Происхождение эволюции. Идея естественного отбора до и после Дарвина - Джон Гриббин

уважаемым физиком и работал в Лидском университете. Его сын Уильям Лоуренс Брэгг (1890–1971; его всегда называли Лоуренс) был физиком начинающим и работал в Кембридже. Поначалу Уильям попытался объяснить полученную немецкими коллегами дифракционную картину, считая свет потоком частиц, но вскоре убедился, что она имеет волновое происхождение. Отец с сыном обсудили значение этого открытия и пришли к выводу, что, скорее всего, можно спланировать эксперимент в обратном порядке и определить строение самого кристалла, проанализировав расположения темных и светлых пятен на дифракционной картине. Лоуренс разработал ряд правил, которые определяли местоположение темных и светлых пятен, когда пучок рентгеновских лучей с определенной длиной волны проходил через кристалл с определенным расстоянием между атомами. Это стало называться законом Брэгга. Закон работал в обоих направлениях. Если вы знаете расположение атомов в кристалле, то можете использовать дифракцию для измерения длины волны рентгеновских лучей. Если же вам известна длина волны, то вы можете использовать дифракцию, чтобы определить расположение атомов в кристалле. Лоуренс применил свой закон для интерпретации дифракционных картин, полученных в Мюнхене, но для детальных расчетов ему не хватало информации о длине волны рентгеновских лучей, которые его коллеги использовали в ходе экспериментов. Поэтому Уильям провел собственные опыты и изобрел первый рентгеновский спектрометр, прибор для точного измерения длины волны рентгеновских лучей. К данным этих экспериментов был применен закона Брэгга. Как только было точно доказано, что рентгеновские лучи ведут себя как волны, их можно было использовать для анализа строения кристаллов, и именно поэтому они важны для истории изучения ДНК.

Повести анализ такой сложной структуры, как ДНК, состоящей из множества различных типов атомов, чрезвычайно трудно. Но с менее сложными кристаллами работать проще, и вскоре с помощью этого метода было, например, установлено, что кристаллы хлорида натрия (пищевой соли, NaCl) состоят не из отдельных молекул NaCl, но из трехмерной решетки атомов натрия (Na) и хлора (Cl), регулярно чередующихся друг с другом. Свои исследования Брэгги описали в книге «Рентгеновские лучи и строение кристаллов» (X-rays and Crystal Structure), изданной в 1915 г., когда Лоуренс служил в британской армии во Франции. В том же году они с отцом получили Нобелевскую премию по физике «за заслуги в исследовании кристаллов с помощью рентгеновских лучей». На тот момент Лоуренсу было всего 25 лет, и он стал самым молодым нобелевским лауреатом по физике за всю историю премии. В своей нобелевской лекции он сказал:

Изучение кристаллической структуры с помощью рентгеновских лучей впервые дало нам представление о подлинной организации атомов в твердых телах… Кажется, вряд ли есть такой тип материи, находящейся в состоянии твердого тела, который бы мы не могли попытаться проанализировать с помощью рентгеновского излучения. Нам впервые стало известно точное расположение атомов в твердых телах; мы можем увидеть, на каком расстоянии друг от друга расположены эти атомы и как они сгруппированы.

Именно благодаря этому открытию несколько десятков лет спустя будет изучено строение белков и ДНК. Но сперва надо было установить центральную роль ДНК в процессе наследования признаков, а это начало происходить только в конце 1920-х гг.

Следующим шагом стали эксперименты, которые опять позволили наблюдать за более быстрыми изменениями. Горох Менделя давал только одно поколение в год, что ограничивало его полезность в изучении наследственности. Дрозофилы Моргана давали потомство каждые две недели. В 1928 г. Фредерик Гриффит (1879–1941), английский врач, работавший на Министерство здравоохранения Великобритании в Лондоне, начал работать с бактериями, изменения в которых ученые могли наблюдать в пределах нескольких часов; это также позволило биологам приблизиться к пониманию того, какие молекулы играют ключевую роль в механизме наследственности. Гриффита в первую очередь интересовала не наследственность; он изучал бактерии как возбудителей болезней, а не как модельный объект в области генетики. Но параллельно он сделал открытие, которое оказалось важнейшим для понимания эволюции.

Эпидемия испанки 1918–1920 гг. унесла жизни порядка 50 млн человек — больше, чем погибло на полях сражений Первой мировой войны. После нее правительства многих стран расширили свои программы по исследованию инфекционных заболеваний. Гриффит сконцентрировался на изучении пневмококков (это группа бактерий, вызывающих пневмонию), чтобы разработать вакцину от пневмонии. В начале 1920-х гг. он начал работать с двумя штаммами пневмококков, которые оказывали очень разное воздействие на мышей. Бактерии одного штамма были покрыты гладкой оболочкой из полисахарида, которая придавала их культуре глянцевый вид. Этот штамм назвали «гладким» или S (от англ. smooth). У другого штамма не было такой оболочки, и его колонии выглядели шероховатыми и морщинистыми. Этот штамм назвали «морщинистым» или R (от англ. rough). Штамм S очень активен и вызывает тяжелую форму инфекции, а штамм R малоактивен и вызывает лишь легкое протекание болезни (существует еще третий штамм пневмококков, но Гриффит его не использовал). До Гриффита бактериологи считали, что каждый из трех штаммов пневмококков абсолютно автономен и обладает свойствами, которые не меняются из поколения в поколение. Гриффит знал, что в теле человека (или мыши), пораженном пневмонией, могут одновременно присутствовать разные — смертельные и не смертельные — штаммы пневмококков, и провел эксперименты, чтобы выяснить, как это может повлиять на перспективы разработки вакцины.

Когда организм заражается морщинистым штаммом пневмококка, иммунная система легко распознает бактерии как захватчиков и уничтожает их, прежде чем они успевают причинить серьезный вред. Оболочка гладкого штамма действует как камуфляж, который прячет бактерии от иммунной системы, поэтому они беспрепятственно размножаются и провоцируют тяжелое заболевание и даже смерть. Гриффит продемонстрировал, что зараженные морщинистым штаммом мыши выживали, а мыши, зараженные гладким, погибали. Затем он ввел мышам бактерии штамма S, которые были убиты при помощи тепловой обработки. Мыши выжили, но после этого Гриффит получил поразительный результат, о котором он сообщил в январе 1928 г.

В следующей серии экспериментов Гриффит смешал безвредные мертвые гладкие бактерии с безвредными живыми морщинистыми бактериями и ввел их мышам. Все мыши погибли. Ни одна из этих форм бактерий не могла убить организм, но их смесь оказалась смертельной. Когда он извлек образцы тканей из мертвых мышей, он обнаружил, что они кишат живыми гладкими пневмококками. По выражению Гриффита, живые морщинистые бактерии «трансформировались» в живые гладкие бактерии. Он объяснил это тем, что некий трансформирующий фактор — сегодня мы называем его генетическим материалом — передался от мертвых гладких бактерий живым морщинистым бактериям, за счет чего они «научились» синтезировать гладкую оболочку. В ходе дальнейших экспериментов бактерии после трансформации в