Вероятность жизни (Глава 1 часть 3)
Последующие годы экспериментальных исследований не привели к подтверждению направленного наследования физиологических адаптаций организма к условиям окружающей среды. Напротив, накапливался ряд солидных доказательств того, что пангенезиса не существует.
Первые шаги к разделению понятий физиологической адаптации (предмет первого постулата Ламарка) и наследующейся изменчивости (предмет его второго постулата) были сделаны в 1895 году Августом Вейсманом. Он показал, что получение спермием или яйцеклеткой любой информации от окружающей среды является крайне маловероятным событием.
Вейсман задал простой анатомический вопрос: «Где в развивающемся эмбрионе находятся клетки, которые позже становятся яйцеклетками или спермиями взрослой особи?» Изучая медуз, он обнаружил, что половые клетки взрослого организма появляются из клеток-предшественников, которые явным образом отделены от всех других клеток. Только после перехода медузы к стадии взрослого организма, эти клетки мигрируют из своего изолированного места к половым железам.
Изначальная изоляция половых клеток подтвердилась современными исследованиями многих видов животных, включая насекомых и всех позвоночных, как показано на Рисунке 2. Клетки тела, называемые соматическими (от греческого слова soma – тело) являются именно теми клетками, которые испытывают на себе воздействие окружающей среды и отвечают на него. Они не способны влиять на отделенные половые клетки, единственные, которые вносят вклад в следующее поколение. Сравнивая эти два типа клеток, заметно, что половые клетки отдалены и защищены от воздействий окружающей среды. Вейсман считал теорию пангенезиса Дарвина построенной исключительно для ряда специальных, особых случаев. Он деликатно критиковал ее: «Его [Дарвина] предположения, собственно говоря, не объясняют наблюдаемых явлений. Они в известной степени являются простыми пересказами фактов… основанными на спекулятивных рассуждениях.»
Рисунок 2. Изоляция половых клеток в теле. С самого начала, на стадии развивающегося эмбриона, половые клетки отделяются от остальных. Позже они мигрируют к половым железам эмбриона и видоизменяются в яйцеклетки или же спермии. Слева: медуза, пример, приведенный Августом Вейсманом. Справа вверху: насекомые. Справа внизу: млекопитающие.
Идея Вейсмана о различии соматических и половых клеток выдержала испытание временем. Никакое из воздействий окружающей среды, посягающее исключительно на соматические клетки, не может изменить наследуемый следующими поколениями материал, который находится всецело в половых клетках. И наоборот, поскольку половые клетки не несут никаких физиологических функций и, следовательно, путем отбора на них не действует окружающая среда, то никакие из ее проявлений не могут заставить половые клетки передавать выборочно следующему поколению наиболее полезные из изменений. Половые клетки – это безмолвные пассажиры в одном из вагонов поезда-организма, состоящего из соматических клеток с той же самой генетической начинкой. Единственный отбор, который происходит, это отбор на уровне выживания и репродуктивного успеха всего индивида, появившегося из оплодотворенной яйцеклетки. Возможно, основная биологическая выгода изоляции половых клеток от соматических заключается в том, что в этом случае успеха может добиться только весь организм в целом, а не какая-либо эгоистичная группа клеток индивида, способная наиболее сильно влиять на половые клетки. Вейсман дополнил теорию эволюции по Дарвину своим доказательством, основанным на уровне клеточной биологии, которое свело на нет концепцию наследования приобретенных признаков.
Хотя Вейсман и предоставил убедительные доказательства против способствующих эволюции генетических изменений, нельзя сказать, чтобы они прозвучали, как окончательный похоронный звон для подобного рода идей. Изменчивость и наследование определенно являлись сердцем эволюции. И прежде чем заявлять об отсутствии «вспомогательного» влияния генетики на изменчивость, необходимо четкое понимание природы самой изменчивости на физико-химическом уровне. Следовательно, крайне важным оставалось осмысление истоков изменчивости и решение вопроса о том, является ли она случайной или же нет. Но, как будет видно дальше, проблема передачи генетической информации оказалась настолько сложной сама по себе, что в кратчайшее время затмила собой проблему эволюции.
В преддверии того, как в двадцатом веке заново открыли работы Грегора Менделя, стала очевидна важность, но отнюдь не природа изменчивости. В 1894 году, будущий генетик Уильям Бейтсон писал: «Изменчивость, что бы ни было ее причиной… это естественное проявление Эволюции. Изменчивость, фактически, и является Эволюцией. Поэтому кратчайшим путем для решения проблемы Эволюции является изучение фактов Изменчивости.» Он прочесывал мир в поисках причуд природы: людей с восемью пальцами на ноге, двухголовых черепах, лошадей с явно атавистическим образованием в виде нескольких пястных костей, насекомых с удвоенным количеством конечностей. Для Бейтсона это было достаточным доказательством присутствия изменяющихся индивидов в популяциях на вполне заметном уровне.
Бейтсон был знаменит своими исследованиями «гомеозисной» изменчивости (т.е. изменений, схожих с чем-либо существующим). Это привело его к исследованию класса отклонений, характеризующихся дополнительными повторениями анатомических деталей, таких, как лишние пальцы или крылья. Широкое распространение подобных удвоений могло свидетельствовать в пользу безусловно неслучайной изменчивости. Некоторое время спустя, изучение в экспериментальных условиях вызванных за счет мутаций гомеозисных изменений привело к появлению переломных догадок о работе механизмов развития организма. Эти догадки, в свою очередь, послужили основанием для нашей теории способствующей изменчивости.
Однако в 1894 году Бейтсон был, скорее всего, крайне разочарован. В своей книге (объемом почти шестьсот страниц), названной «Материалы по изучению изменчивости«, он так и не смог предложить механизмов появления как гомеозисной, так и любой другой изменчивости. Он лишь отметил, что по-видимому, было нарушено эмбриональное развитие.
Если изучение фенотипической изменчивости в начале двадцатого столетия казалось напрасным делом, то исследования наследственности находились на пике внимания. Второй столб основания теории Дарвина был с триумфом установлен, однако неведение в отношении механизмов фенотипической изменчивости продолжалось вплоть до настоящего времени. На первый взгляд, комбинация из теории генетической изменчивости и теории естественного отбора казалась всемогущей. Но фактически же была решена проблема того, каким образом передается информация от одного поколения другому, а не проблема появления нововведений.
Современная история генетики началась в 1900 году, после переоткрытия статьи Грегора Менделя, датированной 1866 годом «Опыты над растительными гибридами». В то время многие биологи и натуралисты систематически занимались разведением и скрещиванием растений, наблюдая распределение фенотипических отличий в потомстве. Таким образом, работа Менделя получила вторую жизнь и была общепризнана. Как уже было упомянуто, изменчивость организмов может быть разделена на две категории: изменение генотипа и изменение фенотипа. Генетические изменения происходят в абстрактной, но в большей мере управляемой сфере генотипа (определяемого сейчас, как информация, закодированная в геноме; ДНК последовательность из четырех химических букв A, T, G и С). Тогда как фенотипические изменения происходят в наблюдаемой, но по-прежнему приводящей в замешательство сфере анатомии, физиологии, развития и поведения организма. Причем некоторые из изменений передаются по наследству, а некоторые продиктованы организму окружающей средой.
В принципе, после успешного определения ДНК последовательности многих геномов бактерий, грибов, растений и животных, информация о генотипе является точной и полной. Строго говоря, генотип – это ДНК последовательность организма. Нет никаких двусмысленностей. В самом начале развития генетики, выводы в отношении генотипа можно было строить на основе экспериментов по скрещиванию, используя какой-либо из элементов фенотипа в качестве индикатора состояния генотипа. (К примеру, Мендель использовал цвет и шероховатость бобов.) Использование фенотипа для предсказания генотипа было неизбежным, но это был косвенный метод. Сегодня генотип разного рода животных может быть легко прочитан, как ДНК последовательность длиной больше миллиарда букв, что во многом очень похоже на компьютерную программу.