В процессе оплодотворения один набор таинственных нитей как будто возникал из отцовского сперматозоида, а второй - из материнской яйцеклетки. Еще раньше это было предсказано человеком, известным всему миру как родоначальник генетики. Основы этой науки Грегор Мендель, монах из чешского города Брно, заложил на опытной грядке в монастырском огороде, где он выращивал горох в 1860-е годы. Он пришел к выводу, что наследственность (у любых видов) передается в равной мере от обоих родителей к потомству. К несчастью, Мендель умер, не увидев хромосом своими глазами, но предвидение его оказалось верным (за двумя важными исключениями - митохондриальная ДНК, о которой мы еще будем говорить в этой книге, и хромосомы, определяющие пол). Гены - специфические частицы генетического кода, находящиеся в хромосомах, наследуются в равных количествах от обоих родительских хромосомных наборов. К 1903 году определяющая роль хромосом в наследственности и тот факт, что в них должно содержаться какое-то вещество наследственности, были уже общепризнанными, но потребовалось еще полвека, чтобы узнать, из чего состоят хромосомы и как они действуют в качестве физических носителей наследственной информации. В 1953 году двое молодых ученых из Кембриджа - Джеймс Д. Уотсон и Фрэнсис Крик - расшифровали молекулярную структуру вещества, о котором давно уже знали, но считали его неинтересным и неважным. Словно для того, чтобы подчеркнуть его незаметность, веществу дали длинное название - дезоксирибонуклеиновая кислота, правда, позже появилась симпатичная аббревиатура - ДНК. Хотя было проведено несколько экспериментов по выяснению предполагаемой роли ДНК в механизме наследственности, на белки делались основные ставки, как на наиболее вероятные вещества, несущие наследственную информацию. Белки имеют сложное строение, состоят из двадцати различных компонентов (аминокислот), способны принимать миллионы различных форм. Разумеется, полагали исследователи, только таким, действительно сложным структурам под силу справиться со столь грандиозной задачей, как программирование, благодаря которому из оплодотворенной клетки вырастает и развивается полностью сформированный и функционирующий организм. Не представлялось возможным, чтобы ДНК, состоявшая всего из четырех компонентов, могла справиться с такой сложной задачей. Правда, ДНК находилась как раз в подходящем месте, в клеточном ядре, но ведь она могла заниматься там и какимнибудь простеньким делом, скажем, впитывать излишки воды, наподобие губки.
Несмотря на отсутствие интереса к этому веществу у ученых, современников Уотсона и Крика, им казалось, что именно в нем кроется ключ к разгадке химического механизма наследственности. Они решили попытаться расшифровать молекулярную структуру ДНК, применив метод, уже испытанный при изучении структуры белка. Этот метод заключался в получении длинных волокон очищенной ДНК и их обработке рентгеновскими лучами. Рентгеновские лучи проникали в ДНК, и большая их часть проходила насквозь и выходила с другой стороны. Но некоторое количество лучей сталкивалось с атомами, входящими в структуру молекулы. Лучи отражались от атомов и рикошетом возвращались к той же стороне, откуда направились. В этом месте их фиксировали с помощью фотопленки - точно такой же, какой до сих пор пользуются рентгенологи для снимков перелома костей. Отраженные рентгеновские лучи "рисовали" на пленке узор из множества точек, по которым затем можно было определить расположение атомов в молекуле ДНК.
Уотсон и Крик провели долгие недели за изготовлением различных моделей из штативов, картонных пластинок и металлических шариков, изображающих атомы. Наконец одна из моделей полностью совпала с узором рентгеновских лучей. Модель была простой, но в то же время невероятно изящной. Ее структура сразу же навела ученых на мысль о том, как может осуществляться ее генетическая функция. Молодые ученые с подкупающей уверенностью сообщали о сделанном открытии в статье, опубликованной в научном журнале "Nature": "От нашего внимания не ускользнуло, что специфическое удвоение, которое мы постулируем, может служить копирующим механизмом генетического материала". Они оказались совершенно правы, и в 1962 году Уотсон и Крик были награждены Нобелевской премией по медицине и физиологии.
Требования, предъявляемые к генетическому материалу: возможность многократного и точного его воспроизведения, чтобы при делении клетка давала двум новым "дочерним" клеткам равные порции хромосом в ядрах. Если генетический материал в хромосомах не будет копироваться всякий раз при делении клетки, то он довольно скоро иссякнет. Копирование же должно быть очень точным, иначе вновь образованные клетки просто не будут жизнеспособными. Уотсон и Крик обнаружили, что каждая молекула ДНК состоит из двух длинных спиралей, напоминающих две переплетенные винтовые лестницы - эта структура получила название "двойная спираль". Когда подходит время копирования, две винтовые лестницы двойной спирали разъединяются. ДНК построена всего из четырех базовых компонентов, которые обычно обозначаются первыми буквами их химических названий: А - аденин, Ц - цитозин, Г - гуанин и Т - тимин. Их общее название - азотистые основания (в дальнейшем для простоты мы будем именовать их просто основаниями). Теперь забудьте про химические названия и запомните только четыре буквы А, Ц, Г и Т.
Прорыв в расшифровке структуры ДНК был сделан, когда Уотсон с Криком обнаружили: четыре кирпичика, из которых строится ДНК, могут соединяться не каждый с каждым, а только попарно: А в одной спирали подходит только к Т, находящемуся прямо напротив него в соседней спирали. Словно ключ к замку или один кусочек головоломки - паззла к другому, А идеально подходит к Т, но никогда к Г, Ц или другому А Точно так же Ц и Г на двух спиралях соединяются только друг с другом, но не с А и не с Т. Таким способом обе нити сохраняют комплементарно (то есть дополнительно друг к другу) закодированную информацию о последовательности. Например, последовательности АТТЦАГ на одной нити может соответствовать только последовательность ТААГТЦ на соседней. Когда двойная спираль разъединяет нити, особые клеточные структуры достраивают напротив АТТГАЦ старой нити новую последовательность ТААГТЦ, и в то же время новое АТТГАЦ строится напротив ТААГТЦ второй старой нити. В результате появляются две новые двойные спирали, идентичные исходной. Последовательность четырех химических букв остается в неизменности на протяжении всего процесса дублирования. Что же означает эта последовательность? Это информация в чистом виде. Сама по себе ДНК не имеет никакой другой функции в организме. Она не помогает дышать или переваривать пищу. Она только дает организму указания, как ему это делать. В клетке имеются и "менеджеры среднего звена", вещества, которые получают инструкции и, руководствуясь ими, выполняют работу,- это белки. Вам может показаться, что все слишком усложнено. Что ж, это и впрямь очень сложно, но белки на самом деле действуют по указаниям, получаемым напрямую из штаба, то есть непосредственно от ДНК.
Действительно, от того, насколько сложны клетки, ткани и организм в целом, просто дух захватывает, но при этом способ, которым записаны инструкции исходной ДНК, на удивление прост. Как и в большинстве известных нам знаковых информационных систем, таких, как язык, числа или бинарный код компьютера, важно не количество различных знаков, или букв, а та последовательность, в которой они расположены. В анаграммах, например "машинка" и "манишка", содержатся одни и те же буквы, только порядок их расположения немного различается, а в результате перед нами совершенно разные слова. Подобным образом 476 021 и 104 762 - совсем разные числа, которые обозначены одними и теми же цифрами, стоящими по-разному. Еще один пример: 001 010 и 100 100 имеют весьма разные значения в бинарном коде. Точно так обстоит дело и с порядком, в котором располагаются в ДНК четыре химические буквы. АЦГГТА и ГАЦАГТ - анаграммы ДНК, которые имеют совершенно разный смысл для клетки, так же, как "машинка" и "манишка" имеют разный смысл для нас.
Итак, как же записывается сообщение и как его читать? ДНК прикована к хромосомам, которые в свою очередь никогда не покидают пределов клеточного ядра. Всю работу выполняют белки. В организме они - исполнители. Это ферменты, которые переваривают пищу и обеспечивают обмен веществ, и гормоны, которые координируют процессы, происходящие в разных частях организма. Это коллагены кожи и костей, гемоглобины крови. Это антитела, которые сражаются с инфекцией. Другими словами, они делают все. Некоторые белки - это молекулы невероятных размеров, другие совсем невелики, но все белки имеют общее свойство, а именно то, что представляют они собой цепочку звеньев, которые называются аминокислотами. Порядок расположения аминокислот и определяет функции белка. Аминокислоты одной части молекулы притягивают к себе аминокислоты другой части, так симпатичная и простая линейная цепочка сворачивается и скручивается в комок. Но комок этот имеет строго определенную форму, которая позволяет белку выполнять свое предназначение: быть катализатором биологических реакций, если это фермент; строить мышечную ткань, если это мышечный белок; отлавливать проникшие в организм бактерии, если это антитело, и так далее. Всего имеется двадцать аминокислот, названия некоторых прекрасно известны - например, лизин или фенилаланин (он входит в состав искусственного подсластителя), о других большинство людей, если они не специалисты, возможно, никогда не слышали - например, цистеин или тирозин. Порядок, в котором расположены аминокислоты, точно определяет его окончательную форму и функцию, стало быть, для того чтобы построить белок, требуется лишь получить от ДНК инструкцию, определяющую этот порядок. Закодированная информация, содержащаяся внутри клеточного ядра в ДНК, должна каким-то образом быть передана в другую часть клетки, где происходит синтез белков.
Вырвите у себя один волосок, если не жалко. Полупрозрачный пузырек на одном его конце - это волосяная луковица, или фолликул. Один такой фолликул состоит примерно из миллиона клеток, единственное жизненное предназначение которых - строить волос, состоящий преимущественно из белка кератина. Когда вы выдернули волосок, клетки еще продолжали работать. Представьте себе, что находитесь внутри одной такой клетки. Все вокруг заняты производством кератина. Но как узнать, что нужно делать? Главное в создании молекул любого белка, в том числе и кератина,- это воспроизводить правильную последовательность аминокислот в них. Что такое правильная последовательность? Подойдем к ДНК, расположенной внутри клеточного ядра в хромосомах. Клетка волосяного фолликула, как и каждая клетка организма, располагает ДНК с полным набором инструкций, но нас интересует только кератин. Волосяным клеткам неинтересно, как воспроизводить кровь или кости, поэтому эти участки ДНК здесь отключены.
Но участок, содержащий инструкции насчет кератина, кератиновый ген, открыт для консультаций. Ген представляет собой не что иное, как последовательность символов или "букв" ДНК, определяющую порядок расположения аминокислот в кератине.
Последовательность ДНК в кератиновом гене начинается так: АТГАЦЦТЦЦТТЦ... и так далее. Поскольку мы не привыкли читать этот шифр, нам он кажется случайным набором четырех символов ДНК. Однако, хотя нам он представляется бессмыслицей, для волосяных клеток это совсем не так. Для них это небольшой фрагмент кода кератина, и прочитать его очень просто. Сначала клетка считывает код группами, по три символа в каждой. Так АТГАЦЦТЦЦТТЦ превращается в АТГ-АЦЦ-ТЦЦ-ТТЦ. Каждая трехсимвольная группа называется триплетом, соответствует одной какой-либо аминокислоте. Первый триплет АТГ представляет собой код аминокислоты метионина, АЦЦ означает треонин, ТЦЦ - серин, ТТЦ - фенилаланин и так далее. Это генетический код, которым пользуются все гены, содержащиеся в клеточных ядрах всех видов растений и животных.
Клетка изготавливает временную копию этого кода, как бы ксерокопируя несколько страниц из книги, затем переправляет эту копию в другой участок клетки, в "цех" по изготовлению кератина. Когда копия прибывает сюда, станок, производящий кератин, приходит в действие. Сначала он считывает первый триплет и расшифровывает его значение - аминокислота метионин. Затем он достает с полки молекулу метионина. Считывает второй триплет (треонин) и достает молекулу этой аминокислоты и присоединяет ее к метионину. Третий триплет означает серин, и молекула серина крепится к треонину. Четвертый триплет соответствует фенилаланину, и его прикрепляют к серину. Теперь мы имеем четыре аминокислоты, соединенных в соответствии с последовательностью кератинового гена ДНК в правильном порядке: метионин-треонин-серин-фенилаланин. Следующий триплет считывается, пятая аминокислота встает на место за фенилаланином и так далее. Этот процесс считывания, расшифровки и сборки аминокислот в правильном порядке продолжается, пока вся инструкция не будет прочитана до конца. И вот, наконец, перед нами готовенькая новая молекула кератина. Она отсоединяется и устремляется к миллионам других таких же молекул, чтобы вместе с ними сформировать часть одного из волосков, растущих у вас на голове. Разумеется, только в том случае, если вы его не вырвали.
Глава III
ОТ ГРУПП КРОВИ К ГЕНАМ
Трудно найти в облике человека черту более характерную, чем волосы. О них в первую очередь упоминают, описывая внешность появившегося на свет младенца, нового знакомого или давая приметы преступника. Темные или светлые, волнистые или прямые, густые или редеющие, все эти детали сразу помогают нам представить человека, которого мы никогда в жизни не видели, нарисовать в воображении его портрет. Мы придаем огромное значение тому, как выглядят наши собственные волосы. Парикмахерские салоны не пустуют, и мы не стоим за ценой, чтобы нас подстригли покороче или сделали замысловатую прическу. На прилавках аптек и магазинов выстроились ряды средств, позволяющих осветлить волосы или сделать их темнее, выпрямить или завить. Мы все стараемся улучшить волосы, данные нам от природы,- это внешняя сторона, а вот над исходным материалом, с которым мы появляемся на свет, трудятся гены. Различия между обладателем природных рыжих волос и натуральным блондином объясняются различиями в последовательности их ДНК. Именно она отвечает за наделение волос определенными характеристиками цвета и текстуры. Большую часть этих генов еще предстоит идентифицировать, но точно известно, что они наследуются от обоих родителей, хотя не всегда и не обязательно прямым путем - вот почему часто оказывается, что цвет волос ребенка иной, чем у обоих его родителей.
Тип волос - очень заметная и легко определимая черта внешнего облика человека, по ней мы отличаем людей друг от друга. Но мы наследуем от родителей неизмеримо большее количество самых разных свойств и черт, часто невидимых и неразличимых до тех пор, пока они почему-либо не привлекут наше внимание. Первый такой наследуемый признак, который удалось расшифровать,- это группы крови. Невозможно определить по внешнему виду человека, какая у него группа крови. Нельзя определить этого даже при внимательном разглядывании капли крови. Кровь у всех людей выглядит примерно одинаково. Различия обнаружатся только тогда, когда мы смешаем кровь двух разных людей, а поскольку до изобретения метода переливания крови никому не приходило в голову ее перемешивать, то о группах крови никто не догадывался.
Первые записи о произведенном переливании крови были сделаны в Италии и датировались 1628 годом, но люди в те времена так часто погибали от тяжелых последствий переливания, что эта практика была приостановлена, то же самое происходило во Франции и Англии. Было проделано и несколько экспериментов по переливанию бараньей крови, в частности, английским врачом Ричардом Лоуером в 1660-е годы, однако результаты также были плачевными, и от мысли о переливании крови отказались еще на несколько столетий. Попытки вновь возобновились в середине девятнадцатого века, надо было как-то противостоять частым, приводящим к фатальному исходу кровотечениям у женщин во время родов. К 1875 году было зарегистрировано 347 таких переливаний. Но многие пациентки по-прежнему страдали от тяжелой, порой приводящей к смерти, реакции на переливание донорской крови.
К тому времени ученые начали уже догадываться о существовании разных групп крови, наличие которых и могло приводить к подобным последствиям. Французский физиолог Леонар Лалуа первым исследовал природу реакции одной группы крови на другую на клеточном уровне в 1875 году, проводя эксперименты по смешиванию крови разных видов животных. Лалуа заметил, что кровяные тельца склеиваются и часто разрываются. А несколько позднее, в 1900 году, австрийский биолог Карл Ландштейнер, окончательно разобравшись в происходящем, впервые разработал систему групп крови, отнеся каждого человека к одной из четырех категорий - обладателей группы А, В, АВ и 0. Если донорскую кровь переливают пациенту с такой же группой, как у него, то плохой реакции нет, но если группы не совпадают, клетки крови склеиваются и выпадают в осадок, что и приводит к тяжелым последствиям. Есть исторические свидетельства, согласно которым южно-американские индейцы инки с успехом применяли переливание крови. Теперь известно, что большинство коренных южноамериканцев - обладатели одной и той же группы крови, (а именно группы 0), так что переливания крови для индейцев инков представляли гораздо меньшую опасность, чем для жителей Европы.
В отличие от генетических схем, определяющих наследование цвета и структуры волос, настолько сложных, что их до сих пор не удалось полностью расшифровать, правила наследования группы крови на удивление просты. Генетика в этом случае совершенно незамысловата, и признак легко проследить от родителей к детям. До недавнего времени в случаях, когда необходимо было подтвердить или исключить вероятность отцовства, прибегали к исследованию группы крови, Лишь совсем недавно в подобных случаях стали делать неизмеримо более точный генетический анализ. Для нашего повествования все это имеет большое значение по той причине, что именно благодаря группам крови изучение эволюции человека вышло на новый важнейший этап - генетический. Чтобы увидеть, как это произошло, вернемся во времена Первой мировой войны, к статье, увидевшей свет 5 июня 1918 года в материалах Медицинского общества греческого города Салоники. Годом позже статья была переведена и опубликована в ведущем медицинском издании Британии, журнале "Ланцет" под заголовком "Серологические различия крови представителей разных рас: результаты исследования на македонском фронте". Чтобы вы могли ощутить остроту того, что публиковал "Ланцет" в те дни, упомянем, что это сообщение было размещено между лекцией видного хирурга сэра Джона Блэнд-Сьютона о рептилиях в третьем веке и уведомлением военного ведомства о том, что медсестрам, отмеченным за службу в Египте и Франции, в скором времени будут выданы благодарственные грамоты его величества короля.