Когда заряженная частица попадает в клетку, она оставляет след, в котором возникают высокоактивные соединения, способные повредить ДНК и другие клеточные структуры. При точном попадании в ДНК излучение может даже разделить обе нити и двойная спираль распадется. Все повреждения, о которых мы говорили до этого, затрагивали только одну нить генетической лестницы и могли приводить лишь к незначительным изменениям в отдельных генах. Но повреждение двух нитей сразу – это полная катастрофа. Хромосома распадается на две части, и отделившийся кусок может запросто потеряться, прихватив с собой сотни генов. Скорее всего, это означает смерть клетки. Но пока дело до этого не дошло, ремонтные бригады все равно включаются в работу, стараясь любой ценой устранить повреждения.
В самом удачном случае, когда поблизости находится вторая целая хромосома (а в человеческой клетке содержится два набора по 23 хромосомы в каждом), она может послужить образцом для ремонта поврежденного участка. Но, если такой образец вблизи отсутствует, клетка начинает импровизировать. Поврежденные концы, которые невозможно соединить друг с другом, удаляются. При этом, естественно, теряется часть информации. Кроме того, соединенные «зачищенные» концы, возможно, не имеют никакого отношения друг к другу, так как принадлежат разным фрагментам. Установить это невозможно. Ремонт получается грубым и неточным, но для клетки это единственное спасение.
Ремонтные механизмы клеток день за днем совершают невероятную работу и, несмотря на все трудности, умудряются сохранять наш наследственный материал в целости. Однако время от времени в нем все же происходят изменения – как незначительные, так и довольно серьезные (это может наблюдаться, в частности, при копировании). Виды мутаций разнообразные. Они могут заключаться в том, что отдельные фрагменты ДНК меняются местами, теряются или добавляются со стороны. В некоторых случаях довольно крупные участки ДНК переселяются с одной хромосомы на другую.
Но не все ошибки смертельны. Наша наследственность отличается поразительной устойчивостью. Если, к примеру, один фрагмент ДНК меняется местами с другим, то последствия могут оказаться самыми разными. Во-первых, ошибка необязательно происходит в гене или другом важном фрагменте наследственного материала, но даже если и так, то генетический код в значительной степени способен компенсировать ее (вспомните: для многих аминокислот существует более одного кодона, таким образом, если, к примеру, ЦЦЦ превратится в ЦЦА, все равно будет синтезироваться пролин). Но, если даже изменится тип белка, все еще может закончиться благополучно, поскольку не все его части имеют одинаковую значимость и измененный белок зачастую функционирует так же (или почти так же), как оригинал. В конце концов, если в «Ламборгини» установить зеркало заднего вида от «Лады», оно тоже будет выполнять свое предназначение. Даже если дело зайдет настолько далеко, что вследствие мутации будет заменен и двигатель (что, конечно, существенно снизит мощность), то в клетке имеется второй набор хромосом, в котором, возможно, хранится целая копия гена. Если какой-то ген поврежден или уничтожен, то второй копии зачастую достаточно, чтобы избежать больших проблем. (Исключением является ситуация, когда речь идет о мужчине и мутация происходит в X- или Y-хромосоме, потому что они имеются у него в единственном экземпляре. Если здесь что-то пошло не так, исправить положение вряд ли удастся. Поэтому некоторые наследственные заболевания встречаются у мужчин заметно чаще, чем у женщин.) Таким образом, количество мутаций, ведущих к серьезным последствиям, в том числе смерти, относительно невелико.
Но не стоит забывать о том, что не каждое изменение вредно. Некоторые имеют нейтральный характер или даже дают определенные преимущества. Эти «полезные ошибки» являются двигателем эволюции и дальнейшего развития наших генов. С их помощью жизнь до сих пор справлялась со всеми препятствиями, встававшими на ее пути, включая астероиды-убийцы и коварные сине-зеленые водоросли.
Но каков путь от случайной полезной мутации до возникновения совершенно нового биологического вида? Другими словами, как выглядит связь между мутациями и эволюцией? Если сегодня мы довольно хорошо знаем, как происходит данный процесс, то благодарить за это надо главным образом Джона Бёрдона Сандерсона Холдейна, который с помощью математических методов соединил эволюционную теорию Дарвина с законами наследственности Менделя. Он был не единственным ученым, работавшим над тем, чтобы придать эволюционным процессам некоторую предсказуемость, но именно ему удалось стать движущей силой и одним из основоположников современной эволюционной генетики.
Об эволюции он начал задумываться уже в раннем возрасте. Холдейн, которого все звали Джеком, родился в 1892 году в Эдинбурге и в восемь лет начал помогать в научных экспериментах отцу – знаменитому физиологу. В 1901 году отец разрешил ему присутствовать на докладе, посвященном трудам Менделя, и это произвело на Холдейна-младшего неизгладимое впечатление. Всегда ли действуют принципы, открытые Менделем в ходе статистических подсчетов, или они годятся только для гороха? И что все это может значить?
Еще будучи подростком, Холдейн с 1908 года начал активно искать ответы на эти вопросы. Стартовым выстрелом для его работ стал глухой звук падения, с которым его одиннадцатилетняя сестра Наоми свалилась с пони. В результате у нее начисто пропала любовь к лошадям и она переключилась на морских свинок. С этого все и началось. Джек совместно с Наоми, которая научилась различать своих питомцев по писку, решили выяснить, применимы ли законы наследственности Менделя к грызунам, продемонстрировавшим такую тягу к размножению, что уже через несколько месяцев их поголовье выросло с одной пары до 300 особей. И надо же: они действовали и в данном случае! Для полной уверенности Джек и Наоми повторили эти эксперименты на мышах и уже вскоре опубликовали свою первую научную работу.
Позднее Джек изучал математику и классическую филологию в Оксфорде. В 1914 году он с отличием окончил университет, но диссертацию так и не защитил. Все познания в биологии он получил за счет самообразования. Однако отсутствие формального образования не помешало ему стать одним из величайших биологов своего времени. Юный Джек с годами превратился в Дж. Б. С. Холдейна и приобрел импозантный внешний вид: стал высоким и широким, словно шкаф, и вдобавок отрастил усы, как у Сталина. Он был известным упрямцем и спорщиком, а также марксистом, гуманистом и атеистом. Ни за какие деньги Холдейн не соглашался держать язык за зубами и всегда высказывал свою точку зрения. Короче говоря, он был ярким примером того, как проще всего потерять друзей и обзавестись врагами среди влиятельных людей. Об успешной карьере не могло быть и речи, поскольку для этого требовались такие качества, как тактичность в общении с людьми и определенная склонность к консерватизму. К счастью, его мало интересовала карьера в классическом понимании. Единственное, чего он хотел, – это чтобы его оставили в покое и дали возможность заниматься наукой.
С помощью математики Холдейн определенным образом упорядочил многие области биологии, пребывавшие до этого в хаотическом состоянии, и постоянно занимался проблемами эволюции. В частности, ему не давала покоя загадка талассемии, или средиземноморской анемии, – особого вида малокровия. Причиной этого заболевания являются мутации в генах гемоглобина – белка, отвечающего за транспортировку кислорода в красных кровяных тельцах. Если ребенок получал дефектные гены от обоих родителей, заболевание могло оказаться смертельным. Если же был поражен только один набор хромосом, то последствия были значительно мягче и иногда почти не сказывались на здоровье. Но почему эти опасные вариации генов встречались так часто? И почему они были сосредоточены в средиземноморском регионе? Если эта мутация смогла закрепиться, то в чем ее преимущества для выживания людей?