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

Морган занялся наукой в такое время, когда многое из того, что теперь мы воспринимаем как должное, было совершенно неизвестно. Чешский монах Грегор Мендель выяснил, что признаки передаются из поколения в поколение, но механизм наследования оставался тайной. Люди научились разглядывать клетки, но никто не знал, что в наследовании какую-то роль играют хромосомы, не говоря уже о существовании ДНК.

В научном подходе Моргана отразился важнейший поворот в восприятии жизни, который ныне направляет практически все биомедицинские исследования: на основные механизмы биологии человека могут пролить свет разные существа – от червей до морских звезд. В работах Моргана подразумевалось, что все существа на планете связаны между собой на самом глубинном уровне.

После нескольких лет экспериментов по регенерации и их описания в вышедшей в 1901 году авторитетной книге “Регенерация” Морган осознал, что для продвижения вперед ему не хватает инструментов. И он занялся поиском новой темы для исследований. В центре всего, от регенерации до анатомии, находится наследование – передача информации от предыдущего поколения следующему. Механизмы, движущие наследованием, могли бы стать ключом к раскрытию многих тайн биологии. Морган был убежден, что для прорыва в генетике нужно существо, которое быстро растет и размножается, имеет небольшой размер и может достигать значительной численности в лабораторных условиях. Идеально было бы найти такой организм, хромосомы которого (уже предполагалось, но еще не было доказано, что в хромосомах содержится генетический материал) были бы видны под микроскопом. Список кандидатов был достаточно длинен, но в нем не было одного существа, которое как раз больше всего хотелось изучать, – человека.

В это же время незнакомый тогда Моргану специалист по систематике насекомых задался аналогичной целью, но продвигался к ней с противоположной стороны. Делом жизни Чарльза У. Вудворта (1865-1940) из Калифорнийского университета в Беркли было изучение скрытых деталей анатомического строения насекомых, а также классификация мух и других насекомых. Благодаря этим исследованиям он стал экспертом по биологии мух и предлагал использовать в качестве экспериментальной модели один конкретный вид, фруктовую муху Drosophila melanogaster. Где-то в начале 1900-х годов (точная дата неизвестна) он встретился с биологом из Гарварда Уильямом Э. Каслом (1867-1962) и предложил ему попробовать провести несколько экспериментов на дрозофилах.

Касл, подобно Бейтсону, интересовался механизмами наследования и вариаций. В то время он работал с морскими свинками, желая понять, как параметры тела и окраска передаются из поколения в поколение. Но морские свинки его не удовлетворяли, поскольку самки приносили не более восьми детенышей и беременность у них длилась два месяца. Чтобы анализировать наследование признаков, Каслу приходилось месяцами ждать появления нескольких поколений. Предложение Вудворта поработать с дрозофилами казалось привлекательным; в среднем фруктовые мухи живут от 40 до 50 дней, и за это время самка способна произвести тысячи эмбрионов. Касл понимал, что с мухами за месяц он сможет провести больше экспериментов по наследованию, чем с морскими свинками за несколько лет.

Касл переключился на работу с дрозофилами и разработал методы их разведения и выращивания. В 1903 году он опубликовал статью по результатам экспериментов с мухами, которая оказалась менее значимой в научном плане, чем в плане воздействия на научное сообщество. Другие ученые, включая Моргана, увидели всю прелесть и мощь экспериментов с мухами.

В дрозофилах трудно узнать подходящих кандидатов для совершения революционных открытий. Эти существа длиной три миллиметра живут на гниющих фруктах. Мы часто видим их вблизи помоек; они не кусаются, но досаждают тем, что вьются вокруг. Однако именно то, что делает их неприятными для нас, делает их ценными для науки.

Работа Моргана следовала традиции работы с монстрами, иными словами, заключалась в поиске и изучении мутантов. Мутанты – ключ к пониманию нормального функционирования генов. Мутант без глаз свидетельствует о дефекте одного или нескольких генов, контролирующих формирование глаз. И в этом смысле мутанты – идеальный объект для идентификации генов, задействованных в развитии разных органов. Поскольку мутанты встречаются редко, Моргану нужно было скрещивать тысячи дрозофил для выявления единственного мутанта. Он и его группа разводили сотни колоний размножающихся мух и разглядывали под микроскопом каждое насекомое в поисках каких-либо аномалий.

Гены – это участки ДНК, свернутой и плотно упакованной в виде хромосом, которые находятся в клеточном ядре. Обратите внимание на поперечные полосы на хромосомах (бэндинг хромосом)

Большинство людей об этом не знают, но под микроскопом тело дрозофилы выглядит невероятно сложным. При среднем увеличении на сегментах тела проявляется целый мир щетинок, иголочек и выростов. Группа Моргана изучила все эти детали, так что любое, даже самое маленькое изменение становилось для них предметом анализа в поисках новых мутантных форм. Исследователи проводили долгие часы, склонившись над микроскопами и выискивая мух с любыми необычными признаками: с другой формой крыльев, иным расположением полос или измененными конечностями.

Хромосомы комара Chieronomus prope pulcher с белыми и черными полосами

Теперь известно, что гены представляют собой участки ДНК, плотно упакованной в виде хромосом. Хромосомы располагаются в клеточном ядре, и при определенных условиях их можно разглядеть с помощью микроскопа. Морган ничего не знал о ДНК, но мог видеть хромосомы. Они стали его окном в мир генов.

Морган придумал хитроумный способ связывать анатомию мутантов с их генетическим содержимым. Его группа обнаружила, что в слюнных железах дрозофил содержатся гигантские хромосомы. Если извлечь эти хромосомы и обработать их красным красителем, выделенным из лишайника, на хромосомах проявляется череда белых и черных полос – одни узкие, другие широкие. Морган зарисовывал расположение белых и черных полос у нормальных мух и у мутантов. Сравнивая расположение полос, он мог видеть, в каком участке хромосомы имелись различия и где, соответственно, находилось генетическое изменение, ответственное за мутацию.

Дрозофилы питались гниющими бананами, так что в лаборатории Моргана пахло как на помойке – а ведь сотрудникам приходилось часами сидеть за микроскопом. При таких условиях работать в группе Моргана могли только особенные люди, которые, несмотря ни на что, умудрялись сконцентрировать внимание на телах дрозофил, мутантах и полосах на хромосомах. На кону стоял один из главных вопросов о жизни: как информация передается из поколения в поколение?