Генетик Томас Хант Морган познакомился с работами де Фриза, посвященными мутациям, в начале 1900-х годов в Колумбийском университете, где проводил эксперименты с плодовыми дрозофилами. Команда ученых под его руководством подвергала дрозофил воздействию сильных кислот, рентгеновского излучения и токсинов с целью создать мушек-мутантов. Наконец в 1909 году из куколки появилась мушка с белыми глазами. Ученым удалось доказать, что, как и в случае со странной формой лепестков ослинника, которую заметил де Фриз, мутировавший признак мушки передавался по наследству, как и любой менделевский ген.
Синтез теории естественного отбора Дарвина, генетики Менделя и теории мутации привел к тому, что в науке сложилась новая синтетическая теория эволюции, или неодарвинизм. Мутация понималась как конечный источник наследуемых генетических изменений, которые в основном имели небольшое воздействие и иногда были абсолютно безвредными, а в некоторых случаях даже полезными — мутировавшее потомство оказывалось более приспособленным к условиям окружающей среды, чем родители. Затем в игру вступает естественный отбор, отсеивающий менее приспособленных мутантов из популяции, способствуя выживанию и размножению сильнейших. В конце концов, приспособленные к условиям жизни мутанты становятся нормой для данного вида, и эволюция идет «путем сохранения и кумулирования малых наследственных модификаций».
Одним из ключевых аспектов синтетической теории эволюции является принцип, согласно которому мутации случайны: вариация в геноме не возникает как ответ на эволюционные изменения. Так, при изменении условий окружающей среды вид не развивает мутационный признак — он должен дождаться необходимой мутации, которая возникает случайно и помогает последующим поколениям приспособиться к изменениям. Это противоречит представлениям Ламарка об эволюции, согласно которым наследуемая адаптация вида (например, длинная шея у жирафа) возникает как реакция на вызов со стороны изменяющейся окружающей среды и, соответственно, приобретается всеми последующими поколениями.
В начале XX века ученым еще не было известно, происходят наследуемые мутации случайно, как предполагали неодарвинисты, или возникают как ответ на изменения окружающей среды, как утверждали сторонники идей Ламарка. Напомним, что Морган подвергал дрозофил воздействию токсичных веществ и излучения, чтобы добиться мутаций. Возможно, в ответ на этот «вызов» окружающей среды у дрозофил возникли новые мутации, которые помогли им справиться с тяжелыми испытаниями. Как и жирафы Ламарка, они, метафорично выражаясь, вытянули свои шеи, а затем передали этот адаптивный признак своим потомкам в виде наследуемой мутации.
В 1943 году Сальвадор Лурия, научный руководитель Джеймса Уотсона, и Макс Дельбрюк поставили серию экспериментов, ставших классикой генетики. Одной из целей экспериментов была проверка конкурирующих теорий. К тому времени дрозофилы уступили место бактериям, которые наилучшим образом подходили на роль подопытных организмов в эволюционных исследованиях благодаря легкости их выведения в лаборатории и краткой продолжительности генерации. Ученым было известно, что бактерии можно поражать вирусами, однако, если это делать регулярно, бактерии довольно быстро вырабатывают устойчивость к вирусам благодаря мутациям. Эти условия идеально подходили для проверки конкурирующих теорий — неодарвинизма и теории мутаций Ламарка. Лурия и Дельбрюк хотели проверить, способны бактерии-мутанты противостоять вирусной инфекции, уже существовавшей в популяции (согласно идеям неодарвинизма), или они возникают как ответ на вызов окружающей среды, в данном случае на воздействие вируса (согласно идеям ламаркизма). Ученые обнаружили, что мутации в популяции возникают одинаково регулярно независимо от наличия вируса или его отсутствия. Иными словами, регулярность мутаций не зависела от селективного давления окружающей среды. Именно за эти эксперименты Лурия и Дельбрюк были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине за 1969 год, а сформулированный ими принцип случайного возникновения мутаций стал ключевым аспектом современной эволюционной биологии.
Но даже тогда, в 1943 году, когда Лурия и Дельбрюк проводили свои эксперименты, ученым все еще не было известно, из чего состоят гены-бусинки и благодаря каким физическим механизмам возникает мутация — превращение одной бусинки в другую. Ситуация прояснилась в 1953 году, когда Уотсон и Крик открыли двойную спираль. Было показано, что гены-бусины строятся на основе материала ДНК. Принцип случайного возникновения мутаций лишний раз подтвердился: излучение и мутагенные вещества повреждают молекулу ДНК на случайно выбранном участке цепи, вызывая мутации случайных генов, независимо от того, кодируют ли они признаки, важные для выживания вида в условиях конкретных изменений окружающей среды.
Во второй статье, посвященной структуре ДНК[124], Уотсон и Крик высказали предположение о том, что процесс таутомеризации, подразумевающей движение протонов внутри молекулы в определенном порядке, возможно, является причиной мутаций. Мы уверены, что, дойдя до этого места в книге, наши читатели прекрасно понимают, что любой процесс, подразумевающий движение элементарных частиц, например протонов, относится к квантово-механическим процессам. Значит ли это, что Шредингер был прав? Действительно ли мутации являются своего рода квантовым скачком?
Роль протонов в кодировании информации
Посмотрите еще раз на нижнюю часть рис. 7.1. Вы заметите, что мы изобразили водородную связь (которая, как вы помните, представляет собой общий для двух оснований протон) в виде пунктирной линии, соединяющей два атома (кислород (O) и азот (N)) спаренных оснований. Но ведь протон является частицей, не так ли? Почему же он изображен в виде линии, а не одиночной точки? Разумеется, потому, что протоны представляют собой квантовые сущности, обладающие свойствами частицы и волны. Так, внутри молекулы ДНК протон делокализован; он ведет себя как нечто размытое, как волна, накатывающая то на одно, то на другое основание. Водород (H) на рис. 7.1 (наиболее вероятное положение протона) во всех связях изображен не на одинаковом расстоянии от парных оснований, а ближе к одному из них, к одной из двух цепочек спирали. Такая асимметрия обусловливает одно из важнейших свойств ДНК.
Давайте рассмотрим одну из возможных пар оснований, а именно A — T. A находится на одной цепочке спирали, T — на другой. Основания держатся в паре благодаря двум водородным связям (протонам): один протон изображен ближе к атому азота основания A, а другой — ближе к атому кислорода основания T (рис. 7.2, а).
Рис. 7.2. Пары оснований A — T: а — стандартный вид связи пары оснований A — T с обычным расположением протонов; б — протоны поменяли положение на двойной спирали, образовав таутомерическую форму соединений A и T
Эти протоны и образуют водородную связь A — T. Однако не следует забывать, что для квантового мира понятие «ближе» является очень скользким: здесь частицы не имеют фиксированных положений, а характеризуются спектром возможностей пребывания одновременно в разных положениях, включая и те, что возможны только при условии эффекта туннелирования. Если бы протоны, связывающие две буквы генетического кода, вдруг совершили скачок к обратным концам соответствующих водородных связей, они оказались бы ближе к атомам противоположных оснований. Возможность протонов менять свое положение в связи обусловливает существование альтернативных форм соединений оснований — таутомеров (см. рис. 7.2, б). Так, каждое из оснований ДНК может существовать в обычной (канонической) форме, которая представлена в модели структуры двойной спирали ДНК Уотсона и Крика, и в редкой таутомерической форме, при которой связывающие основания протоны сдвигаются и меняют позицию в связи.
Напомним, что протоны, формирующие водородные связи в молекуле ДНК, обусловливают специфические свойства пары оснований, важные при репликации генетического кода. Так, если пара протонов движется (в противоположных направлениях), это означает, что они успешно переписывают генетический код. Например, если на одном из участков цепи ДНК находится генетическая буква T (тимин), то напротив будет стоять A (в канонической форме пары оснований). Однако при двойном скачке протонов T и A принимают таутомерические формы. Разумеется, протоны могут совершить и обратный скачок, если они оказываются в связи таутомерической формы[125] в тот момент, когда происходит копирование цепи ДНК. В этом случае в новую цепочку ДНК могут быть встроены неправильные основания. Таутомер T образует пару скорее с G, а не с A, поэтому в новую цепочку напротив T (туда, где в старой цепи стоит A) будет вставлено основание G. Подобным образом, если A приобретает таутомерическую форму в момент репликации ДНК, образуется пара A — C, а не A — T, поэтому в новой цепи напротив A (туда, где в старой цепи стоит T) будет вставлено основание C (рис. 7.3). В обоих случаях в новых цепочках ДНК будут наблюдаться мутации — изменения в последовательностях ДНК, которые будут переданы последующим поколениям.
