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

В конце 1980-х годов Майр оставался одним из последних представителей поколения генетиков, палеонтологов и систематиков, создавших эволюционную биологию в середине XX века. Майр написал одну из классических книг того времени, “Животные, виды и эволюция”, – гигантский труд, который направлял исследования целого поколения ученых, изучавших формирование новых видов.

Каждую неделю я являлся с каким-нибудь вопросом и выпивал с великим человеком чашку чаю, пока он рассуждал об истории своей науки и давал живые описания идей и людей, участвовавших в ее становлении. Перед каждым визитом я прочесывал литературу, чтобы придумать Майру хорошую тему для воспоминаний. Переносясь с его историями во времени и в пространстве, я чувствовал себя невероятно счастливым, поскольку мне повезло в начале собственного пути в науке получить такой удивительный урок.

Однажды в четверг я пришел с книгой немецкого ученого Рихарда Гольдшмита “Материальные основы эволюции”, впервые опубликованной в 1940 году и переизданной в мягком переплете. Когда я показал ее Майру, его лицо покраснело, а глаза уставились на меня с ледяным блеском. Он встал, постоял неподвижно, не замечая моего присутствия на протяжении какого-то времени, показавшегося мне бесконечным. Я пересек какую-то невидимую черту и был практически уверен, что с чаепитиями по четвергам придется распрощаться.

Майр молча направился к старому деревянному шкафу с папками и быстро оглядел его содержимое. Он вернулся с пожелтевшим оттиском одной из статей Гольдшмита и кинул его на стол со словами: “Я написал мою книгу в ответ на ту чушь, которая написана в первом предложении одного абзаца в конце”. Услышав этот комментарий, я проштудировал статью, пока не добрался до страницы 96. Ошибиться было невозможно, здесь было больше злобных пометок, чем исходного текста.

Три с половиной десятилетия прошло между публикацией статьи Гольдшмита и яростью Майра. Как могло одно предложение или даже идея вызвать такие сильные переживания и стать причиной создания 811-страничной книги, которая положила начало целому направлению исследований?

Вопрос заключался в том, как изменения в генах могли приводить к новым изобретениям в истории жизни. Традиционная точка зрения гласила, что изобретения возникали со временем постепенно, благодаря небольшим генетическим изменениям на каждой стадии. Эта концепция поддерживалась таким количеством теоретических и экспериментальных работ, что фактически стала аксиомой. Британский статистик сэр Рональд Фишер вывел ее в математическом виде в 1920-х годах, когда пытался связать зарождавшуюся генетику с дарвиновской теорией эволюции. Отчасти логика рассуждений строилась так: если вы что-то меняете в системе случайным образом, значительные изменения скорее нанесут вред и приведут к катастрофе, чем незначительные.

Рассмотрим в качестве примера самолет. Любое случайное изменение, нарушающее нормы, практически наверняка приведет к созданию такого самолета, который не сможет летать. Случайные изменения формы корпуса, расположения, формы или модели двигателя или конфигурации крыльев с большой вероятностью создадут монстра, не способного подняться в воздух. Но небольшие поправки, такие как смена цвета сидений или минимальные изменения размеров, с меньшей вероятностью окажутся катастрофическими. Вообще говоря, они с большей вероятностью повысят эффективность системы, чем значительные изменения, пусть даже косвенным путем. Этот способ рассуждений доминировал в сфере эволюционной биологии на протяжении многих лет – сомневаться в нем было все равно как сомневаться в том, что яблоки падают с дерева под действием силы тяжести.

Гольдшмит, бежавший из нацистской Германии, устроился на работу в США и на протяжении десятилетий изучал мутантов. Переехав в Северную Америку, он внедрился в сферу генетики, не обращая внимания на установившийся status quo. Под впечатлением от мутантов с двумя головами или лишними сегментами тела, подобных тем, которых открыл Кэлвин Бриджес, он подумал, что значительные превращения могут происходить в одну стадию в результате одной значительной мутации. Суть этой идеи отразилась в одном из самых известных замечаний Гольдшмита, и именно оно вызвало такой гнев у Майра: “Первая птица вылупилась из яйца рептилии”. Не было никаких постепенных превращений; по мнению Гольдшмита, биологические революции происходили за один шаг при смене одного поколения.

Мутантов Гольдшмита стали называть “перспективными монстрами”. Монстрами – поскольку они очень сильно отличались от нормы, а перспективными – поскольку с них начинались целые революции в истории жизни. В отношении царства растений, где изменение числа хромосом за один шаг может привести к появлению нового вида, идея Гольдшмита не вызвала возражений. Однако в отношении царства животных дела обстояли иначе.

Идея Гольдшмита незамедлительно подверглась жесточайшим нападкам. Наибольшие сомнения возникали насчет вероятности выживания и репродукции перспективных монстров. Во-первых, мутант должен оказаться жизнеспособным и произвести жизнеспособное потомство. К тому времени было хорошо известно, что большинство мутантов, не говоря уже о мутантах со значительными изменениями, либо стерильны, либо умирают, не достигнув репродуктивного возраста. Но даже если мутант выжил и способен к размножению, его судьба все еще остается неопределенной. Он не может дать потомство, если оказался единственным подобным мутантом в популяции: ему нужен партнер с такой же мутацией. Чтобы перспективные монстры Гольдшмита могли за один шаг произвести революцию в истории жизни, необходима целая серия маловероятных событий: значительная мутация должна привести к появлению жизнеспособной взрослой особи; она должна произойти одновременно у особей и мужского, и женского пола; некоторые из этих особей должны найти друг друга, спариться и произвести потомство, которое, в свою очередь, тоже сможет воспроизводиться.

Когда я изучал биологию в 1970-х годах, Гольдшмит по-прежнему считался кем-то вроде парии или еретика, отважившегося опубликовать очевидно ошибочную информацию. Мало того что он такую информацию публиковал, он, по-видимому, радовался роли “белой вороны” и последние десятилетия научной деятельности занимался тем, что защищал перспективных монстров, часто осмеиваемый публикой.

Майр, Гольдшмит и их современники спорили по поводу одного из главных вопросов, касающихся разнообразия жизни: как происходят важнейшие эволюционные изменения. Идея перспективных монстров Гольдшмита казалась маловероятной, и вопрос оставался открытым. Постепенные изменения не вызывали разногласий; биологи уже давно знали, что небольшие постепенные генетические изменения могут приводить к массивным революционным преобразованиям за миллионы лет – за отрезки времени, измеряемые по геологической шкале. При анализе окаменелостей возникали более трудные загадки. Рассмотрим для примера появление скелета – одно из важнейших событий в истории нашего вида. Миллионы лет жили на Земле наши червеобразные предки с телами без костей. Кость имеет характерную структуру со строго организованными слоями клеток, производящих специфические белки и кристаллические образования, которые придают скелету прочность и регулируют направление роста костей. Появление скелета позволило нашим предкам увеличить размер и силу, чтобы разыскивать добычу, избегать хищников и перемещаться. Это изобретение стало возможным благодаря появлению нового типа клеток, способных производить белки, необходимые для формирования, питания и роста скелета. Но самые разные ткани, будь то ткани кожи, нервов или костей, состоят из клеток, производящих сотни различных белков. Нервные клетки отличаются от клеток скелета, поскольку синтезируют многие белки, которые обеспечивают возможность проводить нервные импульсы. Понятное дело, в скелете и производящих его клетках таких белков нет. Аналогичным образом хрящи, сухожилия и кости состоят из белков, которых нет в нервных клетках. И скелет – всего лишь один пример: за историю жизни животных длительностью около 600 миллионов лет возникли сотни новых тканей, обеспечивших новые способы питания, пищеварения, передвижения и репродукции.