Три миллиона лет до нашей эры

6.1. На приеме у академика

6.2. Таинственный монах

6.3. В кабинете академика

6.4. Пляшущие тельца

6.5. Мутации

6.1. На приеме у академика

В 1969 г. я сидел в приемной академика Н. П. Дубинина в Институте общей генетики Академии наук СССР и волновался.

В самом деле, не сбежать ли мне отсюда? Зачем я здесь? Не посмеются ли надо мной? А может быть, просто не захотят выслушать?

Ведь я — археолог. У меня историческое образование, а здесь Институт генетики. И пришел я к главному генетику страны, академику, всемирно признанному ученому, основателю первых двух институтов генетики в СССР, первому из советских ученых, избранному членом Академии наук США.

Обратиться к генетике решил я вскоре после того, как узнал о находках Лики в Олдувае. Меня не оставляла мысль о том, что ключ к решению загадок Африки — там. Без генетики ответить на вопрос, почему примитивный зиндж жил позднее более развитого человека умелого, нельзя. Нужны новые подходы. Об этом мы много спорили с моим учителем и коллегой — археологом и антропологом М. М. Герасимовым. В те годы о генетике шли большие дискуссии. Только что вышла в свет (1963) работа Н. П. Дубинина «Молекулярная генетика...», а немного позднее (1966) — его же «Эволюция популяций...». Эти книги я читал и перечитывал. Конечно, не все сразу в них мне стало понятным. Пришлось всерьез заняться биологией. Около пяти лет я не выходил из Ленинской библиотеки, я штудировал генетику. И вот теперь как будто бы ключ найден.

Свои соображения я принес на суд к самому Николаю Петровичу Дубинину.

Конечно, надежды мало. Профессионалы никогда не любили любителей. Сколько тому примеров в истории науки!

Я оглядел приемную. Посетителей было много. У всех свои дела, свои заботы. Большинство их знакомы друг с другом. Я один сидел на отшибе. Чужак. На меня посматривали с удивлением.

Я стал вспоминать все то, что прочитал об истории генетики, этой одной из самых перспективных областей современной биологии.

Генетика стала зарождаться в то же время, что и археология, в середине прошлого века. Ее путь тоже не был безоблачным и прямым. Генетикам пришлось многое пережить. Хотя против нее церковь не выступала, как против археологии. Более того, первые шаги она сделала в церкви. Основной закон генетики был открыт в прошлом веке монахом Грегором Менделем из Чехословакии.

6.2. Таинственный монах

Грегор Мендель родился в Чехословакии, когда та была частью Австро-Венгерской монархии, и город Брно, в котором прошла вся жизнь Менделя, называли Брюнном. (Сейчас в Брно поставлен памятник великому сыну чешского народа Грегору Менделю.)

Грегор родился в 1822 г. Сохранилась автобиография, где он пишет: «Отец был владельцем небольшого крестьянского надела. После получения начального образования в тамошней деревенской школе и позже, после окончания коллегии пиаристов в Лейпнике, был принят в 1834 г. в троппаускую... гимназию... Четырьмя годами спустя родители... были полностью лишены возможности возмещать необходимые расходы, связанные с учебой, и... будучи тогда лишь 16 лет от роду, я... был принужден совершенно самостоятельно заботиться о собственном содержании...»

Причина, по которой Мендель вынужден был пойти в монахи, ясна. Католическая церковь давала возможность своим прислужникам учиться. Попытка самого Менделя пристроиться учителем после окончания гимназии не удалась. Он долго обивал пороги домов, пытаясь наняться домашним учителем, но заработка было мало. Репетиторство не давало возможности ему ни зарабатывать достаточно на хлеб, ни тем более учиться дальше. И он идет в монахи. Он так об этом пишет в своей церковной биографии:

«Когда я окончил гимназию в 1840 г., моей первой задачей было обеспечить себе необходимые средства для продолжения своей учебы... Путем напряжения всех сил удалось закончить оба годичных курса философии. Но я понял, что не смогу далее выдерживать подобное напряжение, и увидел, что по завершении курса философского обучения мне придется изыскивать для себя положение, которое освободило бы от мучительных забот о хлебе насущном.

Эти обстоятельства предопределили избрание рода занятий. В 1843 г. я испросил согласие, получил его и был принят в августинский монастырь святого Томаша в Альтбрюнне».

Итак, нужда заставила Грегора Менделя идти в монастырь. Но он не бросал там науку ни на один день. За добросовестное исполнение своих обязанностей его повышали по службе, и, наконец, он стал главой монастыря — его настоятелем. Кроме того, он преподавал физику, биологию, а главное, каждую свободную минуту отдавал науке. Он постоянно проводил опыты, которые нанесли самый сокрушительный удар религии, так как они открыли один из основных законов генетики — закон передачи наследственных свойств. Любопытно, что это величайшее открытие было сделано в монастыре. Опыты он проводил в небольшом палисаднике под окнами монастырской трапезной. Длина палисадника была 35 м, ширина всего 7 м. И вот на таком крохотном клочке был открыт основной закон передачи наследственных свойств. Иными словами, были заложены основы современной генетики.

Тогда все считали, что если за растением или животным как-то ухаживать, у него изменятся свойства, это передастся по наследству и появится новый вид. Иными словами, думали, что внешние условия могут изменить наследственность. Такое мнение совсем недавно господствовало и среди наших ученых. Еще недавно многие верили, что благоприобретенное передается по наследству. Скажем, если отец с матерью стали спортсменами и натренировали огромные мышцы, то и их дети сразу родятся сверхсильными. Верил в это и Дарвин.

Мендель и решил выяснить: а как же в природе? Он был один из наиболее активных сотрудников Брюннского общества естествоиспытателей. Тогда такие общества создавались везде. И в России тоже, например в Екатеринбурге (ныне Свердловск) — Уральское общество любителей естествоиспытания. Одно из них работает до сих пор — Московское общество испытателей природы, сокращенно МОИП. Эти общества внесли большой вклад в науку.

Секретарь Брюннского общества естествоиспытателей рассказывал о Менделе:

«Он доставлял из дальних и ближних окрестностей Брюнна растения, которые особенно интересовали его из-за атипичности, и приносил домой, чтобы культивировать в специально для него отведенной части монастырского сада при различных внешних условиях. Обычно он охотно водил друзей в сад, и там обсуждались результаты работ и изменения, связанные с различными условиями выращивания.

...Случайно это было или не случайно, но, как правило, в итоге приходилось констатировать, что бросающихся в глаза изменений не было.

...Полушутя он замечал по этому поводу: „Мне уже ясно, что этим путем природа не будет способствовать дальнейшему видообразованию. Для этого нужно нечто большее“».

Что именно — он и хотел выяснить своими опытами.

Весь ученый мир считал тогда, что под влиянием условий культивирования у растений и животных могут появляться новые, передающиеся по наследству признаки.

Мендель первым стал проверять: а так ли это? И выяснил, что не так. Благоприобретенные признаки не передаются по наследству. Законы наследования совсем другие.

Когда появилась работа Дарвина «О происхождении видов», Мендель внимательно прочитал ее и сказал: «Это еще не все, еще чего-то не хватает!»

Дарвин тоже знал, что в его теории «чего-то» не хватает.

По Дарвину, вид изменится тогда, когда накопится много случайных изменений, передаваемых по наследству. В жизни изменения появляются не у всех растений или животных, а у некоторых. И они не накапливаются, а разбавляются. Ибо каждое скрещивание ведет к тому, что новый признак разделяется между потомками.

Мендель стал высаживать горох на своем участке и опылял каждый цветочек руками (10 тыс. растений!). Он брал растения с различным цветом зерен, различные по форме горошин, цвету, длине стебля, окраске бутонов и смешивал их, наблюдал, как, в каком поколении и в какой пропорции проявляются эти свойства. Для наблюдения Мендель взял у гороха семь признаков. Скрещивая растения между собой, он все время подсчитывал, с какой частотой передаются те или иные признаки по наследству.

Восемь цветений Мендель аккуратно обрывал пылинки с каждого растения и маленьким пинцетом наносил на каждый цветочек пыльцу с другого отобранного им растения. Каждое растение у него имело свой паспорт, все опыления тщательно записывались: от какого цветка на какое растение перенесена пыльца и когда и что из этого вышло у потомков в первом, втором, третьем и так вплоть до восьмого поколения. Он увидел, что одни выделенные признаки преобладают у потомков, а другие проявляются реже. Первые он назвал доминантными, т. е. господствующими, и обозначил их заглавными буквами латинского алфавита — А, В, С, D. Другие назвал рецессивными (скрытными) и обозначил их строчными буквами — а, b, с, d. Так делают генетики и сегодня.

Наблюдения эти привели к открытию Менделем закона передачи наследственности, который он записал так:

«В этом поколении наряду с доминирующими признаками вновь появляются также рецессивные со всеми их особенностями и притом в ясно выраженном среднем отношении 3:1».

По этому закону, наследственные признаки родителей передаются потомкам в соотношении 3:1 вне зависимости от внешних условий. Причем он сделал правильный вывод о том, что этот закон действителен для всего живого. «Единство плана развития органической жизни стоит вне сомнения», — писал он.

Наука подтвердила выводы Менделя. Конечно, не сразу. Много лет шла драматическая борьба за генетику. Но она победила. Правда, победа пришла только в 50-е гг. нашего века. Расчеты Менделя проверяли на ЭВМ, и они оказались точными.

Еще в 1865 г. Мендель доложил результаты своих опытов на заседании Брюннского общества естествоиспытателей. И его доклад был опубликован. Работа Менделя была разослана в 120 библиотек университетов крупнейших городов мира. Но прочитана она была только в трех местах, в том числе в Петербурге — русским ученым И. Ф. Шмальгаузеном. Ученые мира не заметили ее. Не обратил на нее внимания и Дарвин, хотя ему ее особенно недоставало.

Через 35 лет открытие Менделя повторили сразу трое ученых в разных странах. И вот тогда пришла слава, но Грегора Менделя уже не было...

6.3. В кабинете академика

Секретарь академика Дубинина пробудила меня от воспоминаний о Менделе, пригласив войти.

В кабинете Николая Петровича было очень просто. На стене висел всего один портрет советского генетика Николая Ивановича Вавилова. Столы были завалены книгами и рукописями.

Академик пригласил меня сесть и протянул руку за бумагой, которую я держал в руке. Усталым тоном он спросил:

— Ну, что у вас?

Машинально я протянул ему рукопись своей статьи. Дубинин взял ее и стал читать. Через несколько минут он с интересом взглянул на меня, но ничего не сказал. Статья моя была очень краткой. В ней я в тезисной форме высказывал свои мысли о новых археологических находках в Африке и о том, что генетика может дать к ним ключи. (В 1970 г. эта статья была опубликована в Трудах Всесоюзного совещания «Космос и эволюция организмов».)

Дубинин читал внимательно, долго. Затем, оторвавшись от рукописи, задумчиво посмотрел на меня и сказал:

— Скажите, все это вы сами придумали?

— Да, я сам.

Академик еще раз задумчиво посмотрел на меня, потом встал с кресла, подошел ко мне и, подав мне руку, сказал:

— Поздравляю, это ново и интересно.

Сколько бы я не жил, я никогда не забуду этой минуты. Я никак не рассчитывал на столь благожелательное отношение великого генетика к аутсайдеру в ней — археологу. Профессионалы не любят любителей.

В чем же была суть моих предложений?

Прежде чем говорить о них, продолжим беседу о законах генетики, о законах нашей наследственности, которые начал изучать великий Мендель.

6.4. Пляшущие тельца

Все живое состоит из клеток. Внутри каждой клетки есть ядро. Внутри его — крошечные тельца, которые названы хромосомами. Мендель не знал о них. Он лишь предполагал, что наследственные задатки где-то хранятся внутри клеток. Иначе почему признак, которого несколько поколений не было, вдруг у потомков появляется. Скажем, «родительские» цветы — один был красный, другой — белый. «Дети» — белые. А у «внуков» вдруг опять появляются красные цветы. Значит, красный цвет был где-то «спрятан». Это было открыто Менделем. А вот где именно спрятан, точно узнали лишь в 50-е гг.

Оказалось, что у каждого организма свои хромосомы. У шимпанзе и человека они сходны. Однако количество их разное. У человека — 46, а у человекообразных — 48. Вот в этих-то хромосомах и спрятана вся информация о наследственных свойствах всех предков того или иного организма.

Каждый человек, как известно, вырастает из одной зародышевой клетки, которая путем постепенного деления в конце концов превращается в сложный биологический организм. Большим достижением генетиков было открытие митоза, т. е. механизма деления клеток.

Наблюдения за ядром живой клетки в процессе деления выявили сложные преобразования его строения. Вначале ядро становится зернистым, теряет свои границы и как бы растворяется в клетке. Его место занимают движущиеся, точно танцующие палочковидные тельца, названные хромосомами за их способность интенсивно окрашиваться на срезах клеток (от греческих слов «хрома» — окраска и «сомо» — тело). В какой-то момент все хромосомы одновременно, будто по команде (за 2—6 минут у человека), выстраиваются в ряд по экватору клетки. Затем (в следующие 3—15 минут) каждая «палочка» расщепляется продольно и строго пополам, и вновь образованные хромосомы расходятся к противоположным полюсам клетки: вокруг каждой (за 30—60 минут) из этих групп появляются оболочки. В клетке появляются два центра и между ними нить — веретено деления (у человека это занимает 30—60 минут). Вслед за делением ядра делится на две части и тело клетки — цитоплазма. Так образуются две дочерние клетки.

Теперь широко известно, что хромосомы всех организмов — растений, животных и человека — представляют собой хранилища наследственной информации. Стал понятным и глубокий смысл расщепления хромосом в процессе деления клетки: этот механизм необходим для равномерного распределения важнейшей жизненной информации между двумя дочерними клетками. Выяснилось, что совсем не случайно хромосомы делятся продольно: по их длине в определенной и неизменной последовательности расположены гены — структуры, определяющие, чем этой клетке быть. Станет ли оплодотворенное яйцо лягушкой или цыпленком? На этот вопрос отвечают гены. И они же определяют, какие клетки развивающегося яйца станут перьями цыпленка, какие — его ногами, а какие — кокетливым красным гребешком.

В 1953 г. ученым удалось выяснить, что гены образованы молекулами дезоксирибонуклеиновой кислоты, сокращенно ДНК. Этот биологический полимер состоит из цепочек нуклеотидов. Из поколения в поколение передается молекулярная программа синтеза белка, и чем сложнее эта программа, тем длиннее нить ДНК. Сейчас доказано, что у каждого вида организмов свое число ДНК на каждую клетку: оно повышается от вирусов к позвоночным. При этом за появление каждого конкретного признака ответствен определенный ген или несколько генов, которые являются частью ДНК, как отдельное слово на ленте телеграммы. Гены отличаются друг от друга последовательностью четырех нуклеотидов. В каждой ДНК одной клетки человека насчитывается примерно 3 млрд. нуклеотидов. Причем вся колоссальная информация умещается на «телетайпной ленте» длиной в 2—4 м — именно такова длина нити ДНК в одном ядре. Чтобы уместиться в ничтожно малый объем ядра, ДНК многократно скручивается, складывается. Все это в каждой клетке. А клеток в одном нашем мозге — 11 триллионов.

Как же читается записанная в ДНК программа жизни?

Жизнь — это деятельность клеток. Это многочисленные химические реакции в клетке, каждая из которых протекает под действием своего фермента (биологического катализатора белковой природы). Известно, что белки составляются в цитоплазме клетки, — в жидкости, которая окружает ядро. Задания, как строить белок, доставляются из ДНК с помощью молекул особой информационной, или матричной, рибонуклеиновой кислоты — мРНК. Информация с какого-либо участка ДНК переписывается в молекулу мРНК, которая направляется в цитоплазму клетки, где и образуется молекула нужного белка по плану строения, принесенному мРНК.

Белок делается из разных химических элементов в период между делениями клетки. Этот период называют (весьма неудачно) периодом покоя. В этот период молекула ДНК относительно выпрямлена, рыхло расположена в ядре и наиболее удобна для «чтения». Под электронным микроскопом она очень напоминает нитку бус. С наступлением периода покоя хромосомы теряют компактность, начинает «разматываться» нить жизни, открывается «книга памяти» ДНК, и клетка синтезирует белки, из которых состоит организм. В конце периода покоя начинается удвоение молекул ДНК и тем самым подается команда к делению клетки. Расположение молекул ДНК в ядре резко изменяется: ДНК спрессовывается, упаковывается в компактные хромосомы, которые являются как бы своеобразным контейнером для переноса молекул ДНК.

6.5. Мутации

На первый взгляд может показаться, что главный механизм наследственности чрезвычайно устойчив благодаря тому, что каждая вновь образованная клетка получает от клетки-родителя полный набор генов. Они будут управлять ростом и развитием «новорожденной», они же обеспечивают в нужный момент воспроизводство новой клетки с таким же набором генов. Однако это не всегда так. Наблюдения показывают, что генный аппарат клеток подвержен мутациям (изменениям) — самопроизвольным (спонтанным) и искусственным (индуцированным).

Частота самопроизвольных мутаций у организмов всех видов исключительно мала, они имеют случайный, ненаправленный характер. Другое дело — индуцированные. Они возникают гораздо чаще под воздействием факторов, называемых мутагенными. Это могут быть вирусы, некоторые химические соединения, ультрафиолетовое и, главным образом, рентгеновское и ионизирующее излучение — радиация.

Мутагенные факторы способны разрушить некоторые нуклеотиды молекул ДНК или значительно повредить их. В этих случаях говорят о генных мутациях. Когда под воздействием этих факторов разрывается цепочка молекул ДНК, повреждения относят к хромосомным мутациям. Мутация опасна тем, что с поврежденных молекул ДНК, как с испорченных страниц, снимаются новые, уже дефектные копии, содержащие неверную, искаженную «программу жизни». Организм может передать ее по наследству — так могут возникнуть наследственные заболевания, обусловленные как хромосомными, так и генными мутациями.

Из-за изменения количества хромосом возникают болезнь Дауна и синдром Шерешевского—Тернера. Болезнь Дауна, характеризующаяся умственной отсталостью, вызывается наличием лишней хромосомы. А синдром Шерешевского—Тернера, проявляющийся в замедлении развития, обусловлен отсутствием одной хромосомы. Эти болезни можно определить уже у новорожденных. Достаточно сделать анализ их крови.

Каждая клетка нашего организма содержит 46 парных хромосом (диплоидный набор), и лишь половые клетки, и мужские и женские, имеют только по 23 непарных хромосомы (гаплоидный набор). При образовании половых клеток хромосомы не удваиваются, а делятся на две группы, их число в клетке уменьшается в два раза (этот процесс и называется митозом, т. е. уменьшением). При слиянии половых клеток образуется одноклеточный зародыш, ядро которого содержит 46 хромосом: половина из них получена от отца, а другая половина — от матери. Поэтому-то все мы чем-то похожи на своих родителей.

В настоящее время известно около 2000 наследственных болезней, синдромов, аномалий, проявляющихся в виде различных нарушений обмена веществ, физических уродств, психических расстройств. «Изучение врожденных дефектов у человека показало, что почти все они в конечном итоге являются следствием появления мутаций»,— пишет Н. П. Дубинин.

Итак, генетика доказала, что наследственные свойства всегда повторяют тех или иных предков. Изменения в наследственности — мутации случаются только тогда, когда происходят нарушения в ДНК — генах и хромосомах.

Для того чтобы выяснить, что же могло повлиять на хромосомы и гены у обезьян восточной части Африканского материка, что привело к изменению наследственных свойств у обитавших там антропоидов, посмотрим, что из себя представляла колыбель человечества: территория востока Африки — от Хадара на севере до Таунга и Макапансгата на юге. По Библии, место, где появился первый человек, называется раем, или садом Эдема.