Требуется сборка. Расшифровываем четыре миллиарда лет истории жизни – от древних окаменелостей до ДНК - [42]

Оно начал со сравнения хромосом млекопитающих – от крохотных землероек до жирафов. Он получал клетки животных разных видов из зоопарков и других мест и быстро обнаружил значительное расхождение в количестве хромосом у животных разных видов – от всего 17 пар у ползучей полевки до 84 пар у черного носорога.

Далее Оно сделал нечто элегантно простое, но значительное по последствиям. Он взвесил вырезанные фотографии хромосом каждого вида. Он предположил, что масса фотографий может служить приблизительной оценкой общего количества генетического материала в клетке животного. Он взвешивал вырезанные фотографии, а не сами хромосомы, но его интересовали относительные величины. Для выполнения этой работы изображения хромосом нужно было вырезать самым тщательным образом. И когда он взвесил изображения 17 хромосом полевки и 84 хромосом черного носорога, он выяснил, что общая масса хромосом у всех видов практически одна и та же. Действительно, вырезанные изображения хромосом млекопитающих разных видов, от слона до полевки, весили одинаково. Оно решил, что одинаковая масса фотографий хромосом отражает сходство суммарной массы самих хромосом у разных видов млекопитающих. И это сходство оказалось общим для всех млекопитающих, несмотря на различия в количестве хромосом.

Оно включил в свои сравнительные исследования других существ: имеют ли разные виды земноводных и рыб такое же количество генетического материала? Саламандры разных видов выглядят похожими, и Оно подумал, что у них должно быть примерно одинаковое количество генетического материала. Он вырезал фотографические изображения хромосом и, взвесив их, был очень удивлен: разные, но схожие в анатомическом плане виды саламандр имели совсем разное количество ДНК – у некоторых видов ДНК в клетке было в пять или десять раз больше, чем у других. То же самое произошло с лягушками. Кроме того, количество генетического материала в клетках земноводных обеих групп намного превышало количество генетического материала в клетках человека и других млекопитающих. У некоторых саламандр и лягушек в 25 раз больше генетического материала, чем у человека.

С помощью вырезанных фотографий Оно открыл нечто, что через несколько десятилетий подтвердилось при выполнении геномных проектов, стоивших миллиарды долларов. Сложность организации животного и различия между видами не соответствуют количеству генетического материала в их клетках. Поскольку саламандры разных видов в целом выглядят похожими, хотя один вид может иметь в десять раз больше ДНК, чем другой, и этот дополнительный генетический материал, по-видимому, не связан с какими-то наблюдаемыми различиями в анатомии животных, Оно предположил, что в геноме саламандр и других видов содержится множество участков бессмысленной ДНК. Эта ДНК, используя его выражение, является “мусорной”.

Оно обратил внимание, что саламандры с крупными геномами также имеют странный характер расположения полос на хромосомах: казалось, целые куски появились в результате повторения или удвоения полос. По мнению Оно, вся дополнительная ДНК в клетках саламандр и лягушек возникла в результате дупликации, как будто какие-то части генома копировались по многу раз. Вся “мусорная” ДНК возникла из-за бесконтрольного копирования. Оно предположил, что безудержное копирование было одним из главных механизмов важнейших превращений в истории жизни. Подобно хорошему сыщику, он попытался понять, как это произошло и какие из этого следуют выводы относительно эволюционного прошлого.

Оно знал, что при делении клеток происходит копирование хромосом и в этом процессе могут возникать ошибки. Сотрудники Моргана в “мушиной комнате” наблюдали за делением клеток. Прокрашивая хромосомы для визуализации полос, они смогли увидеть, как происходит копирование и какие ошибки возникают в клетках. Большинство животных имеют в каждой клетке два набора хромосом – по одному от каждого из родителей. У человека 23 пары хромосом, и в каждой паре есть одна хромосома матери и одна хромосома отца, так что всего каждый из нас имеет 46 хромосом. Но хотя в большинстве наших клеток содержатся две копии каждой хромосомы, в сперматозоидах и яйцеклетках копия всего одна. При образовании сперматозоидов и яйцеклеток происходит репликация ДНК и копирование хромосом, но в каждый сперматозоид или яйцеклетку попадает лишь один набор. Однако иногда случаются ошибки. При копировании хромосом новые пары могут обмениваться материалом. Если обмен неравный, одна хромосома получает больше копий генов, другая меньше. Этот процесс может привести к рождению потомства с дополнительными копиями одного и того же гена и, следовательно, с геномом более крупного размера, что и наблюдал Бриджес в случае дрозофилы с маленькими глазками или Оно, когда взвешивал фотографии.

Еще один тип ошибок может повлиять на весь геном в целом. После копирования хромосомы попадают в новые сперматозоиды и яйцеклетки. Если они распределяются неправильно, в некоторых сперматозоидах и яйцеклетках могут оказаться дополнительные хромосомы. В данном случае происходит дупликация не какого-то одного гена, а многих тысяч генов, которые могут находиться на этой хромосоме. И такой сперматозоид или такая яйцеклетка может дать начало эмбриону не с нормальным двойным набором хромосом, но с дополнительной заблудившейся хромосомой или с целой группой таких хромосом. Вместо двух копий каждой хромосомы сперматозоид или яйцеклетка могут иметь три копии или более.