Сэм Кин - Синдром Паганини и другие правдивые истории о гениальности, записанные в нашем генетическом коде

• Название: Синдром Паганини и другие правдивые истории о гениальности, записанные в нашем генетическом коде
• Автор: Сэм Кин
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2015
• ISBN: 978-5-699-83676-5

Книга «Синдром Паганини и другие правдивые истории о гениальности, записанные в нашем генетическом коде» посвящена одному из самых важных и интересных разделов биологии – генетике. Вы познакомитесь с историей генетики и узнаете о расшифровке структуры ДНК и проекте «Геном человека». Для всех увлеченных и неравнодушных.

---

Теория в целом недурна – но и только. К сожалению, когда Маргулис проповедовала ее, она не нашла понимания среди коллег-ученых. Ее первую статью по эндосимбиозу отвергло пятнадцать журналов, и хуже того – многие биологи в открытую нападали на ее гипотезу. И с каждым новым выступлением ее оппоненты выдвигали все больше доказательств и были более нетерпимы, придавая особое значение независимому поведению митохондрий, подчеркивая, что они плавают внутри клетки, размножаются по собственному расписанию, имеют собственные мембраны, напоминающие клеточную стенку. И их «мусорная» ДНК – якобы неизбежный случай: клетки редко позволяют ДНК уходить из ядра на периферию, и если такое случается, то ДНК, как правило, не выживает. Кроме того, мы наследуем митохондриальную ДНК иначе, чем хромосомную, – только от матерей, так как мама передает своим детям все свои митохондрии. Маргулис пришла к выводу, что митохондриальная ДНК может происходить только из ранее независимых клеток.

Ее оппоненты возражали (и правильно делали), что митохондрии не работают поодиночке: для нормального функционирования им необходимы хромосомные гены, поэтому их вряд ли можно считать независимыми. Маргулис парировала, что три миллиарда лет назад многие гены, необходимые для независимой жизни, вполне могли исчезнуть, как Чеширский Кот, от которого осталась одна лишь улыбка – митохондриальный геном. Оппоненты этому не поверили – в первую очередь из-за недостатка доказательств, но в отличие, например, от Мишера, который практически не имел оснований для своей защиты, Маргулис и не думала сдаваться. Она продвигала свою теорию в лекциях и письменных трудах и восхищалась, наблюдая удивление аудитории. Однажды она начала беседу с вопроса: «Есть ли здесь профессионалы-биологи? К примеру, молекулярные биологи?» Затем посчитала поднятые руки и засмеялась: «Отлично. Вы сейчас будете негодовать».

И биологи негодовали при упоминании эндосимбиоза, и перебранки продолжались и продолжались, пока новые технологии сканирования в 1980-х годах не доказали, что митохондрии хранят свою ДНК не в длинных продолговатых хромосомах, как животные и растения, а в кольцах – как бактерии. Тридцать семь плотно упакованных в обруч генов участвовали в производстве белков (таких же, как у бактерий), и последовательность А-Ц-Г-Т выглядела удивительно похожей на аналогичную последовательность у бактерий. Работая над этим доказательством, ученые даже идентифицировали живущих родственников митохондрии, среди которых оказалась тифозная бактерия. Аналогичная работа установила, что хлоропласты – зеленоватые пятнышки, управляющие фотосинтезом внутри растительных клеток, также содержат петли ДНК. Как и в случае с митохондриями, Маргулис предположила, что хлоропласты зародились, когда большие бактерии заглотили фотосинтезирующую тину, а потом образовалось нечто вроде стокгольмского синдрома. Двух независимых случаев эндосимбиоза было уже слишком много, чтобы оппоненты отделались своими прошлыми объяснениями. Маргулис торжествовала: она оказалась права.

В дополнение к расшифровке митохондрий теория Маргулис помогла разгадать страшную тайну о жизни на Земле: почему после многообещающего начала эволюция была близка к исчезновению? Без толчка со стороны митохондрий примитивная жизнь могла бы так никогда и не развиться до высших форм, не говоря уже о появлении разумных людей.

Чтобы увидеть, насколько существенным было эволюционное торможение, стоит осознать, насколько легко Вселенная производит жизнь. Первые органические молекулы на Земле, возможно, появились спонтанно, у вулканических жерл на дне океана. Тепловая энергия может переплавить простые молекулы, богатые углеродом, в сложные аминокислоты и даже пузырьки, которые используются в качестве примитивных мембран. Кроме того, Земля, вероятно, импортировала органические вещества из космоса. Астрономы открыли изолированные аминокислоты, плавающие в пылевых облаках межзвездного пространства, а химики подсчитали, что ДНК-основания (к примеру, аденин) могут сформироваться и в космосе, так как аденин не содержит ничего, кроме пяти простых молекул HCN (да-да, цианида!), свернутых в двойное кольцо. Основания ДНК могли сохранить и состоящие изо льда кометы. По мере образования лед становится очень нетерпимым к посторонним примесям и сжимает все органические вещества внутри себя в концентрированные пузырьки. В этих пузырьках под давлением образовывается «кисель», внутри которого создание сложных молекул видится весьма вероятным. Ученые уже подозревают, что на заре существования нашей планеты ее океан подвергся бомбардировке комет, которые и посеяли в его воды «био-биты».

Из этого кипящего органического бульона в течение всего лишь миллиарда лет (если вдуматься, это довольно быстро) образовались автономные микроорганизмы со сложными мембранами и сменными движущимися частями. И вот от этого общего начала в кратчайшие сроки появилось много различных видов, которым требовались различные средства пропитания и которые изобретали мудреные способы выживания. Однако после этого чуда эволюция остановилась. На планете было много по-настоящему живых существ, но эти микробы практически не развивались в течение примерно миллиарда лет – а могли и вовсе не развиться.

Что же почти погубило их? Потребление энергии. Примитивные микроорганизмы тратят 2 % всей своей энергии на копирование и поддержание ДНК, но целых 75 % уходит на производство белков из ДНК. Так что даже если микроб развивает ДНК для того, чтобы сформировать выигрышную эволюционную черту (например, закрытое ядро, или «пузо» для переваривания других микробов, или аппарат для коммуникации с себе подобными), на практике производство новой черты очень сильно ослабляет организм. О добавлении сразу двух новых черт не может идти и речи. В подобных обстоятельствах эволюция бесполезна; клетки не могут стать более сложными. Достающаяся почти даром митохондриальная энергия расширила эти рамки. Митохондрия, как и, например, молния, накапливает столько энергии, сколько ей позволяет размер, а подвижность митохондрий позволяет их владельцам одновременно накапливать много новых свойств и развиваться до многоклеточных организмов. На самом деле митохондрии позволяют клеткам расширить свой запас ДНК в 200 тысяч раз, не только изобретать новые гены, но и в больших количествах добавлять регуляторную ДНК, делая клетки гораздо более податливыми для использования генов. Этого могло никогда не произойти с митохондриями, и мы могли бы никогда не пролить свет на эти темные времена в эволюции, если бы не теория Маргулис.

Митохондриальная ДНК позволила открыть совершенно новые отрасли науки – к примеру, генетическую археологию. Поскольку митохондрии могут воспроизводить самих себя, генов мтДНК в клетках более чем достаточно, гораздо больше, чем хромосомных генов. Поэтому когда ученые собираются покопаться в телах пещерных людей, мумиях или чем-то подобном, они часто извлекают и изучают именно митохондриальную ДНК. Специалисты могут использовать эту ДНК и для того, чтобы с беспрецедентной точностью проследить генеалогию. Сперматозоиды несут лишь немногим больше полезной информации, чем ядерная ДНК, поэтому дети получают все свои митохондрии из гораздо более просторных источников – материнских яйцеклеток. Митохондриальная ДНК таким образом передается по женской линии в практически неизменном виде от поколения к поколению, что делает ее идеальной для того, чтобы отследить родословную по матери. Более того, поскольку ученые знают, как медленно в митохондриях накапливаются изменения – одна мутация в 3500 лет – они могут использовать мтДНК в качестве часов. Для этого они сравнивают мтДНК двух людей, и чем больше мутаций находится, тем больше лет прошло с тех пор, как у этих двоих был общий предок по материнской линии. Фактически эти часы способны показать нам, что все семь миллиардов людей, живущих на Земле, могут проследить свои родословные по материнской линии к одной-единственной женщине, которая жила в Африке 170 тысяч лет назад, – так называемой митохондриальной Еве. Конечно, эта Ева никогда не была единственной женщиной на Земле. Она была самым старым предком по материнской линии каждого человека, который сейчас живет на нашей планете[28].

После того как митохондрии оказались столь важными для науки, Маргулис воспользовалась моментом, чтобы продвигать прочие неординарные идеи. Так, она начала доказывать, что микроорганизмы еще и подарили различные двигательные приспособления животным, например хвостики сперматозоидам, даже несмотря на то, что у этих структур никакого ДНК нет. Она перестала считать клетку всего лишь накопителем запчастей, а провозгласила грандиозную теорию, которая объявляла эндосимбиоз двигателем всей эволюции, оставляя естественному отбору и мутациям второстепенные роли. Согласно этой теории, мутации изменяют живые организмы лишь незначительно. Настоящие изменения происходят лишь тогда, когда гены скачут от вида к виду или когда целые геномы сливаются вместе, скрещивая совершенно различных существ. Только после подобных «горизонтальных» трансферов в ДНК начинается естественный отбор, который просто занимается «редактурой», препятствуя появлению уж совсем безнадежных монстров. А небезнадежные монстры, получившие выгоду от слияния, процветают.