ВВЕДЕНИЕ — ЭВОЛЮЦИЯ И ЧЕЛОВЕК

Эволюция — это процесс, благодаря которому мы находимся там, где мы есть сегодня.

Он начался примерно 3500 миллионов лет назад, когда первое живое существо, вероятно, единственная сложная органическая молекула в форме длинной цепочки, начала воспроизводить себя. Она делало это, присоединяя к себе более простые молекулы, находившиеся в водном растворе вокруг неё, пока не создавала свой зеркальный образ. Затем эти две части отделялись друг от друга, чтобы стать двумя одинаковыми сложными молекулами. Каждая из них обладала той же самой способностью присоединять более простые молекулы и выстраивать свой зеркальный образ — подобно тому способу, которым воспроизводят себя вирусы.

Выстраивание и разделение повторялись неисчислимые миллионы раз. В некоторых случаях зеркальный образ, полученный таким образом, неизбежно оказывался неточным. В результате новая молекула имела свойства, немного отличные от свойств старой, и, возможно, была не столь же эффективной в самовоспроизведении. В этом случае изменённая молекула — мутация — прекращала воспроизводство и вымирала.

Однако возникла случайная мутация, которая действительно помогла молекуле воспроизводить себя. Зеркальные образы — потомки — этой мутации затем выживали. Это основа процесса, который мы называем эволюцией.

После миллионов благоприятных случайных мутаций отдельная молекула становилась всё более и более сложной, если сложность гарантировала более эффективный процесс воспроизводства. Молекула изменилась из вирусоподобной частицы в живую клетку, в которой воспроизводящаяся молекула или молекулы были заключены внутрь и защищены внешней мембраной. Это напоминало какую-то из наших современных бактерий.

Химических реакций, которые позволяли ранним молекулам воспроизводить себя, возможно, было недостаточно, чтобы поддерживать воспроизводство более продвинутых существ, и были освоены другие источники энергии, что позволило поглощать энергию солнечного света и использовать эту энергию для построения тела из простых исходных материалов в процессе воспроизводства. Эволюционировали первые одноклеточные растения.

Другие мутированные клетки не использовали энергию солнца. Вместо того они переваривали клетки, которые это уже делали, и таким образом использовали уже запасённую энергию. Это были первые животные.

Постепенно эволюционировали существа, которые состояли более чем просто из единственной клетки. Это произошло либо из-за того, что клетки, воспроизводили себя и затем перестали отделяться друг от друга, или же потому, что несколько клеток соединились вместе. Как бы то ни было, если многоклеточное существо было более эффективно, то оно выжило и воспроизводилось в своей многоклеточной форме.

По мере увеличения сложности различные клетки отдельно взятого существа эволюционировали в направлении приобретения различных функций. Некоторые обладали чувствительностью, помогая существу искать пищу или свет. Другие участвовали в локомоции, в передвижении всего существа к источнику пищи или света. Третьи участвовали в пищеварении, иные в воспроизводстве, и так далее.

Различные скопления клеток составляют то, что мы называем тканями, а структуры, которые они образуют, каждая со своей отдельной функцией, называются органами. Целое существо (образованное из молекул, которые образуют клетки, которые образуют ткани, которые образуют органы) называется организмом.

На ранней стадии пути эволюции начали разделяться, и развились различные типы организмов. Везде, где был источник пищи, который можно было использовать, эволюция производила организм, способный его эксплуатировать. Такой процесс называется адаптивной радиацией, и мы можем наблюдать его работу в наши дни.

На Галапагосских островах, вблизи западного побережья Южной Америки, живёт много видов вьюрков. Они все эволюционировали от одного типа зерноядного земляного вьюрка, который прилетел с материка и распространился по всем островам, на каждом из которых различные виды сред обитания и источников пищи. Вьюрки на каждом острове эволюционировали, чтобы воспользоваться преимуществами их собственной среды обитания. В результате в настоящее время на островах существует много видов вьюрков, включая толстоклювые формы, которые едят семена, короткоклювые формы, которые едят почки и плоды, и длинноклювые формы, которые едят насекомых.

Окружающие среды не являются неизменными; по той или иной причине они меняются. Когда это происходит, существо, эволюционировавшее для жизни особым образом в некоторой среде обитания, вымирает. Например, если бы все насекомые на Галапагосских островах вымерли, то длинноклювые вьюрки также вымерли бы: это процесс, известный как естественный отбор. Если бы вымерли насекомые, их места были бы заняты другим существом, и какая-то другая птица эволюционировала бы, чтобы питаться им.

Эволюция вызывает появление специфичных форм животных для жизни в определённых местообитаниях. Трава жестка, чтобы питаться ею, поэтому животному, которое ест траву, требуются сильные зубы и специализированная пищеварительная система. Травянистые равнины — протяжённые открытые пространства, на которых приближающаяся опасность может быть замечена издалека, но нет мест, чтобы спрятаться. Поэтому питающееся травой животное, скорее всего, имеет длинные бегающие ноги наряду с сильными зубами и длинной лицевой частью головы, чтобы его глаза находились выше уровня травы, когда голова опущена вниз во время питания. Это даёт нам форму антилопы — типичного травоядного животного Африки.

Однако травянистые равнины Австралии породили весьма неродственное травоядное животное — кенгуру. Можно заметить весьма немного сходства между ним и африканской антилопой. У него, однако, есть такая же длинная морда с похожими зубами для разжёвывания травы; а ноги длинные и предназначенные для скоростного передвижения, хотя скорее для прыжков, а не для бега. Это развитие сходных особенностей у неродственных животных в ответ на сходные условия окружающей среды — явление, которое известно как конвергентная эволюция. Это объясняет сходство между тюленями и морскими львами, трубкозубами и муравьедами, муравьями и термитами, стервятниками и кондорами[[3] ].

Похожим явлением является параллельная эволюция. В этом случае две ветви одного и того же генеалогического дерева развиваются в сходном направлении независимо друг от друга. Например, американская лисица из Северной Америки и фенек из Африки — обе мелкие, со шкуркой песочного цвета и с большими ушами. Уши действуют как охлаждающие устройства и предотвращают перегрев у каждого из животных в его пустынном местообитании, а шкурка служит для камуфляжа. Оба вида происходят от более стандартно выглядящего лисоподобного животного, но каждое независимо друг от друга эволюционировало для жизни в различных пустынях.

Различные цвета и узор покровов у животных также могут быть соотнесены с эволюционными процессами. Узоры окраски животных могут камуфлировать их; с другой стороны они, как скунс, могут иметь бросающуюся в глаза окраску, которая предупреждает возможного нападающего, что её обладатель ядовит. Некоторые животные подражают другим, как в случае, когда безопасная королевская змея приобретает броскую расцветку ядовитой коралловой змеи и благодаря этому отпугивает потенциальных врагов. Всё это появилось, потому что животные, которых это затрагивало, получали от этого выгоду, выживали и продолжали размножаться.

Во всём мире всё время животные и растения менялись в ответ на изменения окружающей среды.

Один вид порвал с этой традицией. На протяжении последнего миллиона лет или около того эволюционировал человеческий вид Homo sapiens. Он прошёл весь путь от молекул до своего нынешнего облика на протяжении 3500 миллионов лет работы эволюции. Теперь, на протяжении немногих последних тысячелетий, развился разум, а вместе с ним культура и цивилизация. Вид распространился, но не изменяясь, чтобы приспособиться к местообитаниям, которые он находил, а путём изменения окружающей среды таким образом, чтобы они соответствовали его нуждам. Вместо того, чтобы вырабатывать густой мех и слои теплоизолирующего жира для приспособления к холодным условиям, он изготавливает искусственные покровы и использует доступные источники энергии, чтобы создать высокую температуру для тела. Вместо развития теплоизлучающих образований вроде больших ушей для приспособления к жарким условиям, он производит охлаждающие и кондиционирующие установки, вновь используя доступные источники энергии. Вместо того, чтобы увеличивать скорость движения и вырабатывать стратегии убийства, которые позволяют ему охотиться на некую добычу, он создаёт механизмы, чтобы делать это. Используя свой интеллект, он может эксплуатировать все источники пищи во всех местообитаниях без необходимости изменять самого себя.

Медицинская наука устраняет многое из последствий действия естественного отбора: теперь индивидуум, не особенно хорошо приспособленный к окружающей среде, не гибнет до достижения способности к воспроизводству.

В естественных условиях не всё потомство вида выживает, и это отражается на уровне рождаемости. Благодаря медицинской науке выживает больше потомства Homo sapiens, чем когда-либо могло выжить до этого, но за этим не последовало соответствующего снижения рождаемости. В результате популяции Homo sapiens растут без очищающего и изменяющего действия естественного отбора.

Эволюция в том виде, в котором мы её знаем, остановилась в отношении Homo sapiens. Тем не менее, это не подразумевает того, что процесс изменения обязательно остановился.

По мере развития науки репродуктивные молекулы — гены — которые существуют внутри каждой клетки человеческого тела, становятся всё более и более понятными. Когда Homo sapiens, наконец, поймёт, какие части развитием какой особенности управляют, то открывается возможность для изменения процесса. Будет достигнута такая стадия, когда один ген может быть подавлен, другой стимулирован, а третий вообще создан с нуля. Из изменённых яйцеклеток и сперматозоидов может быть рождено человеческое существо со специфическими особенностями, соответствующее особому заранее разработанному плану. Без естественных процессов модификации этот неестественный процесс — единственный путь развития вида в новые формы, чтобы встретить проблемы, которые ждут его в будущем: проблемы, созданные перенаселением, чрезмерным использованием природных ресурсов и загрязнением окружающей среды.

Генная инженерия

Приёмы генной инженерии уже сложны, хотя в своём нынешнем состоянии они являются примитивными по сравнению с тем, что, несомненно, станет возможным в течение нескольких десятилетий.

Репродуктивные молекулы, которые лежат в ядре каждой клетки живого организма, находятся в форме длинных структур, называемых хромосомами. Эти хромосомы составлены из химического вещества ДНК. Его форму лучше всего представить как длинную лестница, которая была скручена вдоль своей длины. Каждая ступенька этой лестницы состоит из двух компонентов, называемых азотистыми основаниями, соединённых вместе. Существует лишь четыре различных вида азотистых оснований: тимин, цитозин, аденин и гуанин, соответственно Т, Ц, А и Г. T всегда соединяется с A, а Ц всегда с Г[[4] ]. Последовательность этих пар оснований вдоль скрученной лесенки может варьировать почти до бесконечности — в полном наборе человеческих хромосом существует около 6,000,000,000 оснований.

Хромосому часто сравнивают со страницей в инструкции. Каждая пара оснований, или ступенька в лестнице, представляет букву алфавита, а расположение вдоль лестницы даёт «слова» и «предложения». Каждая распознаваемая инструкция, образованная таким путём, даёт ген. Гены в одной клетке производят полную информацию, необходимую для роста целого организма

Когда организм растёт и развивается, это происходит путём размножения клеток. Каждая клетка разделяется на две полноценных клетки. Когда это происходит, каждая хромосома в клетке фактически расщепляется посередине. Витки скрученной лесенки отходят друг от друга, поскольку ступени раскалываются вдоль соединений между основаниями. В дальнейшем происходит так, что эти две «полулестницы» образуют две полных лесенки, присоединяя свободные азотистые основания, создающиеся из химических веществ, плавающих в клетке. В результате этого, когда клетка разделяется надвое, каждая новая клетка несёт совершенно одинаковый набор генных «инструкций».

Исключение из этого процесса имеет место при половом размножении. Репродуктивные клетки несут половину нормального числа хромосом. Две полуклетки[[5] ] объединяются во время оплодотворения, чтобы произвести одну клетку с полным набором. Эта новая клетка — уникальное соединение генов, половины от матери и половины от отца. Затем эта клетка делится обычным образом, пока, следуя инструкции, которую несёт каждая клетка, не будет построен полный организм.

Вот какова нынешняя великая загадка: как гены — последовательность пар азотистых оснований вдоль хромосомы — работают в действительности? Как они управляют постройкой организма?

Идея, лежащая в основе генной инженерии, состоит в том, чтобы управлять естественными процессами. Каким-то способом генетические инструкции, находящиеся вдоль хромосом в клетке, должны быть идентифицированы, а затем изменены таким образом, чтобы в процессе роста организм следовал новому набору инструкций. Поскольку все вовлечённые в этот процесс материалы (клетки, хромосомы, молекулы) имеют микроскопические размеры, должна применяться совершенно новая технология.

Вирусы могут делать это. Вирусы по сути своей состоят из массы их собственной ДНК, заключённой в оболочку. Инфицируя клетку, они прикрепляются к клеточной стенке и вводят сквозь неё свою ДНК. Во внутренней среде клетки чужеродная ДНК разрушает хромосомы клетки и заново выстраивает этот материал в виде собственных копий.

Чтобы генные инженеры сделали то же самое, они должны были бы прежде всего пробиться через клеточную стенку, затем разрушить ДНК в ядре и повторно собрать её желаемым образом. В ином случае они могли вырезать сегменты цепочки ДНК, фрагменты, которые соответствуют тем или иным генам, и заменяют их уже подготовленными фрагментами ДНК. Это было бы сделано химическими веществами, которые дают определенные биохимические реакции — ферментами — для части которых было обнаружено наличие способности резать нить ДНК.

Самые большие успехи в экспериментах пока были сделаны на бактериях[[6] ]. Эти одноклеточные существа обладают клеточными стенками, которые могут быть размягчены химическими растворами таким образом, чтобы новую ДНК можно было поместить внутрь. Двойная спираль исходной хромосомы может быть разрезана с использованием ферментов, и может быть вставлена новая ДНК. У разрушенных концов нитей ДНК одна сторона длиннее другой, оставляя свободной последовательность азотистых оснований. Если введённый фрагмент ДНК обладает соответствующими основаниями, которые остаются свободными на его конце, два фрагмента ДНК объединяются, Т к A, и Ц к Г, и образуют полную хромосому. Эта техника известна как сплайсинг генов.

Однако прежде, чем может быть предпринято что-нибудь из этого, всё строение гена должно быть картировано. В настоящее время было идентифицировано и интерпретировано лишь приблизительно 100 человеческих генов[[7] ]; но, поскольку генетика существует лишь около столетия, строение хромосомы стало известным лишь приблизительно четыре десятилетия назад, а научный прогресс в этой области растёт экспоненциально, теоретические рассуждения о генной инженерии быстро становятся фактом.

Генная инженерия человеческих существ состояла бы в процессах изъятия репродуктивной клетки из человека, изменения известного гена каким-то заранее установленным образом и обратного помещения клетки таким образом, чтобы она выросла в полноценный плод с желаемыми свойствами.

1. Клетка изъята.

2. Ген, который будет изменен, идентифицирован в хромосоме.

3. Он заменён заранее изменённым геном.

4. Клетка помещена обратно в матку.

5. Рождается генетически изменённый человек.

1. Человек состоит из клеток — их примерно 10 триллионов — все они выросли из единственной репродуктивной клетки.

2. Каждая клетка содержит ядро, несущее всю генетическую информацию для роста целого тела.

3. Генетическая информация в ядре выстроена в ряде образований, называемых хромосомами.

4. Каждая хромосома составлена из длинной цепочки ДНК, скрученной в несколько порядков.

5. Нить ДНК — скрученная лестница пар молекул аминокислот[[8] ], последовательность которых несёт генетическую информацию.

6. Когда клетка размножается, каждая нить ДНК расщепляется, как застёжка-молния по связям между молекулами аминокислот. Затем каждая половина достраивает полную цепочку, привлекая к себе свободные молекулы аминокислоты, плавающие в клеточной жидкости.

Примечания:

[3] Здесь стоит сделать некоторые пояснения. Тюлени происходят от древних куньих, а морские львы (ушастые тюлени) — от примитивных медвежьих. Это скорее явление параллелизма, чем конвергенции, поскольку куньи и медвежьи близкородственны друг другу. Кондоры и другие американские грифы (катартиды) более родственны аистам, и их сходство с грифами и стервятниками Старого Света — действительно пример конвергенции. А вот муравьи и термиты при некотором внешнем сходстве ведут совершенно противоположный образ жизни — муравьи почти всегда плотоядны, а термиты строго растительноядны. — В. П.

[4] Для этого соответствия есть специальный термин — «комплементарность». — В. П.

[5] В оригинале сказано ‘half-cells’; это неверно, поскольку и неоплодотворённая яйцеклетка, и сперматозоид — это совершенно законченные клетки без признаков «половинчатости». Очевидно, втор имеет в виду половинный набор хромосом. — В. П.

[6] В настоящее время успешно произведены опыты по генной модификации на позвоночных животных. Генно-модифицированные рыбы данио (Brachydanio rerio) розового цвета уже не представляют редкости в зоомагазинах. А генно-модифицированные растения настолько широко используются в сельском хозяйстве, что это вызывает тревогу в определённых кругах населения. — В. П.

[7] В настоящее время расшифрован и прочитан весь геном человека. — В. П.

[8] В оригинале сказано ‘amino acid molecules’. Здесь и далее Дугал Диксон явно путает строение молекул ДНК и белков. Молекула белка как раз и состоит из цепочки аминокислот, а ДНК — из нуклеиновых кислот, включающих фосфат, полисахарид дезоксирибозу и азотистое основание, то есть, из органических веществ, резко отличающихся по составу и строению от аминокислот. — В. П.