Причины этого взрыва до сих пор являются предметом споров. Возможно, здесь сошлось несколько факторов. Но основной предпосылкой, по всей видимости, стало появление новой системы генов, которая развилась у многоклеточных организмов в процессе становления. И эта система, в основе которой лежали так называемые гомеозисные гены, сотворила настоящее чудо: она определила, где у многоклеточных перед и зад, верх и низ, правая и левая сторона. Теперь клетки организма получили важную информацию: «Я нахожусь спереди!» или «Я в заднице». Как следствие, у живых организмов появились сложные планы по строительству собственного тела. Теперь они могли размещать органы чувств и конечности в самых оптимальных местах. Это существенно облегчает жизнь в целом и процесс надевания брюк и свитеров в частности.

Гомеозисные гены – обязательный компонент, имеющийся у каждого представителя животного царства. Они содержат инструкции по производству белков, которые хотя и отличаются друг от друга у разных видов животных, но имеют одинаковый фрагмент ДНК – гомеобокс (отсюда и название «гомеозисные»). Здесь закодирована часть белка, дающая гомеозисным белкам возможность удерживаться на последовательностях ДНК. Это как раз то место, где белки выполняют свою работу: контролируют множество других генов и определяют, какой вид будет иметь клетка, в которой они в данный момент активизируются. Особенно хорошо работа гомеозисных генов изучена у плодовых мушек дрозофил. Обычно различные гомеозисные гены расположены в наследственном материале группами, друг за другом. Их очередность соответствует тем обязанностям, которые возложены на них в организме. Первые отвечают за голову, а последние – за заднюю часть туловища. Если возникает какая-то путаница, то изменения в плане строительства могут оказаться катастрофическими. Так, например, мутация может привести к тому, что у мухи вместо усиков-антенн на голове вырастут ноги или появятся четыре крыла вместо обычных двух.

Сцена третья

Арчибальд ползет по болотистой почве. Его внешний вид сильно изменился.

Арчибальд: Ага, вот мы снова и встретились!

Голос из ниоткуда: Хм? Это ты? Я тебя и не узнал.

Арчибальд: Ничего удивительного. Я усиленно поработал над собой. Посмотри, что я умею! (Поворачивается вокруг своей оси.)

Голос из ниоткуда: Хм-м-м… Забавно.

Арчибальд: То-то. Я все-таки разгадал эту загадку. Простое увеличение в размерах ничего не дает. Все дело в кооперации. Я теперь многоклеточный.

Голос из ниоткуда: Да, это существенное усовершенствование.

Арчибальд: Усовершенствование? Да я венец творения! Я воплощение чуда жизни! Я шедевр биологии! Короче говоря, я…

Голос из ниоткуда: Червяк.

Арчибальд: Да, я такой! У меня даже рот есть! Вот, посмотри… А-а-а… Голос из ниоткуда: Хорошо-хорошо, можешь закрыть…

Простые круглые черви, или нематоды, вроде Арчибальда относились, пожалуй, к самым первым проектам многоклеточных животных. Процветают они и в наши дни. Червяк, с помощью которого мы многое узнали о строении сложных многоклеточных организмов, носит название Caenorhabditis elegans(элегантная новая палочка). Он имеет всего около миллиметра в длину и питается бактериями. Свою известность этот маленький червячок приобрел благодаря Сиднею Бреннеру, которого тоже нельзя причислить к гигантам. Бреннеру захотелось узнать, как развиваются органы и целые организмы, и в середине 1960-х годов он выбрал себе в качестве модели С. elegans. Решение оказалось на удивление правильным, так как в 2002 году Бреннер за свои исследования получил Нобелевскую премию.

Сидней Бреннер присутствовал при зарождении молекулярной биологии. Он как раз учился в докторантуре Оксфорда, когда Уотсон и Крик в соседнем Кембридже раскрыли тайну структуры ДНК. Затем Бреннер стал членом «Клуба галстуков РНК», а спустя 20 лет даже работал в одном кабинете вместе с Фрэнсисом Криком. У Бреннера был острый ум, не менее острый язык и еще более острое перо. Он был известен своей склонностью к каламбурам и игре слов. Говорят, что однажды он сильно озадачил одного бюрократа, когда тот начал рассуждать на свою любимую тему об оплате в зависимости от результатов труда, а Бреннер возразил, сказав, что ему больше нравится система, при которой результаты труда зависят от оплаты.

Когда самые серьезные вопросы с ДНК и РНК были разрешены, Бреннер и Крик обратились к новым темам. Оба хотели больше узнать о развитии многоклеточных организмов. Вот так Бреннер и занялся червем. Крик же взялся за изучение дрозофил, хотя это была очень сложная задача. Во всяком случае, Бреннер вспоминал, что Крик однажды изо всех сил швырнул на стол книгу со словами «Одному Богу известно, как действует этот имагинальный диск» (имагинальным диском называется область тела личинки дрозофилы, из которой появляются ноги, усики и т. п., – только не спрашивайте, как это происходит…). Бреннер отразил этот эпизод в коротенькой истории и опубликовал ее в своей колонке, которую на протяжении многих лет вел в одном из научных журналов:

Фрэнсис Крик оказывается у райских врат. Там его встречает апостол Петр, но Крик настаивает на том, чтобы его представили лично Всевышнему. После продолжительных переговоров его ведут в небольшой домик возле свалки на самом краю небес. Там что-то мастерит невысокий мужчина в комбинезоне с торчащим из заднего кармана гаечным ключом.

– Боже, перед вами доктор Крик, – представляет апостол. – Доктор Крик, это Бог.

– Очень рад с вами познакомиться, – говорит Фрэнсис. – Я хочу спросить у вас: как функционируют имагинальные диски?

– Ну, мы берем кое-что вон оттуда и добавляем пару других вещей… Вообще-то мы и сами этого точно не знаем… Но я должен вам сказать, что мы производим мух уже 200 миллионов лет, и до сих пор не было никаких жалоб!

Почему же Бреннер выбрал в качестве объекта изучения именно С. elegans? В его пользу говорят несколько факторов: у этого червя нет сердца и крови, он достаточно прозрачен, не имеет ни легких, ни скелета. Короче говоря, С. elegans весьма просто устроен, и в нем легче разобраться, чем в более сложных животных. Важным было и то, что этот круглый червь всегда состоит из одного и того же количества клеток, а именно из 959 для особи-гермафродита (самок у него не бывает) и 1031 для мужской особи. Дополнительные клетки сосредоточены преимущественно в нервной системе и заднем проходе. В целом это червь, но в нем можно подробно рассмотреть все клетки. Поэтому сегодня мы знаем, когда, где и каким образом появляется и развивается каждая из них. Существует даже своего рода план сборки С. elegans, в котором все подробно описано.

Перед вами краткий рецепт по изготовлению червя. Для этого вам понадобятся:

302 нейрона + 56 вспомогательных клеток нервной системы;

213 клеток кожи (некоторые из которых слились в многоядерные клетки); 152 мышечные клетки;

143 клетки половых органов;

34 клетки кишечника;

8 клеток заднего прохода

и еще 51 клетка других видов, которые мы в целях экономии места обозначим как прочие.

Раз ужу нас есть такой подробный перечень клеток, можно сразу заняться вопросом, почему они подразделяются на нейроны, мышечные клетки и т. д., хотя в каждой из них содержится один и тот же набор генов.

Причина различий между клетками заключается в том, что в наследственном материале заложены все возможные инструкции по строительству. Но для использования всегда выбираются те, которые соответствуют данному типу клетки. Все остальные гены упаковываются таким образом, что становятся недоступными. В ядре эту задачу выполняют гистоны – относительно небольшие молекулы белков, по внешнему виду похожие на катушку, на которую наматываются короткие фрагменты ДНК. При слиянии нескольких гистонов, обернутых ДНК, возникают все более крупные и упорядоченные структуры. Высшую степень упорядоченности представляют Х-образные хромосомы, которые можно наблюдать в момент деления клеток. Однако в обычных условиях порядки в ядре не столь строги и фрагменты ДНК, которые используются в данный момент, в значительной степени «распакованы», чтобы можно было считывать расположенные на них гены. Степень доступности гена регулируется химическими маркерами на гистонах и самой ДНК.