Открытия, которые изменили мир - Джон Кейжу

Первый важный прорыв случился в 1838–1839 гг., когда усовершенствования микроскопа позволили немецким ученым Матиасу Шлейдену и Теодору Шванну определить клетки как структурные и функциональные единицы всех живых существ. Затем в 1855 г., развенчав миф о том, что клетки появляются из ниоткуда, спонтанно, немецкий ученый Рудольф Вирхов объявил свою знаменитую формулу: Omnis cellula e cellula («Каждая клетка из клетки»). Этим утверждением Вирхов дал науке еще одну ключевую подсказку о том, откуда именно берется наследственность: если каждая клетка появлялась из другой, то информация, необходимая для создания каждой новой клетки (информация о наследственности), должна храниться где-то внутри клетки. Наконец, в 1866 г. немецкий биолог Эрнст Геккель прямо заявил: передача наследственных признаков связана с чем-то… с чем-то внутри клеточного ядра, значимость которого была признана еще в 1831 г. Робертом Броуном.

К 1870-м ученые все глубже изучали ядро клетки, обнаруживая загадочные явления, которые происходили каждый раз при клеточном делении. Так, в 1879 г. немецкий биолог Вальтер Флемминг детально изучил эти явления, назвав весь процесс митозом (непрямым делением). В своей работе, опубликованной в 1882 г., Флемминг впервые точно описал любопытные события, которые происходили непосредственно перед делением клетки: в ядре обнаруживались длинные нитеподобные структуры, которые затем «разделялись на две части». В 1888 г., когда ученые начали говорить о роли, которую эти нити играют в наследственности, немецкий анатом Генрих Вальдейер, один из великих авторов новых терминов в биологии, предложил для них новое название, которое и вошло в историю, — хромосомы.

Веха № 3

ДНК: открытие и забвение

К концу XIX века мир, настойчиво игнорирующий первый великий этап в развитии генетики, решил пренебречь и вторым — открытием ДНК. Да, именно так. ДНК, которой обязаны своим существованием гены, хромосомы, наследственные черты и, наконец, генетическая революция в XXI веке. И, как и в случае с пренебрежительным отношением к Менделю и его законам о наследственности, заблуждение не было кратковременным. Вскоре после своего открытия в 1869 г. ДНК была практически забыта на полвека.

Началось все с того, что швейцарский физиолог Фридрих Мишер, едва закончив медицинскую школу, принял ключевое решение о дальнейшей карьере. Из-за слабого слуха (последствия перенесенной в детстве инфекции) ему было сложно понимать пациентов, и он решил отказаться от карьеры в клинической медицине. Став сотрудником лаборатории в Университете Тюбингена в Германии, Мишер решил тщательно изучить недавнее предположение Эрнста Геккеля о том, что секреты наследственности могут быть раскрыты благодаря ядру клетки. Выбрав лучшие клетки для изучения ядра, он начал отмывать мертвые белые кровяные тельца (содержащиеся в большом количестве в гное) с хирургических бинтов, взятых на свалке ближайшей университетской больницы.

Отобрав для работы наименее неприятные образцы, Мишер подверг белые кровяные клетки воздействию разных химических веществ, пока не добился отделения от клеточной массы ранее неизвестного соединения. Не будучи ни белком, ни жиром, ни углеводом, это вещество обладало кислотными свойствами и содержало большое количество фосфора, чего не обнаруживалось ранее ни в одном другом органическом соединении. Не имея ни малейшего представления о том, что это, Мишер назвал вещество нуклеином. Отсюда и пошел современный термин ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота).

Мишер опубликовал свои научные выводы в 1871 г., а потом много лет посвятил изучению нуклеина отдельно от других клеток и веществ. Но его истинная природа оставалась тайной. И хотя Мишер был убежден, что нуклеин жизненно необходим для функционирования клетки, он в итоге отклонил идею о том, что тот играл какую-либо роль в наследственности. Другие ученые его уверенность не разделяли. Например, швейцарский анатом Альберт фон Келликер имел смелость заявить, что нуклеин, скорее всего, материальная основа наследственных механизмов. С ним согласился в 1895 г. Эдмунд Бичер Уилсон, автор классического учебника «Клетка и ее роль в развитии и наследственности», написав в одной из своих работ:

…И таким образом мы приходим к удивительному выводу о том, что на наследственность, вероятно, может влиять физическая передача конкретного химического компонента от родителя к потомству.

И вот, всего за пару шагов до открытия, способного изменить мир, ученые словно закрыли на него глаза. Мир был попросту не готов к тому, чтобы принять ДНК как биохимическую составляющую наследственности. За несколько лет о нуклеине практически забыли. Почему же ученые отказались от попыток исследовать ДНК вплоть до 1944 г.? Свою роль здесь сыграли несколько факторов, но, пожалуй, самый важный заключался в том, что ДНК казалась неспособной соответствовать поставленным наукой задачам. Как отметил Уилсон в последнем издании своего учебника в 1925 г. (что противоречило его же словам восхищения в 1895 г.), «универсальные» ингредиенты нуклеина не слишком вдохновляли, особенно в сравнении с «неисчерпаемым» разнообразием белков. Как ДНК могла отвечать за все разнообразие жизни?

Ответа на этот вопрос не было до 1940-х, но находка Мишера оказала на науку как минимум одно мощное воздействие: она вызвала новую волну исследований, которые привели к повторному открытию давно забытого этапа. И не однажды, а трижды.

Веха № 4

Рожденный заново: воскрешение монастырского священника и его учения о наследственности

Может, весна и сезон обновления, но мало что может конкурировать с возрождением, состоявшимся в начале 1900 г., когда после тридцатипятилетнего забвения Грегор Мендель и его законы о наследственности вернулись к жизни с новыми силами. То ли это было отчаянное возмездие за долгое равнодушие, то ли неизбежный результат нового витка интереса научного мира, но в начале 1900 г. даже не один, а сразу трое ученых независимо друг от друга открыли законы наследственности — впоследствии обнаружив, что их уже открыл несколько десятилетий назад скромный священник.

Голландский ботаник Хуго Де Фриз стал первым, кто объявил о своем открытии, когда его эксперименты по разведению растений показали то же соотношение 3 к 1, которое в свое время обнаружил Мендель. Следующим был Карл Корренс, немецкий ботаник, проводивший исследования с горохом, которые помогли ему заново открыть законы наследственности. И последним опубликовал свое исследование, также основанное на экспериментах по разведению гороха, австрийский ботаник Эрих Чермак-Зейзенекк. Он отмечал: «Я с величайшим удивлением прочел о том, что Мендель уже проводил такие эксперименты, причем куда более масштабные, чем мои, отметил те же несоответствия и уже дал свои объяснения соотношению 3 к 1».

И хотя серьезных споров о том, кто должен быть провозглашен автором повторного открытия, не было, Чермак позже признался в «мелкой стычке между ним и Корренсом на встрече участников общества натуралистов в Меране в 1903 г.». Но, как добавил Чермак, все трое «были хорошо осведомлены о том, что открытие [ими] законов наследственности в 1900 г. уступало масштабам достижения Менделя в его эпоху, ведь за прошедшие годы была проведена научная работа, значительно упростившая их исследования».

После того как законы Менделя возродились в XX веке, все больше ученых начали обращать внимание на те самые загадочные «единицы», определявшие наследственность. Поначалу никто точно не знал, где они находились, но к 1903 г. американский ученый Уолтер Саттон и немецкий ученый Теодор Бовери выяснили, что они расположены в хромосомах, а те — парами внутри клеток. Наконец, в 1909 г. датский биолог Вильгельм Иоганнсен предложил для этих единиц название — гены.

Веха № 5

Первая генетическая болезнь: поцелуи двоюродных братьев, черная моча и уже знакомая пропорция

Следы черной мочи на подгузнике ребенка встревожат любого родителя, но с точки зрения британского врача Арчибальда Гаррода они представляли собой свидетельство интересной проблемы, связанной с обменом веществ. И дело тут вовсе не в бесчувственности Гаррода. Болезнь, с которой он имел дело, называлась алкаптонурией[11]. Ее самые шокирующие проявления включают изменение цвета мочи на черный под воздействием воздуха, но в целом она не опасна и встречается не чаще, чем у одного из миллиона людей по всему миру. Когда Гаррод начал изучение алкаптонурии в конце 1890-х, он понял, что эта болезнь вызвана не бактериальной инфекцией, как ему раньше казалось, а «врожденным нарушением обмена веществ». Но лишь изучив данные о детях, страдавших от этой болезни — чьи родители почти всегда были двоюродными братьями и сестрами, — он нашел подсказку, которая мгновенно изменила наше нынешнее видение наследственности, генов и болезни.