Происхождение эволюции. Идея естественного отбора до и после Дарвина

Важнейшие исследования провели французы Жак Моно (1910–1976) и Франсуа Жакоб (1920–2013), работавшие с бактерией E. сoli (кишечной палочкой). Изучая мутировавшие штаммы этих бактерий, в начале 1960-х гг. они открыли ту же модель поведения контролирующих элементов, которую Макклинток обнаружила десятью годами ранее в хромосомах кукурузы. Когда в 1961 г. они опубликовали свои результаты в Journal of Molecular Biology, в статье не упоминалась работа Макклинток, потому что они о ней попросту не знали; но вскоре им указали на это упущение, и по мере того, как исследования контролирующих элементов начали набирать обороты, в том числе благодаря растущему пониманию роли ДНК и РНК, важность открытий Макклинток постепенно была признана. Тем не менее Нобелевскую премию она получила только в 1983 г. в возрасте 81 года, через 18 лет после того, как Моно и Жакоб разделили эту почетную награду с Андре Львовым (1902–1994), еще одним французским микробиологом, проведшим передовые исследования бактериофагов. Понимание того, как фрагменты ДНК могут быть скопированы с одной хромосомы и вставлены в другую, открыло путь для развития генной инженерии, когда собственные механизмы клетки использовались для замены дефектных генов у людей, страдающих определенными заболеваниями, и выведения улучшенных сельскохозяйственных культур.

К началу 1980-х гг. выяснилось, что геномы сложных организмов, вроде нас с вами или дуба, не неизменны, а пребывают в состоянии динамического изменения. В хронологическом масштабе эволюции перестановки генов в хромосомах происходят очень часто, и это является одной из движущих сил эволюции, порождающих то самое разнообразие, на которое воздействует естественный отбор. Все это привело к двум новым открытиям о природе эволюции, которые никоим образом не умаляют и не компрометируют достижения Дарвина и Уоллеса. Естественный отбор работает именно так, как они это описали. Но ни Дарвин, ни Уоллес (ни кто-либо еще в XIX в.) не знали, как именно возникает то разнообразие, на которое воздействует естественный отбор, и эти новые открытия — им посвящены самые современные передовые исследования — были сделаны именно благодаря этому знанию.

В 1981 г. Алек Джеффрис (р. 1950), который позднее прославился как создатель криминалистического метода ДНК-дактилоскопии, потряс своим новым открытием участников семинара в Королевском колледже в Кембридже. К тому времени уже было ясно, что вирусы могут действовать в качестве случайных переносчиков генетической информации. Когда фаг инфицирует бактерию, он задействует клеточные механизмы последней для создания своих копий. В ходе этого процесса фрагмент ДНК бактерии легко может по ошибке скопироваться в «новые» вирусы. Когда эти вирусы захватывают другие клетки, любая пережившая инфекцию клетка может сохранить этот фрагмент ДНК. В подавляющем большинстве случаев такой генетический материал игнорируется. Кроме того, передача фрагмента ДНК между бактериями одного и того же вида не приводит к каким-то значительным изменениям. Но давайте предположим, что скопированная ДНК может передаваться от одного вида другому и задействуется клетками второго вида. Именно об этом Джеффрис рассказал своим коллегам в Кембридже.

Он обратил их внимание на белок леггемоглобин, который содержится в клубеньках бобовых и используется для поглощения и фиксации азота. Это очень важный для жизни на Земле процесс, так как благодаря ему синтезируется аммиак (NH₃), необходимый для производства аминокислот, белков и нуклеиновых кислот. Нужные нам азотосодержащие соединения мы получаем только с пищей; мы не способны производить их сами. Сам процесс связывания азота (азотфиксация) происходит в бактериях, но у бобовых эти бактерии живут в симбиозе с клетками растения. Джеффрис отметил, что, в соответствии с названием, ген, который кодирует леггемоглобин, очень похож на ген, который кодирует гемоглобин — белок, задействованный в транспортировке кислорода в крови животных. Он предположил, что очень давно ген предковой формы животного был перенесен вирусом в предковую форму растения — такой процесс называется «горизонтальный перенос генов» — и этот ген при помощи естественного отбора приспособился к новой роли. Идея горизонтального переноса генов перекликается с работой Гриффита об обмене генетической информацией между пневмококками, и на сегодняшний момент точно установлено, что этот процесс является важным механизмом в эволюции простых организмов. Он оказался решающим фактором при распространении устойчивости к антибиотикам среди бактерий. Но таким способом не может происходить передача функциональных генов, например, от дуба или слона к человеку (или наоборот), потому что наши организмы слишком сложны. Каким бы интригующим ни казалось это открытие, для нас, людей, оно второстепенно. Но вот второе относительно недавнее открытие о природе эволюции непосредственно касается каждого из нас и заодно доводит рассказ о понимании эволюции прямо до сегодняшнего дня.