Требуется сборка. Расшифровываем четыре миллиарда лет истории жизни – от древних окаменелостей до ДНК - Нил Шубин

Двое ученых использовали свою идею, чтобы сделать еще один шаг вперед и провести важный мысленный эксперимент. Не может ли быть, рассуждали они, что белки на протяжении долгого времени эволюционируют с какой-то постоянной скоростью? Если это так, то чем сильнее различаются белки двух видов организмов, тем больше времени эти два вида эволюционировали независимо, отделившись от общего предка. Если следовать этой логике, причина большего сходства между белками человека и обезьян по сравнению с белками лягушек заключается в том, что люди и обезьяны разошлись от общего предка намного позднее, чем они разошлись от общего предка с лягушками. И все это вполне соответствует данным палеонтологии: общий предок людей и обезьян среди приматов жил позднее, чем их общий предок с лягушками среди земноводных.

Если, как предположили Полинг и Цукеркандль, белки эволюционировали с постоянной скоростью, на основании различий в последовательности белков можно рассчитать время расхождения видов от общего предка (метод подробнее обсуждается на с. 260). Белки из организмов разных видов могут служить в качестве своеобразных часов для анализа эволюции: для определения времени в истории жизни не понадобятся ни камни, ни окаменелости. Эта идея, казавшаяся такой “вопиющей” в момент ее появления, теперь известна как идея “молекулярных часов” и часто используется для определения возраста разных видов.

Цукеркандль и Полинг предложили совершенно новый путь исследования истории жизни. Больше ста лет историю жизни расшифровывали путем сопоставления древнейших окаменелостей. Но теперь, зная структуру белков разных животных, Полинг и Цукеркандль могли анализировать эволюционные связи между видами. Это было золотое дно, поскольку в телах содержатся десятки тысяч белков. Белки разных видов организмов могут быть так же информативны, как окаменелости. Но эти “окаменелости” прячутся не в камнях – они содержатся в каждом органе, ткани и клетке каждого живущего на планете существа. Если знаешь, как смотреть, можешь открыть историю жизни в любом хорошем зоопарке или аквариуме. Теперь стало возможным узнавать историю любых существ, даже тех, чьи окаменелости пока оставались ненайденными.

Передающаяся из поколения в поколение ДНК содержит информацию для построения белков и, следовательно, всего тела. Живые существа и их тела появляются и исчезают, но молекулы обеспечивают непрерывную связь через века. Чем больше мы анализируем эту связь, тем больше узнаем о родстве между всеми живыми организмами.

Публикация статьи Цукеркандля и Полинга в юбилейном номере журнала в начале 1960-х годов положила начало новому направлению в изучении истории с помощью молекулярных методов. Но реакция научного сообщества на эту статью не позволяла предугадать ее значение в будущем. “Систематики ее ненавидели. Биохимики считали бесполезной”, – вспоминал Цукеркандль через 50 лет после выхода статьи. Систематики, палеонтологи и все, кто анализировал анатомические структуры, с неприязнью отнеслись к новой идее. Эти области исследований теряли монополию в изучении эволюционной истории. Цукеркандль и Полинг показали, что практически любая молекула тела живого существа может рассказать о событиях в прошлом. Палеонтологи предполагали, что статья угрожает их существованию, а биохимикам она казалась бессмысленной. По их мнению, эволюционные исследования были болотом: серьезные ученые изучали структуру белков, болезни и функции организма, а не родство между человеком и лягушкой.

Между химическими реакциями и научными идеями есть нечто общее: и для того и для другого обычно нужен катализатор. С подачи одного человека на идеях Цукеркандля и Полинга сформировалось целое сообщество ученых, по-новому взглянувших на изучение истории жизни.

В начале 1960-х годов талантливый математик из Новой Зеландии Аллан Вильсон (1934-1991) занялся биологией и пришел работать на биохимический факультет Калифорнийского университета в Беркли. Это было беспокойное время в университетских городках, а в Беркли особенно, и Вильсон стал одним из наиболее активных в политическом плане профессоров университета. Во всем, что он делал, ему нравилась идея разрушения – до такой степени, что для его студентов политические протесты были вариантом лабораторных семинаров.

Работой Вильсона до самой его безвременной кончины в возрасте 56 лет двигал один простой принцип. Он считал, что, если вы не можете разложить сложное явление на составные части, вы это явление не понимаете. Математический талант заставлял его искать простые правила в биологии, а затем придумывать надежные способы их проверки. Он страстно любил выдвигать смелые и предельно простые гипотезы для объяснения сложных событий в истории жизни. А затем пытался дискредитировать собственную гипотезу максимально возможным количеством способов. Если гипотеза выдерживала этот натиск, ее можно было открывать остальному миру. Благодаря такому подходу лаборатория Вильсона сделалась центром притяжения для некоторых самых ярких ученых в Беркли в 1970-х и 1980-х годах. Лаборатория служила интеллектуальным инкубатором для свободомыслящих и активных людей и привлекала талантливых молодых ученых со всего мира – многие из них впоследствии тоже стали научными светилами.

Я попал в Беркли в 1987 году, только-только защитив диссертацию по палеонтологии, когда Вильсон и его команда были на пике своих достижений. Мой мир строился на камнях и окаменелостях, а не на белках и ДНК. Сообщения Вильсона привлекали множество людей со всего университета, и линия фронта между анатомами и молекулярными биологами уже была определена и обрастала окопами. На одном из семинаров я сидел с группой палеонтологов, которые чувствовали себя все более и более неуютно по мере смены слайдов в докладе Вильсона. Ситуация максимально накалилась в тот момент, когда Вильсон представил простое уравнение с тремя переменными, которое, как он утверждал, описывает скорость эволюции разных видов. Увидев это, сосед толкнул меня локтем и саркастически спросил: “Выходит, в это уравнение вмещается вся палеонтология?”

По мнению Вильсона, эволюционная биология созрела для разрушительных изменений. Идея Цукеркандля и Полинга о белках как свидетелях исторического развития отлично вписывалась в его стиль работы: она была проста, и ее можно было проверить на новых данных. У животных много белков, сведения о структуре белков поступали все более регулярно, и если в этих данных был значимый исторический сигнал, Вильсону оставалось найти его и сделать на его основе все возможные выводы.

Вильсон метил высоко. Он хотел понять, насколько близко родство человека и других приматов. Если какой-то вопрос мог вызвать бурю, то именно этот. И поскольку палеонтологические доказательства, относящиеся к этой части эволюционного дерева, встречаются сравнительно редко, молекулярный подход мог оказаться особенно ценным.

Вильсон обладал какой-то необыкновенной способностью привлекать студентов, развивать их таланты и помогать раскрыться. После окончания обучения в одном из колледжей Среднего Запада Мэри-Клэр Кинг переехала на Запад, чтобы изучать статистику. Прибыв в Калифорнию в середине 1960-х годов, она потеряла интерес к математике и искала новую точку приложения своих интеллектуальных способностей. Курс генетики, который в Беркли читал один из заслуженных профессоров, вызвал у нее интерес к этой области исследований. Занявшись генетикой, она проработала в лаборатории год, но поняла, что не приспособлена для работы руками. Научная карьера выглядела не очень привлекательно, поэтому она на год оставила работу и вместе с Ральфом Нейдером[9] занялась вопросами прав потребителей. Нейдер пригласил ее в Вашингтон, что ускорило бы ее уход из аспирантуры. Кинг как раз обдумывала это предложение, когда начала участвовать в общественных протестах в Беркли. В то время протесты были повсюду, и участие в них дало ей возможность познакомиться с новыми людьми и выдающимися личностями. Одним из них был Аллан Вильсон.