Быть может, на земле нет человека, ходившего в школу, который бы не слыхал о Дарвине. Однако на вопрос, чем навеки прославился знаменитый английский натуралист, как ни странно, правильно отвечают немногие.

Одни утверждают: Дарвин-де доказал, что человек произошел от обезьяны. Но теория о происхождении человека от общего с обезьяной предка — лишь одно из многочисленных следствий, вытекающих из учения Дарвина (правда, оно касается нас больше, чем все прочие).

Через 8 лет после выхода в свет «Происхождения видов…» шотландский инженер Ф. Дженкин выдвинул против дарвинизма возражение, которое сам Дарвин счел весьма серьезным и под влиянием которого он в конце жизни существенно изменил свои взгляды.

Дженкин исходил из того, что возникшее случайно наследственное изменение, которое может быть поддержано отбором, — явление единичное. Вероятность встречи двух особей с одинаковыми изменениями чрезвычайно мала. Поэтому, если, например, один из родителей имеет признак n, то у его детей количественное выражение признака будет n/2, у внуков n/4 и т. д. В результате, новый признак исчезнет и не сможет быть использован отбором.

В шестидесятых годах 19 века в августинском монастыре города Брюнна тогдашней Австрийской империи (ныне город Брно) проживал странный монах Грегор (в миру — Иоганн) Мендель. Исполнением своих прямых монашеских обязанностей он явно тяготился, зато охотно преподавал в реальном училище, а в свободное время со страстью изучал природу во многих ее проявлениях. Он разводил пчел и выращивал растения в крохотном огороде (7×35 м) под окнами своей кельи, вел метеорологические наблюдения, переписывался со многими видными учеными Европы и живо интересовался последними новинками научной мысли, в том числе нашумевшей книгой некоего эсквайра Дарвина.

Генетические карты, построенные морганистами, выглядели на первый взгляд странно. Гены, определяющие развитие самых различных признаков, мирно уживались в хромосоме рядом, как бусинки на нитке. Могло сложиться впечатление (а у некоторых оно и сложилось), будто организм — не что иное, как мозаика признаков, каждый из которых независим от других и определяется одним геном.

Предтечей наступающей эры синтеза дарвинизма и менделевской генетики был датский исследователь В. Иоганнсен. Заслуги его перед генетикой огромны (кстати, он первый произнес слово «ген»). Как и Мендель, Иоганнсен не был ученым-профессионалом. В начале своей научной «карьеры» он был учеником аптекаря в датском городе Эльсиноре — городе Гамлета.

Иоганнсен изучал обыкновенную фасоль. Как правило, фасоль — строгий самоопылитель, поэтому от одной особи можно в больших количествах получить генетически однородное потомство — так называемую чистую линию. Иоганнсен вывел девятнадцать чистых линий фасоли, отличавшихся весом семян, и начал с ними экспериментировать.

Эта проблема весьма важна для эволюционной теории, но до конца еще не разработана. Почему, в силу каких особенностей одни гены доминантны, а другие рецессивны?

Пока ясно одно: доминантность — не абсолютное, а относительное свойство аллеля. Напомним, что само понятие «доминантный» («доминус» — господин) говорит о том, что доминантным ген может быть лишь по отношению к другому гену.

Вернемся более чем на 80 лет назад, когда И. В. Мичурин скрестил владимирскую вишню (дающую розовые плоды) с белоплодной черешней сорта Винклер белая. Гибридный сеянец дал белые плоды «с едва заметным розовым оттенком на световом бочку», — иными словами, белоплодность доминировала. Трудно сказать, как пошло бы дело дальше, оставайся гибрид на собственных корнях. Ведь и мы в детстве часто бываем светловолосыми, а потом нередко значительно темнеем. Маточное дерево гибрида, названного Красой Севера, замерзло в суровую зиму, но почки от него были привиты на обычную красную вишню. Результатом было появление розовоплодных гибридов. Заметьте, что это было все еще первое поколение гибридов, но в результате прививки розово- и белоплодность обменялись доминантностью. Так возник мичуринский метод ментора (Ментор — наставник сына Одиссея), основа которого заключалась в управлении доминантностью.

С первых лет прошлого века, в пору возникновения классической генетики, исследователей интересовали вопросы: насколько стабильны гены? Какими факторами можно их изменять и можно ли это делать направленно? Иными словами, речь шла о разгадке тайны изменчивости — второго фактора эволюции из указанных Дарвином.

Остановимся на крайней точке зрения, впервые высказанной еще А. Вейсманом и вслед за ним Дж. Лотси. Согласно этой концепции, изменчивость определяется в основном генетическими рекомбинациями — перетасовками весьма стабильных, практически неизменяемых наследственных задатков.

Итак, в настоящее время мутациями называют изменения свойств и признаков организма, вызванные изменением структуры генома — совокупности хромосом клетки. Эти изменения иногда можно наблюдать в клетке в оптический микроскоп. В первую очередь наблюдаются так называемые геномные мутации, при которых умножается набор хромосом, свойственный виду. Такое явление называют автополиплоидией.

Число хромосом, на которые разделяется генный материал ядра при делении клеток, весьма варьирует у разных видов — от 2 хромосом у лошадиной аскариды до 1260 у тропического папоротника ужовника из Индии. Есть данные, что у одноклеточных организмов — радиолярий число хромосом достигает 1600. Дальнейшее умножение генного материала приводит к потере митоза и возникновению амитоза — простого деления ядра без скрупулезно точного механизма расхождения хромосом.

Такие случаи были описаны. На юге Якутии, по опушкам хвойных лесов на протяжении более 300 км обнаружена популяция оригинального кустарника — рябинокизильника, возникшего в результате естественного скрещивания сибирской рябины с кизильником. Это уже, пожалуй, настоящий гибридный вид, захвативший немалую территорию и успешно отвоевывающий себе место под солнцем. Сходным путем в США возник гибридный вид из двух видов диких подсолнечников.

Менее заметны при цитологическом анализе, но довольно часто встречаются такие хромосомные перестройки, как инверсии и транслокации. В случае инверсии участок хромосомы перевертывается на 180°; такая перестройка затрагивает только одну хромосому. При транслокации происходит обмен участками между двумя негомологичными хромосомами (отличие от кроссинговера!).

Замечательный генетик Александр Сергеевич Серебровский еще в 1929 году расшифровал механизм возникновения инверсий и транслокаций — разрыв хромосомы с последующим воссоединением в другом месте. Если хромосома разорвется сразу в двух точках, оторванный участок может, перевернувшись на 180°, воссоединиться с остальным телом хромосомы. Разорванные концы хромосом, как оказалось, «слипаются» с высокой вероятностью (молекулярный механизм этого явления мы начинаем угадывать только сейчас).

А теперь поговорим о точковых, или генных, мутациях, изменяющих каким-то образом структуру одного гена. Они не видны в световой микроскоп (подавляющая часть их неразличима пока даже в электронном микроскопе). Однако они, пожалуй, играют важнейшую роль в эволюции, поставляя для нее львиную долю материала. Все рассмотренные нами до них крупные, революционные перестройки генома на деле оказываются «реакционными». Удвоение хромосомного набора, транслокация, довольно крупная инверсия — все они ограничивают скрещиваемость, ограждая изменившийся организм от других членов популяции «китайской стеной», практически во многих случаях непреодолимой (парадокс Каина!). Даже безобидная инверсия резко ограничивает рекомбинацию, запирая кроссинговер. Точковые мутации не препятствуют рекомбинации, поэтому они легко перераспределяются, тасуясь, как карты.

У читателя может сложиться впечатление, что если «запасы изменчивости», накопленные в генофондах и непрерывно пополняемые мутационным процессом, столь велики, то в принципе возможно получение организмов с любым набором признаков.

Однако это далеко не так. Цветоводы с незапамятных времен выводили розы с цветами самой невероятной окраски. Тем не менее, никто не видел синюю розу. Нормальный цвет глаз плодовой мушки — дрозофилы — красновато-коричневый, но генетики вывели мутантные линии с глазами белыми, киноварными, ярко-красными и бурыми. А вот дрозофилу с голубыми или зелеными глазами никто не смог получить — и вряд ли это вообще возможно. Есть признаки для того или иного вида как бы запретные.

В двадцатых годах 20 столетия в биологии сложилось странное положение. Уже два десятка лет стремительно развивалась новая наука — генетика. Два фактора эволюции по Дарвину — наследственность и изменчивость — изучались на строго научной основе. Умозрительные гипотезы сменялись точными экспериментами, интуитивные догадки — алгебраическими выкладками. И весь этот могучий поток мысли и деятельности протекал мимо той отрасли биологии, помочь которой он должен был в первую очередь — мимо теории эволюции. Более того, находились люди, которые обвиняли генетику в том, что она якобы не согласуется с дарвинизмом. С другой стороны, наиболее рьяные последователи и продолжатели Менделя полагали, что дарвинизм устарел.

Работа Четверикова имела предшественников. Еще в 1904 году К. Пирсон математически строго показал, что наследуемость мутаций по менделевскому принципу снимает опаснейшее для дарвинизма возражение Дженкина. В самом деле, ведь один ген не «разводится» другим. В гетерозиготном состоянии они сосуществуют, оставаясь раздельными. Мутация не «заболачивается», как писал Дженкин, скрещиванием, и новый признак всегда имеет шанс проявиться в фенотипе в неизмененном состоянии.

Через четыре года после работы Пирсона английский математик Г. Харди и независимо от него немецкий генетик В. Вейнберг сформулировали положение, которое сейчас именуется законом Харди — Вейнберга и описывает частоту встречаемости генов в равновесной популяции свободно скрещивающихся организмов. (Под равновесной популяцией подразумевается сообщество особей, внутри которого соотношение генов не изменяется, находится в равновесии.)

Из предыдущих глав вы уже знаете, что гены не абсолютно стабильны. Меняется по целому ряду причин структура отдельных генов, их местоположение в хромосомах, и сам хромосомный набор претерпевает всевозможные изменения — вплоть до многократного умножения. Судьба этих изменений оказывается различной.

Многие из них приводят к появлению нежизнеспособных форм, погибающих на той или иной стадии развития. Другие как бы воздвигают вокруг носителей таких мутаций «китайскую стену» нескрещиваемости. В большинстве случаев подобные отщепенцы сходят с жизненной арены, оставляя бесплодное потомство.

Наряду с мутационным процессом второй фактор эволюции по Четверикову — колебания численности популяций, которые он образно называл «волнами жизни».

Каждый из нас наблюдал «волны жизни» воочию. Ранней весной редко можно увидеть случайную перезимовавшую между оконными рамами муху, а в августе мы страдаем от их назойливости. Год на год не приходится — в одно лето нет житья от комаров, а в другое они редки. Вспышки численности некоторых видов имеют воистину планетарный характер. Таковы, например, массовые миграции саранчи в годы ее усиленного размножения, годы «мышиной напасти», путешествия многочисленных стад полярных пеструшек — леммингов.

Как вы помните, одним из условий харди-вейнберговского равновесия генов была панмиксия — одинаковая вероятность скрещивания для всех членов популяции. Поэтому следующим «возмутителем спокойствия» является, по Четверикову, изоляция — ограничение панмиксии, происходящее от самых различных причин.

Какие же это причины? Об одной из них мы уже упоминали — когда при спаде «волны жизни» прежде единая популяция распадается на ряд мелких субпопуляций, изолированных друг от друга пространством. Такие осколки называют изолятами. Они еще более четко разделены, если между ними возникают преграды физического характера. Человекообразные обезьяны, например, не умеют плавать, поэтому для стада горилл любой достаточно большой ручей является непреодолимым препятствием. В последнее время важность пространственной изоляции, видимо, даже переоценивают, но об этом речь у нас пойдет впереди.

Важнейший фактор эволюции — и здесь Четвериков целиком на стороне Дарвина — это естественный отбор. Все факторы, рассмотренные ранее, изменяют численность генов в популяции случайно, не направленно. Только отбор — процесс направленный. Именно он осуществляет обратную связь между условиями обитания и генофондом популяции, накладывает печать полезности на происходящие в популяции изменения.

Многие из тезисов Четверикова в наше время кажутся общеизвестными, тривиальными. Следует, однако, помнить, что он пришел к этим выводам в 1926 году. В ту пору уже были известны сотни мутаций дрозофилы — классического объекта тогдашней генетики, но все они были открыты при искусственном разведении в лабораториях и казались совершенно чуждыми природе, вроде декоративных пород собак — болонок и той-терьеров. Предположить, что нормальные, «дикие» мухи являются носителями этих генов в гетерозиготном состоянии было довольно смелым шагом. Естественно, Четвериков вместе со своими учениками — Б. Л. Астауровым, Н. В. Тимофеевым-Ресовским, С. М. Гершензоном, П. Ф. Рокицким, Д. Д. Ромашовым, Е. И. Балкашиной (все они впоследствии внесли огромный вклад в развитие разных отраслей генетики) — приступил к экспериментальной проверке гипотезы.

Мы уже упоминали о том, что относительная численность аллелей в популяции абсолютно точно описывалась бы уравнением Харди — Вейнберга, если бы численность самой популяции была бесконечной. Чем меньше популяция, тем больше отклонения, и если численность размножающихся особей в ней окажется ниже 500, начинаются любопытные явления. Описавшие их советские генетики Н. П. Дубинин и Д. Д. Ромашов назвали их генетико-автоматическими процессами. В том же 1932 году к сходным выводам за рубежом пришел С. Райт, который применил более короткий термин — дрейф генов. Название, как отмечал Э. Майр, не очень удачное. Под дрейфом мы привыкли понимать пассивное движение объекта в одну сторону, например, смещение заряженной частицы в электрическом поле. Здесь же картина больше напоминает броуново движение. Однако термин прижился главным образом из-за лаконичности, что немаловажно в наш суматошный век.

В 1924 году творец закона гомологической изменчивости Н. И. Вавилов во главе крохотной экспедиции, состоявшей, кроме него, всего из двух человек — Д. Д. Букинича и В. Н. Лебедева, изучал культурные растения Афганистана. Сотни и тысячи образцов пополняли коллекции; одно открытие следовало за другим.

Вот пшеничные поля, засоренные рожью. Рожь здесь сорняк, встречаются и формы совершенно дикие, с осыпающимися колосьями. Рожь-дикарь распространяется самосевом. Но уже в Афганистане возникли формы, сохраняющие зерно в колосе до обмолота. Эти-то зерна вместе с мягкой пшеницей и распространялись людьми все далее и далее к северу. Где-то в районе Украины и Северного Кавказа земледельцы были уже вынуждены сеять смесь из зерен озимой пшеницы и ржи — суржу. В холодные зимы пшеница вымерзала и только рожь — бывший сорняк — спасала от голода. А еще дальше, на полях средней полосы России, рожь стала основным зерновым; здесь и возникла пословица: «Ржаной хлебушко — калачу дедушка».

Задумывались ли вы, почему Дарвин назвал свой основной труд именно «Происхождение видов…», а не как-нибудь иначе, например, «Теория эволюции»? По всей вероятности, это объясняется тем, что великий английский натуралист понимал: проблема вида и становления одного вида из другого — стержневая проблема всей теории эволюции.

Ретроспективный взгляд на историю эволюционного учения позволяет прийти к любопытному выводу. Авторы многих ошибочных взглядов исходили из в общем-то правильных положений. Ошибка заключалась в том, что эти положения абсолютизировались, роль каких-либо факторов преувеличивалась.

Так, Вейсман был совершенно прав, когда говорил о высокой стабильности наследственных задатков и о большей роли генетических рекомбинаций в эволюции. Действительно, эволюция реже использует новые гены, чем перетасовывает старые. Но считать гены полностью неизменяемыми — это уже ошибка.

V Международный генетический конгресс, состоявшийся в 1927 году, — знаменательная веха в истории биологии. Кроме Четверикова, одним из героев его стал американский генетик Герман Меллер, впервые получивший точковые мутации у дрозофилы искусственным путем, при помощи рентгеновских лучей. До того генетики находились в положении физиков, изучавших радиоактивность, — они могли лишь наблюдать естественный мутагенез, как физики — самопроизвольный ядерный распад. Впрочем нет — отличие, и весьма существенное, имелось. В то время физики еще не могли ускорить радиоактивный распад. Самые высокие доступные тогда температуры были бессильны нарушить структуру атомных ядер.

В те «добомбовые» 20–30-е годы нашего столетия ядерные грибы еще не вздымались над поверхностью Земли, и почти единственными источниками жестких излучений были рентгеновские трубки и препараты радия. Первые опыты Н. В. Тимофеева-Ресовского и Д. Д. Ромашова не увенчались успехом, так как исследователи не имели достаточно чистых линий дрозофилы, и возникающие мутации не были видны на фоне генетических рекомбинаций, банальных перетасовок аллелей.

Изменить структуру гена пытались и химическим путем, воздействуя на клетки разными химикалиями. Этот метод имел свои преимущества: определив, какие вещества ускоряют мутагенез, мы можем с достаточной долей вероятности говорить не только о стабильности, но и о химическом составе гена. Однако успеха в этом направлении долго не удавалось добиться — слишком сильнодействующие химикалии убивали саму клетку, а иные мутагенез не ускоряли.

Быть может, все началось с эффекта трансформации. Американский бактериолог Ф. Гриффитс в 1928 году изучал пневмококки, вызывающие воспаление легких у мышей. В его распоряжении было два штамма. Кокки одного исправно убивали мышей; их клетки могли одеваться капсулами (S-штамм). Второй штамм — R болезни у хвостатых мучеников науки не вызывал и капсул не образовывал.

В 1868–1869 годах в знаменитой Тюбингенской лаборатории немецкого химика Э.-Ф. Гоппе-Зейлера стажировался молодой швейцарский ученый Иоганн Фридрих Мишер. Его особенно интересовало химическое строение клеточного ядра — уже тогда наиболее дальновидные умы понимали значение этой структуры для жизни клетки. Объектом его опытов был гной — материал малоприятный, но благодарный: ведь гной состоит из полуразрушенных белых кровяных телец — лейкоцитов, из которых уже сами «выделились» ядра. Получив ядра в более или менее чистом виде, Мишер выделил из них некое новое вещество.

Итак, гены оказались гигантскими, хорошо различимыми в электронный микроскоп нитевидными молекулами нуклеиновых кислот — ДНК и РНК. ДНК — генный материал подавляющего большинства организмов. В норме она двуцепочечна — это скрученная в спираль двойная нить, вернее, цепочка, структура которой поддерживается водородными связями, возникающими между смежными азотистыми основаниями нитей. При этом гуанин присоединяется к цитозину, а аденин к тимину. Г всегда столько же, сколько Ц, а А столько же, сколько Т. Из такой структуры автоматически вытекают правила Чаргаффа.