из которых помогал решить следующую конкретную задачу, вел к достижению промежуточной цели, которая тусклым маячком брезжила перед нами, и мы шли вперед ощупью, зная, чего достигли, но не представляя, что ждет нас впереди.
Первый полученный нами результат был огромной удачей, настоящим триумфом, но, как ни странно, мы его так не восприняли. Я объясняю это тем, что мы с Эрикой и не могли в тот момент осмыслить значение полученного результата, так как были слишком погружены в проработку мелких деталей. Кроме того, далеко не все шло у нас тогда гладко. У нас с Эрикой почему-то никак не налаживались отношения, работать вместе было нелегко, взаимное непонимание и напряжение росло и накапливалось. Лишь много позже я пойму, насколько далеко могут зайти подобные нестыковки, к каким последствиям в науке привести, да и не только в науке. Но осознание пришло позже, а тогда нас больше заботило, как бы не опоздать. По "беспроволочному телеграфу" до меня дошли слухи, что другая исследовательская группа также ищет ДНК в древних костях. Это означало, что нужно было как можно скорее публиковать результаты нашей работы, в противном случае была реальная опасность, что нас обойдут. В науке не так важно, кто первым провел успешный эксперимент, важно, кто первым успел опубликовать результаты. Если чья-то публикация опередила бы нашу хоть на один день, именно они могли бы претендовать на награду. К счастью, нам удалось убедить редакцию научного журнала "Nature" поторопиться с публикацией нашей статьи, и она была напечатана в рекордные сроки, к Рождеству 1989 года.
Я оказался совершенно не подготовлен к тому, что последовало за выходом статьи. Прежде, когда я изучал наследственные заболевания костной ткани, местная пресса время от времени освещала мои исследования, а раза два об этом даже писали в центральных английских газетах, однако я бы не сказал, что был избалован популярностью. Так что, придя на работу на следующий день, я был вынужден без конца отвечать на телефонные звонки журналистов, желающих взять интервью,- ощущение было новым и острым. Несколькими годами раньше мне случилось проработать три месяца в Лондоне в качестве репортера телекомпании Ай-Ти-Эн, снабжающей большую часть британских телеканалов телевизионными новостями. Мое авантюрное начинание было частью проекта Королевского научного общества, цель которого - перекинуть мост через бездонную пропасть, лежащую между наукой и средствами массовой информации. Меня привлекли к той акции, посулив хорошее вознаграждение, с помощью которого я надеялся поправить свои финансовые дела. Но дело закончилось тем, что мои долги только выросли в значительной степени из-за того, что я провел бездну времени в барах и ресторанах с интервьюируемыми (как правило) людьми куда богаче меня самого. Однажды вечером, к примеру, я проявил крайнюю неопытность и незрелость, пригласив известного телевизионного ведущего выпить и опрометчиво заявив, что я угощаю. "Благодарю, юноша. Пожалуй, от бутылочки Боллингера не откажусь",- был ответ великого человека. Это дорогое шампанское явно было мне не по карману, но в данной ситуации что же мне оставалось делать, кроме как вынуть кошелек? Хотя меня и постиг полный финансовый крах, зато я многому научился за эти несколько месяцев, в частности, тому, что, давая интервью журналистам, нужно стараться отвечать на их вопросы только простыми фразами.
За утро, рассказывая репортерам о нашей научной статье, я изрядно устал подыскивать слова, чтобы попроще и доходчивее объяснить, что такое ДНК и тому подобные вещи. К моменту, когда позвонил корреспондент из отдела науки газеты "Обсервер", я уже дошел до ручки. После нескольких рутинных вопросов он спросил, каких открытий мы ожидаем теперь, когда стало возможным извлекать ДНК из археологических останков. Я ответил, что теперь можно будет, например, точно выяснить, действительно ли вымерли неандертальцы. Это был совершенно разумный и серьезный ответ и даже, как выяснилось впоследствии, верный прогноз. Но вслед за тем меня понесло: "Конечно, мы теперь сможем ответить и на другие вопросы, над которыми столетиями ломали головы ученые: например, мужчиной или женщиной был фараон Рамзес". Насколько мне известно, вторая возможность никогда не приходила в голову ни одному ученому. Ни у кого не возникало ни малейших сомнений в принадлежности великого фараона к мужскому полу. И все же я не слишком удивился, прочитав в воскресной газете заголовок "Рамзес Второй - фараон или фараонша?".
Спустя много лет мне посчастливилось быть приглашенным на открытие новой Египетской галереи Британского музея в Лондоне. Ужин был дан в величественной галерее египетской скульптуры, и мое место оказалось как раз напротив громадной гранитной статуи Рамзеса. Фараон неотступно глядел на меня, не отводя осуждающего взора. Ясразу понял: ему все известно о дурацкой шутке, так что в загробной жизни у меня могут возникнуть серьезные проблемы.
Одной из самых больших трудностей, с которыми мы столкнулись, извлекая ДНК из древних костей, было то, что даже при соблюдении максимальной осторожности все же имелся большой риск амплифицировать современную ДНК, чаще всего свою собственную, вместо ископаемой. Древняя ДНК даже там, где она есть, представлена в чрезвычайно малых количествах. Химические процессы, происходящие главным образом под воздействием кислорода, постепенно изменяют структуру молекулы, так что она начинает дробиться на все более мелкие фрагменты. Если хоть самая крошечная частица современной ДНК попадет в пробирку и вступит в реакцию, то копирующий фермент-полимераза сконцентрирует усилия на чистеньком современном материале и с энтузиазмом наплодит миллионы копий. Ферменту ведь невдомек, что нам-то необходимо амплифицировать именно малопривлекательные истрепанные ошметки старой ДНК. В таком случае все будет выглядеть так, словно реакция прошла вполне успешно. Поместив каплю экстракта древних костей в пробирку, на выходе получим массу ДНК. И только много позже, анализируя материал, вдруг обнаружим, что полученные молекулы ДНК не имеют ни малейшего отношения к ископаемой.
Хотя мы и были уверены, что в случае с костями из Абингдона такого не произошло, однако решили провести еще один контрольный эксперимент, используя в нем ископаемые кости, но не человека, а животного. Это позволяло легко проверить, что мы амплифицируем ДНК животного - это было в данном случае нашей целью, или ДНК человека, что свидетельствовало бы о загрязнении пробы. Мы стали думать, где бы взять старые кости животных, и решили, что самое подходящее место - это останки потерпевшего крушение корабля "Мэри Роуз". Великолепный галеон затонул в 1545 году, отражая атаку французского флота в Портсмуте. Почти никому из команды не удалось спастись. Более четырех столетий обломки корабля пролежали на илистом дне на глубине четырнадцати метров, пока в 1982 году "Мэри Роуз" не была поднята и выставлена для всеобщего обозрения в музее Портсмутской гавани. Там она хранится и в наши дни, в смеси воды и антифриза, не дающей древесине коробиться. На поднятом корабле были найдены не только скелеты несчастных моряков, но и сотни костей рыб и других животных. Когда корабль затонул, его трюмы были полны съестных припасов, в том числе коровьих и свиных туш и соленой трески. Мы уговорили сотрудника музея выдать нам для анализа одно свиное ребро. Поскольку большую часть времени ребро провело без доступа кислорода на илистом дне залива, оно находилось в прекрасной сохранности, так что нам удалось выделить изрядное количество ДНК без особых хлопот. Мы провели анализ - никаких сомнений: полученная ДНК принадлежала свинье, а не человеку.
Я описываю все это не потому, что задался целью нудно, один за другим, перечислять каждый из наших экспериментов. Мне просто хотелось, чтобы вы могли вообразить себе, какова была реакция после публикации результатов этого контрольного исследования. Еще больше телефонных звонков, новые газетные заголовки - лично мне больше всех понравился вот этот, из "Индепендент он Санди": "Посади свинью за стол - она и ребра на стол, для исследования ДНК". Похоже, нам предстояло сплошное веселье.
Глава II
ТАК ЧТО ЖЕ ТАКОЕ ДНК И ЧТО ОНА УМЕЕТ?
Всем нам прекрасно известно, так было испокон веков, дети часто бывают похожи на своих родителей, что ребенок рождается спустя девять месяцев после оплодотворения яйцеклетки. Механизм наследования оставался тайной до самого недавнего времени, во все времена люди пытались найти ему объяснение, выдвигая всевозможные теории. В греческой литературе можно найти множество упоминаний о фамильном сходстве, а рассуждать о его причинах было излюбленным занятием античных философов. Аристотель примерно в 335 году до нашей эры высказывал догадку, что облик и все свойства будущего ребенка определяет отец, в то время как роль матери сводится к вынашиванию дитяти в утробе и заботе о нем после рождения. Эта гипотеза прекрасно отвечала патриархальной направленности западной цивилизации той эпохи. Казалось совершенно естественным, что отец, обеспечивающий в семье достаток и положение, является и "автором" всех черт и свойств своих детей. Не отрицалось, однако, и то, что подобрать подходящую супругу важно, даже необходимо. В конце концов семена, брошенные в добрую почву, всегда прорастают лучше, чем в бедной и тощей земле. Была, впрочем, одна проблема - она долгое время заставляла безвинно страдать несчастных женщин.
Если дети рождаются по образу и подобию своих отцов, откуда же берутся дочери? Аристотель ломал над этим голову всю свою жизнь и пришел к логическому заключению, что младенцы повторяют отцов во всем, включая и половую принадлежность, за исключением тех случаев, когда развитию что-то мешает во время вынашивания в утробе. Эти "помехи" могут быть совсем ничтожными, приводя к незначительным изменениям (например, волосы у ребенка рыжие, а не черные, как у отца), а более основательные помехи приводят к заметным отклонениям, вплоть до того, что ребенок может родиться с дефектами или оказаться девочкой. Такой подход имел тяжелые последствия для многих женщин, которых наказывали или подвергали преследованию за то, что им не удавалось родить сына. Эта древняя теория развилась в представление о "гомункулусе", крошечном, но уже заранее полностью сформированном существе, попадающем в организм женщины в момент полового сношения, а потом ему остается только увеличиваться в размерах. Еще в начале восемнадцатого века пионер микроскопии Антони ван Левенгук был убежден, что с помощью хорошо отполированных луп можно разглядеть крохотного гомункулуса, свернувшегося в клубочек в головке сперматозоида.
Гиппократ, чье имя увековечено в названии клятвы врачей (в прошлом эту клятву в верности медицинскому долгу давали начинающие врачи, кое-где этот обычай сохранился и поныне), придерживался менее крайних взглядов, чем Аристотель, отводивший женщинам столь незаметную роль. Он полагал, что семенную жидкость производят не только мужчины, но и женщины, а черты младенца определяются тем, чьей жидкости из родителей в момент зачатия оказалось больше. В результате дитя может получить отцовские глаза или материнский нос; если же жидкость в момент зачатия присутствует в равных количествах, то и ребенок будет похож на обоих родителей, например, цвет его волос может оказаться средним между материнским и отцовским.
Теория Гиппократа более естественным образом объясняла то, с чем не раз встречался в жизни каждый человек. "Он весь в отца" или "У нее мамина улыбка" - подобные замечания ежедневно звучат миллионы раз по всему миру. К концу девятнадцатого века большинство ученых признавали, что свойства потомства тем или иным образом определяются родителями. И Дарвину было известно не больше, именно поэтому ему никак не удавалось найти механизм, объясняющий теорию естественного отбора: по этой логике получалось, если появляется что-то новое и благоприятное, оно не может удержаться, а неизбежно будет разбавляться и сводиться на нет из-за добавления все новых признаков в каждом последующем поколении. Современные генетики снисходительно посмеиваются над тем, как долго их предшественники были слепы, однако нельзя отрицать, что теория смешения была, даже сейчас она вполне правдоподобно описывает и объясняет наследственность.
В конечном итоге два практических достижения девятнадцатого столетия послужили ключом к пониманию того, как все происходит на самом деле: одним достижением явилось изобретение новых химических красителей для текстильной промышленности, а другим - совершенствование технологии шлифовки линз для микроскопов, которое позволило намного улучшить качество увеличения. Теперь под микроскопом можно было различить отдельные клетки, а с использованием новых красителей даже увидеть их внутреннюю структуру. Отныне появилась возможность наблюдать процесс оплодотворения, слияния крупной яйцеклетки и маленького целеустремленного сперматозоида. Можно было видеть, как в делящихся клетках формируются странные, похожие на ниточки структуры, как они собираются в центре, как затем равные их количества расходятся в две новые клетки. Эти необычные структуры - они хорошо и четко прокрашивались новыми красителями - получили название хромосомы, что на греческом языке означает буквально "окрашенные тельца". Понять роль хромосом удалось лишь спустя много лет.