В течение первой пары миллионов лет все шло замечательно, и производители кислорода просто процветали благодаря своему прогрессивному способу получения энергии. Но подобное загрязнение окружающей среды должно было когда-нибудь сказаться, и однажды условия резко изменились. Почему? На этот счет существует несколько теорий, но, скорее всего, были исчерпаны запасы веществ, вступавших в реакцию с кислородом. Как бы то ни было, он начал накапливаться сначала в воде, а потом и в атмосфере. Сегодня это считается положительным фактором, но для тех времен подобное явление означало катастрофу. Ведь, попадая в живую клетку, этот газ образует в ней агрессивные соединения (например, перекись водорода, применяемую для обесцвечивания волос), которые начинают реагировать со всем, что только попадается на пути. При этом разрушаются мембраны клеток, ферменты и ДНК.
Ситуация осложнялась еще и тем, что кислород был не просто ядом. Ко всему прочему он изменил состав атмосферы, на 300 миллионов лет ввергнув мир в ледниковый период. Разразилась «великая кислородная катастрофа». Считается, что в то время погибла большая часть всех живых организмов. Пожалуй, это было величайшее массовое вымирание в истории планеты. Если бы этот эпизод вошел в кинофильм, мы увидели бы, как последние задыхающиеся микробы толпятся в нише скалы и в отчаянии смотрят на завывающую снежную бурю. После этого очертания пейзажа расплываются… затемнение на экране. Конец фильма.
Но на самом деле все было несколько иначе. Мы до сих пор живы, а это значит, что микробы все-таки сумели справиться с бедой. Но как? Выжили не только те, кто прятался в местах, недоступных для кислорода, но и те, кто научился переносить этот новый яд и даже извлекать из него пользу.
Так, например, кислород позволяет очень эффективно добывать энергию из пищи. Если дрожжи растут без доступа кислорода, то выход энергии просто ничтожен и в ходе процесса брожения виноградный сахар превращается в алкоголь и углекислый газ. Если же в реакции участвует кислород, то дрожжевые грибки получают в пятнадцать раз больше энергии. На выходе остаются только углекислый газ и вода, как будто сахар полностью сгорел в огне. Сегодня клетки всех высших живых организмов вынуждены иметь дело с кислородом. В них, как и прежде, в качестве побочного продукта обмена веществ образуются агрессивные соединения. Особой производительностью отличаются митохондрии – сложные структуры, разлагающие питательные вещества с помощью кислорода и при этом добывающие большое количество энергии. Митохондрии обычно называют «электростанциями» клеток. Но им больше подошло бы название «атомных электростанций», поскольку они имеют дело с очень опасным веществом (кислородом) и оставляют огромное количество вредного мусора.
Чтобы выжить, клеткам пришлось найти способы, позволяющие защититься от негативных воздействий. В нашем организме есть ряд ферментов, задача которых заключается в нейтрализации агрессивных соединений. Насколько это важно для выживания, можно понять хотя бы по тому, что в данную группу входит, пожалуй, самый эффективный из всех известных ферментов – каталаза, – которая «обезвреживает» пять миллионов молекул перекиси водорода в секунду, разлагая их на воду и кислород. Но стопроцентной защиты не бывает, поэтому порой агрессивные соединения все-таки повреждают ДНК в клетках.
Как это может происходить? В данной связи ученые охотно цитируют один из законов Мерфи: «Если что-то может пойти не так, то это обязательно случится». Иными словами, любое негативное воздействие на наследственный материал, которое вы только можете себе представить, может быть оказано в действительности. Но давайте рассмотрим ежедневную деятельность по ремонту ДНК поближе, так сказать изнутри.
Осмотревшись в клеточном ядре, мы обнаружим большое количество белков, которые, подобно слизнякам, ползают по ДНК и методично проверяют каждую «ступеньку» на предмет повреждений. Наткнувшись на участок, подвергшийся химическим изменениям и не подлежащий считыванию, они вырезают его. Такие повреждения случаются постоянно, например, в результате взаимодействия с агрессивными соединениями кислорода, о которых мы уже рассказывали. Когда первая партия ремонтных белков, выполнив свою работу, продолжает двигаться дальше, в последовательности ДНК остается пустое место. Это опасно, но уже через короткое время сюда прибывают другие ремонтные белки и заделывают его.
Обычно все протекает гладко и без проблем. Но иногда случается так, что в ходе ремонта или копирования наследственного материала при делении клетки в структуру ДНК незаметно внедряется неправильный фрагмент, и между обеими нитями возникают разногласия, так как неизвестно, какая информация является истинной. Но и на этот случай в клетке предусмотрено решение. Ее ремонтные системы в состоянии определить, чем является спорный фрагмент – оригиналом или плохой копией. В соответствии с этим вносятся коррективы. Итак, пока все идет хорошо.
Углубимся дальше в ядро клетки и понаблюдаем за тем, как взаимодействуют белки, РНК и ДНК. Внезапно мы видим вспышку света. Очевидно, человек решил позагорать и ультрафиолет, входящий в состав солнечного света, попал на ДНК и намертво склеил два соседних основания Ц таким образом, что считать с них информацию уже невозможно. Но ремонтная бригада ДНК готова и к такому развитию событий. Поврежденное место быстро обнаруживается и вырезается, а недостающая последовательность оснований восстанавливается с помощью неповрежденной второй нити спирали. Клетка легко справляется с этим, если только не возникает необходимость одновременного ремонта сразу большого количества повреждений, как, например, при сильном солнечном ожоге. В этом случае клетки, на которые падает такая чрезмерная нагрузка, просто отмирают.
Еще будучи подростком, Холдейн с 1908 года начал активно искать ответы на эти вопросы. Стартовым выстрелом для его работ стал глухой звук падения, с которым его одиннадцатилетняя сестра Наоми свалилась с пони. В результате у нее начисто пропала любовь к лошадям и она переключилась на морских свинок. С этого все и началось. Джек совместно с Наоми, которая научилась различать своих питомцев по писку, решили выяснить, применимы ли законы наследственности Менделя к грызунам, продемонстрировавшим такую тягу к размножению, что уже через несколько месяцев их поголовье выросло с одной пары до 300 особей. И надо же: они действовали и в данном случае! Для полной уверенности Джек и Наоми повторили эти эксперименты на мышах и уже вскоре опубликовали свою первую научную работу.
Позднее Джек изучал математику и классическую филологию в Оксфорде. В 1914 году он с отличием окончил университет, но диссертацию так и не защитил. Все познания в биологии он получил за счет самообразования. Однако отсутствие формального образования не помешало ему стать одним из величайших биологов своего времени. Юный Джек с годами превратился в Дж. Б. С. Холдейна и приобрел импозантный внешний вид: стал высоким и широким, словно шкаф, и вдобавок отрастил усы, как у Сталина. Он был известным упрямцем и спорщиком, а также марксистом, гуманистом и атеистом. Ни за какие деньги Холдейн не соглашался держать язык за зубами и всегда высказывал свою точку зрения. Короче говоря, он был ярким примером того, как проще всего потерять друзей и обзавестись врагами среди влиятельных людей. Об успешной карьере не могло быть и речи, поскольку для этого требовались такие качества, как тактичность в общении с людьми и определенная склонность к консерватизму. К счастью, его мало интересовала карьера в классическом понимании. Единственное, чего он хотел, – это чтобы его оставили в покое и дали возможность заниматься наукой.
С помощью математики Холдейн определенным образом упорядочил многие области биологии, пребывавшие до этого в хаотическом состоянии, и постоянно занимался проблемами эволюции. В частности, ему не давала покоя загадка талассемии, или средиземноморской анемии, – особого вида малокровия. Причиной этого заболевания являются мутации в генах гемоглобина – белка, отвечающего за транспортировку кислорода в красных кровяных тельцах. Если ребенок получал дефектные гены от обоих родителей, заболевание могло оказаться смертельным. Если же был поражен только один набор хромосом, то последствия были значительно мягче и иногда почти не сказывались на здоровье. Но почему эти опасные вариации генов встречались так часто? И почему они были сосредоточены в средиземноморском регионе? Если эта мутация смогла закрепиться, то в чем ее преимущества для выживания людей?