Что такое жизнь? Понять биологию за пять простых шагов

В 1981 г. в разгар холодной войны я отправился в паломничество в монастырь августинцев в Брно, чтобы увидеть места, где трудился Мендель. Это случилось задолго до того, как монастырь превратился в нынешнюю туристическую достопримечательность. Сад оказался на удивление большим и в те времена запущенным. Я мог без труда представить себе ряды за рядами посеянного Менделем гороха. Он изучал естественные науки в Венском университете, но диплома преподавателя не получил. Однако он не растерял всех знаний физики, полученных во время учебы. Мендель четко понимал, что ему необходимо большое количество данных: важные закономерности скорее смогут быть выявлены в больших выборках. В некоторых его опытах использовалось 10 000 горошин. Никто из его предшественников-селекционеров не прибегал к столь скрупулезному и широкомасштабному исследованию.

Чтобы упростить эксперимент, Мендель сосредоточился только на характеристиках с четко выраженными отличиями. В течение нескольких лет он тщательно записывал результаты проводимых скрещиваний и обнаружил закономерности, обойденные вниманием других ученых. Самым важным было то, что он увидел явные арифметические соотношения растений гороха, у которых имелись или отсутствовали определенные признаки типа окраски цветков или формы семян. Одной из самых главных находок Менделя было выражение таких соотношений в виде математических рядов. Это породило гипотезу о том, что пыльца из мужской особи и семяпочки в женских цветках гороха содержат «элементы», как он их назвал, которые связаны с разными признаками родительских растений. Соединение этих элементов путем оплодотворения влияет на набор характеристик следующего поколения растений. Но Мендель не знал, что собой представляют эти элементы или как они могут функционировать.

По любопытному совпадению другой знаменитый биолог, Чарльз Дарвин, примерно в то же время изучал результаты скрещивания другого растения – львиного зева. Он наблюдал схожие соотношения, но не пытался дать этому факту объяснение. Как бы то ни было, работу Менделя почти полностью проигнорировали его современники, и лишь через поколение она попала в поле зрения исследователей, когда на рубеже XVIII и XIX вв. независимо друг от друга биологи повторили результаты Менделя, продвинулись дальше и стали давать более четко сформулированные предсказания относительно того, как может работать наследственность. Это привело к учению менделизма, названного в честь монаха-первооткрывателя, и рождению генетики. С этого момента мир перевернулся.

Менделизм предполагает, что проявление наследуемых признаков зависит от наличия физических частиц, существующих в парном виде. Эти «частицы» были названы Менделем элементами, мы же теперь именуем их генами. Менделизм мало что мог сказать об их сути, но весьма четко описывал механизм наследования. И что самое существенное, постепенно выяснилось, что эти выводы относятся не только к гороху, но и ко всем видам, размножающимся половым путем, от дрожжей до человека, и ко всем организмам между ними. Каждый из ваших генов существует в виде пары; вы унаследовали по одному гену от каждого вашего биологического родителя. Они были переданы через сперматозоид и яйцеклетку, слившиеся в момент зачатия.

Наука в последней трети XIX в. не стояла на месте, хотя открытия Менделя оставались без внимания. В частности, ученым наконец удалось получить более четкое представление о клетках, участвующих в процессе деления. Когда была установлена связь между этими наблюдениями и унаследованными частицами, предлагавшимися теорией Менделя, в центре внимания оказалась та роль, которую играл ген.

Одной из начальных подсказок стало открытие микроскопических структур в клетках, похожих внешне на тонкие нити. Первым их обнаружил в 1870-е гг. немецкий военный врач, ставший клеточным биологом, по имени Вальтер Флемминг. С помощью лучших современных на тот период микроскопов он смог описать интригующее поведение данных микроскопических нитей. Флемминг увидел, что, когда клетка была готова к делению, нити расщеплялись пополам в продольном направлении и становились короче и толще. Затем, когда клетка делилась надвое, нити отделялись друг от друга, и одна половина оказывалась в каждой из вновь сформированных дочерних клеток.

То, что увидел, но не понял в то время Флемминг, было материальным воплощением генов, предполагаемых менделизмом передающихся по наследству частиц. То, что Флемминг назвал нитями, мы сегодня называем хромосомами. Хромосомы – это физические структуры, которые есть во всех клетках, содержащих гены.

Примерно в то же время еще одна крайне важная подсказка в отношении генов и хромосом возникла из совсем необычного источника: оплодотворенных яиц нематод, или паразитических круглых червей. В ходе тщательного исследования самых ранних стадий развития нематод бельгийский биолог Эдуард ван Бенеден увидел через микроскоп, что первая клетка вновь образованного зародыша содержит ровно четыре хромосомы – по две от женской и мужской половой клетки.