Гены, эгоизм и сила сотрудничества: Эволюция как командная игра - Джонатан Силвертаун

от реакции взаимодействия сероводорода, поставляемого источниками, с кислородом, растворенным в морской воде. Как и при фотосинтезе, произведенная химическая энергия запасается бактериями в АТФ и используется для синтеза органических соединений из углекислого газа. Подобно наземным растениям, серобактерии в гидротермальных источниках прямо или косвенно создают питательные вещества для всех остальных живых существ. Моллюски фильтруют бактерий из морской воды, креветки питаются детритом, а лишенные отверстий черви содержат симбиотические бактерии, которые удовлетворяют их потребности[367].

Экосистема, обнаруженная вокруг гидротермальных источников, выглядела как инопланетная, но все ее организмы имеют более знакомых нам родственников, обитающих на поверхности, – среди них, например, серобактерии из горячих источников Йеллоустона. Никакого «уршляйма» там не было. Первоначальный ажиотаж вокруг «черных курильщиков» как возможного места зарождения жизни уступил место интересу к другому типу гидротермальных источников, открытых на рубеже тысячелетий на склонах срединно-океанических хребтов. Эти источники – некоторые из них расположены на меньших глубинах – нагреваются за счет химических реакций в горных породах, когда те пропитываются морской водой, просачивающейся в трещины морского дна. Вода, выходящая из этих источников, сильнощелочная. Она образует губчатые минеральные отложения («белые курильщики»), которые, согласно теории щелочных источников (alkaline vent theory, AVT), могли быть химической колыбелью первой жизни на Земле.

В наши дни идет борьба между двумя лагерями, придерживающимися разных точек зрения на то, какой тип пребиотической среды следует рассматривать в качестве тигля, где строительные блоки жизни – аминокислоты, нуклеотиды и жирные кислоты – формировались и становились молекулярными кооператорами. Лагерь AVT отдает предпочтение глубоким подводным источникам, а лагерь РНК – мелководьям, подверженным интенсивному ультрафиолетовому излучению. С позиций РНК-мира, «идеи, будто жизнь зародилась в источниках, должны быть, подобно самим источникам, “погребены в пучине океана”»[368], если цитировать Шекспира[369].

Создатель AVT парировал: «приверженцы прудика» подобны хитроумному архитектору из воображаемой страны, посещенной Гулливером в его путешествиях, который предлагает строить дома с крыши, заканчивая фундаментом[370]. Звучит эффектно, но аналогия ложна. Выступающие с позиций РНК-мира начинают с крыши, чтобы разобрать дом и понять, как он был построен, а не пытаются его возвести. Однако истинная суть довода AVT в том, что, добравшись до основания – Земли, какой она была в древности, 4 миллиарда лет назад, – мы обнаружим лишь глубокий океан без суши, а значит, не могло быть и освещенного солнцем прудика. Но мы не можем быть уверены в полном отсутствии суши: возможно, хватило бы и крохотного клочка небольшого острова. В конечном счете этот вопрос будет так или иначе решен с помощью фактов. Пока же, подобно Гулливеру, мы должны двигаться дальше. Мы отмечаем, что, как бы это ни произошло, жизнь родилась в форме цепей, но то были биологические полимеры, состоящие из сотрудничающих друг с другом звеньев, а не оковы рабства. Нас же интересует, как вел себя далее полимер под названием ДНК.

14

Горох и справедливость

Для отца Грегора Менделя, монаха-августинца, горох, который он выращивал в монастырском саду в Брюнне, в Моравии, был не только предметом научных изысканий, но и источником развлечения. У него даже была любимая шутка – совершенно неожиданно и с самым серьезным видом заявить гостям: «А сейчас я покажу вам своих детей». Несомненно, Менделю доставляла удовольствие изумленная реакция посетителей на столь откровенное признание из уст священника. А если бы он захотел по-настоящему их шокировать, то назвал бы свой горох hybriden – словом, которое в немецком языке имеет также значение… ну, скажем так, «бастарды». Ведь его горох и впрямь был гибридным.

Сад Менделя пестрел сотнями гороховых растений. У одних цветки были белые, у других – фиолетовые. Одни растения были приземистыми, другие – высокими. Они карабкались по жердям и древесным ветвям, обвивали веревки, натянутые вдоль клумб. Некоторые цветки были заботливо укутаны в маленькие бумажные или ситцевые мешочки. Это были те самые цветки, которые Мендель использовал в своих опытах по скрещиванию. Он брал кисточку из верблюжьей шерсти, опылял цветок одного цвета пыльцой другого, а затем защищал эти цветки мешочками, чтобы назойливые насекомые не нарушили чистоту эксперимента. Из этих незамысловатых опытов и выросла наука генетика – правда, название свое она получила лишь спустя 40 лет после того, как Мендель опубликовал свои результаты, и через 16 лет после его смерти.

Опыты Менделя показали, что некоторые признаки, такие как окраска цветков у гороха, при гибридизации не смешиваются, а передаются будущим поколениям в неизменном виде. Если скрестить растения с фиолетовыми и белыми цветками, у потомства цветки будут не бледно-лиловыми, а исключительно фиолетовыми. Однако при дальнейшем скрещивании этих растений между собой потомство получится смешанным: три четверти цветков будут фиолетовыми, а четверть – белыми. Это пример дискретного, а не смешанного наследования. Результаты скрещивания во втором поколении показали, что признак «белые цветки» никуда не исчезал и при первом скрещивании – он просто затаился, чтобы проявиться вновь.

Эти «частицы наследственности» впоследствии стали известны как гены. Выяснилось, что именно они лежат в основе передачи почти всех наследуемых признаков, а не только менделевских. Признаки, которые кажутся смешанными у потомства внешне непохожих родителей (такие, как цвет человеческой кожи), на деле определяются множеством генов, каждый из которых вносит небольшой аддитивный вклад. Наше современное представление о том, как передаются гены, основано на открытиях Менделя, хотя терминология, включая само слово «ген», появилась позже. Каждый ген существует в нескольких альтернативных вариантах, называемых аллелями. Представьте, что ген – это вафельный рожок, в который можно положить один шарик мороженого любого доступного вкуса. Вкусы – это аллели: вы можете купить ванильный, шоколадный или клубничный шарик, но только один вкус на стаканчик, смешивать нельзя. Однако природа щедра – она дала нам по два рожка на каждый ген и разрешила класть во второй стаканчик мороженое с другим вкусом. Говоря современным языком, Мендель обнаружил вот что: когда каждый из родителей передает гены потомству, аллели (вкусы) будут представлены в следующем поколении пропорционально частоте их встречаемости у родителей.

Так, белоцветковый горох несет две белые аллели гена окраски цветка. В первом поколении у всех фиолетовоцветковых растений Менделя было по две фиолетовых аллели. При первом скрещивании гороха с фиолетовыми и белыми цветками частота двух аллелей у родительских растений составляла 50:50. Все потомство от этого получило по одной фиолетовой и одной белой аллели – снова половина на половину. Но, несмотря на наличие у всех потомков белой аллели, ни у кого из них не оказалось белых цветков. Дело в том, что для выработки фиолетового пигмента достаточно и одной фиолетовой аллели. Это значит, что фиолетовый признак – доминантный по отношению к белому: строго говоря, это аллель, не способная производить пигмент. При следующем скрещивании аллели вновь распределились в соответствии с их частотой у родителей. Чтобы цветок стал белым, растение должно получить две белые аллели. Вероятность этого составляет 1/2 × 1/2, то есть 1/4. Вот почему во втором поколении скрещиваний у Менделя лишь четверть всего гороха зацвела белым цветом.

Можете считать последние несколько абзацев сокращенной вводной лекцией по генетике. Но для наших с вами целей самый важный момент можно выразить еще короче, одной емкой фразой: доля аллели у потомства пропорциональна ее доле у родителей. А если совсем кратко, в двух словах, – это «генетическая справедливость», или первый закон Менделя. Суть в том, что менделевское наследование беспристрастно к различиям между аллелями, слепо к ним – как слепа Фемида. Оно не отдает предпочтения одной аллели перед другой. Позже мы увидим, что такая справедливость – краеугольный камень эволюции сотрудничества между генами. Но для начала нам предстоит еще немного покопаться в саду Менделя.

Когда Мендель изучал частоты наследования нескольких признаков сразу, он обнаружил, что и в этом случае действует то же статистическое правило: частота аллелей у родителей сохраняется у потомков. Так, подсчитав потомство от скрещивания по двум признакам – окраске цветка (фиолетовая/белая) и высоте растения (высокие/приземистые), – доля приземистых растений с белыми цветками в точности совпала с предсказанной на основе случайного сочетания частоты