Глава 5. Споры Менделя

«Посади горох в Президентский день»^[11] — когда живешь со страстным садоводом, знаешь эту поговорку и как мантру, и как приказ. Для Элайзы посадка гороха знаменовала собой начало долгожданного нового сезона, и грядка в ее саду всегда была вскопана и тщательно подготовлена заранее. В этом году у нас обоих были планы относительно гороха, но, когда я взялся вскопать толстый слой дерна на заросшей клумбе около Енотовой Хижины, стало ясно, что я опоздал. Учитывая, что мне предстояло доставить свежий грунт, обеспечить какую-нибудь защиту от кур, не говоря уже о заказе семян, мне бы еще повезло, если бы я успел посадить их в Вербное воскресенье. Тем не менее такой график, возможно, приближал меня ко дню посадки в Брюнне в Моравии (ныне Брно в Чехии), где знаменитый огород, который я хотел воспроизвести, в это время все еще был покрыт снегом.

Если не считать погоды, Грегор Мендель был обеспечен всем необходимым, когда весной 1856 г. получил свои первые всходы гороха. Настоятель Кирилл Напп управлял Августинским аббатством Святого Томаша скорее как университетом, чем монастырем, поощряя монахов к изучению всего на свете — от ботаники и астрономии до народной музыки, лингвистики и философии. В аббатстве у монахов была хорошая кухня, отличная библиотека и достаточно свободного времени, чтобы проводить свои исследования. Для Менделя настоятель пошел еще дальше, построив специальную теплицу и разрешив пользоваться монастырскими оранжереями и обширными садами. Но на стороне Менделя были также миллионы лет эволюции, потому что осуществить его знаменитые открытия без помощи уникальных свойств семян было бы намного сложнее, если вообще возможно.

Представьте себе отца современной генетики, осуществляющего свои опыты на споровых растениях. Он проводил бы каждый день, ползая на коленях в грязи в поисках крошечных заростков (гаметофитов) и безуспешно пытаясь собрать их сперматозоиды и яйцеклетки. Как можно контролировать разведение растений, половое размножение которых происходит скрытно в почве с помощью микроскопических, свободно плавающих сперматозоидов? Споровые растения просто не позволяют собой манипулировать, вот почему немногочисленные мхи и папоротники, которые были одомашнены, практически неотличимы от своих диких предков. (Еще более веская причина, по которой люди не могут использовать споровые растения, состоит в том, что эти растения не «упаковывают завтрак» для своего потомства — споры не имеют пищевой ценности. Можно откусить кусочек листа спорового растения, но — за редкими исключениями — нельзя испечь хлеб, приготовить кашу или что-либо еще из самих спор.)

Мендель никогда не рассматривал возможность исследовать мхи и папоротники. Сын крестьянина, он знал о растениях достаточно, чтобы понимать, что такая случайная система размножения не позволит ему разобраться в закономерностях наследственности. Но он попробовал проводить опыты на мышах и, судя по рассказам, прекратил их, когда местный епископ посчитал недопустимым держать в монашеской келье клетки с быстро размножающимися грызунами. Когда Мендель, наконец, остановился на горохе, он нашел систему, идеально подходящую для его экспериментов. Искусственное опыление позволило ему выбирать, какие растения он хочет скрестить, а затем наблюдать, как наследуются их признаки. В отличие от спор, горошины объединяли гены обоих родителей и их легко было обследовать, сортировать и считать. А в отличие от мышей, горох рос в огороде, имел прекрасный запах и даже служил вкусным дополнением к монастырской трапезе.

Когда мне доставили горох для посадки, я немедленно открыл упаковки и высыпал немного горошин каждого сорта на кухонный стол. Все они принадлежали к одному виду, но, как и у Менделя, различались по цвету и форме. Одни горошины были зеленые в крапинках, другие — коричневатые, одни — морщинистые, другие — гладкие. В Моравии в XIX в. Мендель без труда приобрел 34 разновидности гороха у местных поставщиков. У меня хватало места только для двух, но после непродолжительных поисков мне удалось раздобыть сорт, который мог выращивать сам Мендель. Вюртембергский зимний горох получил свое название от королевства, которое когда-то находилось в Южной Германии. Вюртемберг и Моравию соединяла железная дорога, и они находились в дружественных отношениях, когда Мендель закупал семена гороха. Обе страны даже воевали на одной стороне во время австро-прусской войны 1866 г., в тот же год, когда Мендель опубликовал результаты своих исследований. Притом что работа в монастырском саду совершенно мирное занятие, Мендель жил в неспокойную эпоху. Стареющие империи Европы с трудом сдерживали народное недовольство и заключали недолговечные политические союзы, а ученое сообщество противостояло не меньшему интеллектуальному давлению со стороны теории эволюции путем естественного отбора.

Первое издание «Происхождения видов» Чарльза Дарвина в 1859 г. было распродано за один день, а его немецкий перевод появился в течение года. Мендель вел подробные заметки, и те, что сохранились в рукописи в монастыре, свидетельствуют, что он был хорошо знаком с содержанием книги, когда трудился над своими грядками с горохом. Но осознавал ли он до конца значение того, что узнал из опытов с горохом, остается спорным вопросом. Хотя, по сегодняшним меркам, Мендель кажется нам гением, он так и не получил признания при жизни, и мало что известно о том, что он на самом деле думал. (Одним из самых неудачных хозяйственных мероприятий в истории можно считать то, что последующий настоятель монастыря сжег почти все дневники и документы Менделя.) Мы знаем, что Мендель был далеко не дилетантом. Его тщательно продуманные методы и статистический подход к результатам исследований на десятилетия опережали свое время. И Мендель применял их не только к гороху, но и к чертополоху, ястребинке и пчелам — это свидетельствует, что его по-настоящему интересовали общие законы наследственности. Мы также знаем, что Мендель чувствовал, что открыл что-то важное. Хотя его статья появилась в относительно малоизвестном моравском журнале, он заказал 40 копий и разослал их многим ведущим ученым того времени. Некоторые из этих копий так и не были открыты и прочитаны.

Книга «Садоводство на Западе» (Western Garden Book) издательства Sunset рекомендует сажать горох на глубину одного дюйма на расстоянии от двух до четырех дюймов один от другого. «Сажай их ближе друг к другу, — посоветовала Элайза. — Ты обязательно потеряешь часть из-за слизней». В Моравии садовники сталкиваются со всем набором вредителей гороха — от слизней и улиток до долгоносиков, тлей и случайно залетевшего разбойника воробья. Мендель, несомненно, также с запасом засевал свои грядки, поэтому он должен был посадить невероятное количество гороха, чтобы получить «более 10 000 растений», которые он проанализировал в ходе своих опытов. Мои скромные усилия не сопоставимы с таким масштабом, но я утешаю себя тем, что мог бы поделиться с ученым монахом секретом сбора гороха. Так получилось, что мое знакомство с сельскохозяйственным производством произошло за рулем комбайна весом в 17 т, предназначенным для уборки гороха. В последний год учебы в средней школе я работал в ночную смену, наполняя один самосвал за другим с шести вечера до шести утра, семь дней в неделю в течение всего лета. Это был медленный процесс, и я проводил большую часть времени за чтением романов при свете фонарика, но если бы я обладал терпением и мотивацией Менделя, то стоял бы в кузове и считал горошины, отмечая малейшие различия в их цвете, форме и размере.

Повторение работы Менделя научило меня большему, чем знание о том, сколько семян сажать в один ряд. Его опыты показывают, насколько существенно семена и наша тесная взаимосвязь с ними влияют на то, как мы воспринимаем окружающий мир. Они помогли нам взглянуть на процесс эволюции с иной, хотя и не менее важной, точки зрения, чем работа Чарльза Дарвина.

Не случайно, что Чарльз Дарвин и Альфред Рассел Уоллес, независимо друг от друга открывшие естественный отбор, оба обрели прозрение во время путешествий в дальние страны: Дарвин совершал длительное путешествие на корабле «Бигль», а Уоллес находился на Малайском архипелаге. Чтобы осознать всеобъемлющий закон природы, необходимо было видеть природу во всем ее многообразии. Новизна впечатлений от экзотических существ и ландшафтов позволила обоим ученым разглядеть такие закономерности, которые сложно было бы заметить в обычных обстоятельствах, ведь зяблик — это всего лишь зяблик, если вы видите его на своем заднем дворе. Но чтобы понять основные элементы механизма эволюции — как индивидуальные признаки передаются из поколения в поколение, — нужно было сфокусироваться на более обыденных предметах. Мендель сделал открытие, заново изучив природный механизм, который был знаком людям лучше, чем любой другой. Несмотря на то что он никогда не стремился к сельской жизни, Мендель воспользовался технологией, проверенной до него бесчисленными садоводами и огородниками, превратив простые выводы, сделанные в ходе сельскохозяйственных работ, в научные законы наследственности.

Когда археологи просеивают почву на территории древнего поселения, они ищут семена, чтобы определить, существовало ли здесь земледелие. Если они находят зерна или орехи большего размера, чем у соответствующих диких видов, значит, кто-то отбирал растения с предпочтительными признаками. Для земледельца это самая естественная вещь на свете. Однажды после обеда мы с Ноа очищали кукурузные початки, вынимая зерна из их гнезд и бросая в металлическую миску. Мы собирались смолоть зерна, чтобы сделать кукурузную кашу, но, если бы мы отбирали зерна для посева, наш выбор был бы очевиден. Среди всех этих твердых старых початков нам попался один с крупными спелыми зернами, которые легко выпадали из своих гнезд. Большие зерна, легкие в переработке — вот два признака, которые лучше всего подходят для искусственного отбора.

Во времена Менделя селекция растений достигла такого уровня, что каждый регион мог похвастаться дюжинами местных разновидностей гороха, не говоря уже о бобах, салате-латуке, клубнике, моркови, пшенице, помидорах и множестве других сельскохозяйственных культур. Люди не имели представления о генетике, но каждый понимал, что растения (и животных) можно значительно изменить путем искусственного отбора. Например, из единственного вида сорняка из семейства капустных (или крестоцветных), растущего на средиземноморском побережье, с течением времени было получено более полудюжины известных овощей. Земледельцы, заинтересованные в сочных листьях, вывели из нее кочанную, листовую и кудрявую листовую капусту (кале). Отбор растений со съедобными боковыми почками и цветочными побегами позволил получить брюссельскую капусту, цветную капусту и брокколи, а отбор растений с толстым стеблем — кольраби. В некоторых случаях для улучшения культуры нужно было просто сохранять самые крупные семена, но иногда требовался более изощренный подход. Ассирийцы начали методично опылять вручную финиковые пальмы более 4000 лет назад, а в эпоху династии Шан (1766–1122 гг. до н. э.) китайские виноделы улучшили сорт проса, нуждавшийся в защите от перекрестного опыления. Наверное, никто лучше не выразил безотчетную связь между выращиванием растений и их изучением, чем народ менде в Сьерра-Леоне, у которых глагол «исследовать» происходит от фразы «пробовать новый рис».

В отличие от предшествующих бесчисленных селекционеров растений, Менделя не устраивало бездумное применение технологии, сущности которой он не понимал. Его талант состоял в любознательности, терпении, настойчивости и хорошем знании математики. В течение восьми лет он бережно разводил свой горох, чтобы проследить в ряду нескольких поколений судьбу определенных признаков, таких как длина стеблей, цвет стручков, положение цветков и — самый известный из них — форма семян: морщинистая или гладкая. Методично отмечая, у каких родителей получилось то или иное потомство, он выяснил, что признаки наследуются вполне предсказуемым образом и не смешиваются. В то время как большинство его современников, включая Дарвина, полагало, что скрещивание ведет к смешению признаков, Мендель обнаружил, что признаки наследуются в виде отдельных самостоятельных единиц, которые он назвал наследственными факторами. Изучение гороха показало, что в каждой особи присутствуют два варианта каждого признака, по одному от каждого родителя, причем наследуются они случайным образом. В соответствии с современной терминологией мы говорим, что каждый индивидуум содержит две аллели одного гена. Одни аллели, называемые доминантными, проявляют себя всегда (например, гладкая форма гороха), другие, называемые рецессивными, остаются незаметными, пока у индивидуума не появятся две такие аллели — такую ситуацию генетики называют двойным рецессивом (например, морщинистая форма гороха). Сегодня эта концепция по меньшей мере смутно знакома всякому, кто решал задачи с решеткой Пеннета на уроках биологии. И в самом деле, большинство учебников используют горох Менделя в качестве примера: скрещивание чистых линий гладкого и морщинистого гороха дает потомство с гладкой формой семян, но в следующем поколении появляются как гладкие, так и морщинистые семена в соотношении три к одному. Теперь это школьная задачка, но в 1865 г. Мендель был единственным человеком на планете, который мог ее решить. Когда все было подсчитано до последней горошины, Мендель подвел итог своим революционным открытиям в статье, ставшей одной из самых известных научных публикаций, оказавшей огромное влияние на развитие науки, но которую и по сей день мало кто удосужился прочитать.

В течение нескольких недель мой горох рядом с Енотовой Хижиной дал всходы и вырос, став недоступным для слизней. К июню он поднялся на шесть футов, обвивая временную решетку, которую я приставил к веранде, и я мог видеть первые лиловые цветки через окно позади моего стола. Мендель называл цветки гороха «своеобразными», потому что они прячут свои жизненно важные органы между двумя узкими лепестками. Но это было идеальное устройство для контроля опыления, и я последовал подробным инструкциям Менделя, удаляя молодые тычинки, прежде чем опылить рыльце пестика пыльцой по собственному выбору. Мендель выполнял все это до изобретения ватных палочек, и, следуя его примеру, я вскоре убедился, что если вывернуть цветок, то можно аккуратно перенести его пыльцу на рыльце пестика другого цветка. Я также почувствовал то умиротворение, которое Мендель, наверное, испытывал в своем саду, потому что свое знаменитое опыление он проводил тогда же, когда и я, — прохладным весенним утром, окруженный цветами и поющими птицами.

В качестве последнего шага в опылении гороха следовало накрыть цветки небольшими мешочками, чтобы предотвратить нежелательное попадание пыльцы. Вместо ткани я использовал бумагу, и, если бы не эта деталь, моя грядка с горохом, по-моему, была бы точным воспроизведением знаменитого моравского огорода. Это занятие напомнило мне время, когда я изучал деревья альмендро в Коста-Рике. Хотя они растут в тропиках и достигают высоты в 150 футов (45 м), они также принадлежат к семейству бобовых и украшены лиловыми цветками. И хотя я не опылял вручную деревья альмендро, моя диссертация была своего рода продолжением опытов Менделя. Он приоткрыл тайну происхождения семян, что позволило мне 150 лет спустя получать сведения о целых популяциях на основе их генотипа — какие деревья размножаются, как далеко распространяется их пыльца, и кто перемещает семена с места на место. Инструменты современной генетики могут быть различными, но я уверен, что Мендель прекрасно бы понял, чем я занимаюсь во влажном тропическом лесу и для чего все это делается. Тем не менее я сомневаюсь, что он был бы так настойчив в своих экспериментах, если бы знал, какие разочарования ожидают его впереди.

Сказать, что статья Менделя о горохе не наделала много шуму, было бы преувеличением, потому что ее вообще не заметили. С момента публикации в 1866 г. и до рубежа веков статью «Опыты над растительными гибридами» цитировали в научной литературе менее двух дюжин раз. Работа Дарвина, для сравнения, получила несколько тысяч откликов. Когда Мендель представил результаты своих исследований на заседании Общества естествоиспытателей в Брюнне, ему не задали ни единого вопроса. (Сообщение о «живой» реакции аудитории в местной газете, предположительно, было написано его другом или самим монахом.) При жизни Менделя те немногие, кто знал о его исследованиях, либо подвергали их сомнению, либо не понимали. Вполне возможно, что никто даже не выразил ему поддержку при обсуждении его умозаключений. Еще больше ухудшила ситуацию неудачная попытка Менделя повторить полученные результаты на ястребинке. Он не подозревал, что этот небольшой дикорастущий цветок из семейства астровых вообще редко утруждает себя опылением. Вместо этого ястребинка образует странные, одинаковые как клоны семена, которые не проявляют закономерностей наследования, так тщательно прослеженных Менделем у гороха. Это был неудачный выбор, вызвавший у него растерянность и сомнения в своей правоте. Биографы описывают молодого Менделя как одаренного человека, которого обожали ученики и который любил устраивать всяческие розыгрыши. Но в свои поздние годы он все более отдалялся как от общества, так и от науки. В 1878 г. путешествующий торговец семенами не мог убедить пожилого монаха даже поговорить о наследственности: «Меня удивило то, что, когда я спросил Менделя о его работе с горохом, он намеренно сменил тему разговора».

Хотя и невозможно узнать, о чем размышлял Мендель, одна история тем не менее свидетельствует, что он сохранил уверенность в своих результатах и предчувствовал значение, которое они со временем приобретут. Через много лет после смерти Менделя (он умер в 1884 г.) один из монахов вспоминал, как тот не без гордости повторял: «Мое время еще придет».

На моей грядке с горохом пришло время урожая. Стояло позднее лето, и растения поникли на жаре, стручки пожелтели, а горошины созрели и высохли внутри. Хотя Мендель часто работал один, ему помогали монастырские послушники, а также обученный ассистент. Мой персонал состоял из одного трехлетнего Ноа, но его любовь к любым занятиям с семенами сделала сынишку моим горячим единомышленником. Он выдернул растения, сел на тенистой веранде и начал вынимать горох из стручков, а затем молниеносно схватил пригоршню и отправил в рот. За годы до этого я совершил ошибку, взяв с собой собаку на проект по отлову млекопитающих, чтобы потом наблюдать, как она своим лаем мешает собирать многообещающие научные данные. В нынешнем случае я получил свои данные, потому что Ноа выплюнул-таки горох. В отличие от сладкого горошка с огорода его мамы, этот горох был зрелым, твердым и сухим, как сырая чечевица. Ноа ничего не сказал, но посмотрел на меня полным такого осуждения взглядом, что я невольно вспомнил одно из его первых высказываний, произнесенных однажды утром, когда я поставил перед ним его завтрак: «Мама готовит кушать. Папа готовит каку!»

Пока мы обрабатывали кучу стручков, я еще раз поразился невероятному терпению Менделя и огромному объему работы, который ему пришлось проделать, чтобы посчитать все эти семена. Несмотря на то что мой урожай был скромен (его сократил непредвиденный вредитель, к рассказу о котором мы вернемся в главе 8), к тому времени, когда мы покончили с последним стручком, работа приобрела несколько однообразный характер. Но это однообразие тоже было удивительным — на самом деле в нем и заключалась вся суть. Мой эксперимент повторял первый этап исследований Менделя: скрещивание чистых линий двух разновидностей гороха. Я скрестил гладкий, круглый вюртембергский горох с американским сортом под названием Bill Jump с морщинистыми семенами. Если Мендель был прав, доминантные гены, определяющие гладкую форму, должны были полностью подавить гены морщинистости. И теперь, после нескольких месяцев ухода за грядкой, перед нами был в точности ожидаемый результат: небольшая миска гладкого, круглого гороха, как будто гены сорта Bill Jump просто испарились. Я подобрал пригоршню гороха и пропустил их сквозь пальцы, наверное ощущая то же, что и Мендель: удовлетворение от того, что понимаешь процесс настолько хорошо, что можешь предсказать его результаты.

Если что-то уже известно, трудно представить, что это может долго оставаться тайной. Но в течение десятилетий после открытий Менделя никто больше не сумел раскрыть секреты наследования признаков так, как это сделал он. Мендель доживал свою жизнь в Брюнне в безвестности, пока ученые во всем мире пытались понять, как признаки передаются от родителей к потомству. В 1899 г. один отчаявшийся ботаник написал: «Нам не нужно больше общих идей об эволюции. Нам нужно определенное знание об эволюции определенных форм». Словно в ответ на это пожелание на следующий год три исследователя опубликовали вновь открытые ими закономерности наследственности Менделя — так родилась современная генетика. Независимо друг от друга они повторили основные опыты Менделя и пришли к сходным выводам. И каждый из них сделал это тем же способом, что и Мендель: контролируя опыление и исследуя признаки семенных растений: кукурузы, мака, лакфиоли, ослинника, а также гладких и морщинистых сортов обычного гороха.

В природе постоянное перемешивание генов при образовании семян обеспечивает им значительный эволюционный потенциал. В то время как споровые растения осуществляют половое размножение случайным образом и часто сами с собой, семена сочетают гены от двух родителей регулярно и напрямую, используя сложное строение цветков. Эти свойства способствовали появлению огромного разнообразия семенных растений, что позволило им занять ведущее положение практически в любых местообитаниях на суше и ускорило развитие других преимуществ семян, о которых рассказывается в этой книге. Людям это же свойство семян позволило выводить разнообразные сельскохозяйственные культуры — от стручковой фасоли до карамболы — и глубоко заглянуть в процесс эволюции. Но сами по себе гены в семени не были бы для нас так полезны без еще одного качества семян, которое мы воспринимаем как должное.

Выращивание гороха приблизило меня к Менделю, но мне хотелось продолжить его изящный эксперимент на следующий год, чтобы получить знаменитое соотношение три к одному, так же как это сделал он. Если верить решетке Пеннета, то, скрещивая поколение этого года, можно получить предсказуемую долю двойных рецессивов — морщинистого гороха сорта Bill Jump. Выполнить этот план я мог только потому, что знал, что с пакетом сухого гороха, стоящего на полке в Енотовой Хижине, ничего не случится до следующего Дня президентов. На самом деле эти семена могут храниться и два, и три года, и даже дольше — как бы впадая в спячку и пребывая в особом состоянии, своего рода анабиозе. На это качество семян полагаются садоводы и селекционеры, так же как и экосистемы, в основе которых лежат семенные растения, — от грядок гороха до влажных тропических лесов и альпийских лугов. Но то, каким образом семена могут годами и даже столетиями оставаться в состоянии покоя, прежде чем прорастут, — большая загадка, которую ученые только сейчас начинают разгадывать.