Менделизм предполагает, что проявление наследуемых признаков зависит от наличия физических частиц, существующих в парном виде. Эти «частицы» были названы Менделем элементами, мы же теперь именуем их генами. Менделизм мало что мог сказать об их сути, но весьма четко описывал механизм наследования. И что самое существенное, постепенно выяснилось, что эти выводы относятся не только к гороху, но и ко всем видам, размножающимся половым путем, от дрожжей до человека, и ко всем организмам между ними. Каждый из ваших генов существует в виде пары; вы унаследовали по одному гену от каждого вашего биологического родителя. Они были переданы через сперматозоид и яйцеклетку, слившиеся в момент зачатия.

Наука в последней трети XIX в. не стояла на месте, хотя открытия Менделя оставались без внимания. В частности, ученым наконец удалось получить более четкое представление о клетках, участвующих в процессе деления. Когда была установлена связь между этими наблюдениями и унаследованными частицами, предлагавшимися теорией Менделя, в центре внимания оказалась та роль, которую играл ген.

Одной из начальных подсказок стало открытие микроскопических структур в клетках, похожих внешне на тонкие нити. Первым их обнаружил в 1870-е гг. немецкий военный врач, ставший клеточным биологом, по имени Вальтер Флемминг. С помощью лучших современных на тот период микроскопов он смог описать интригующее поведение данных микроскопических нитей. Флемминг увидел, что, когда клетка была готова к делению, нити расщеплялись пополам в продольном направлении и становились короче и толще. Затем, когда клетка делилась надвое, нити отделялись друг от друга, и одна половина оказывалась в каждой из вновь сформированных дочерних клеток.

То, что увидел, но не понял в то время Флемминг, было материальным воплощением генов, предполагаемых менделизмом передающихся по наследству частиц. То, что Флемминг назвал нитями, мы сегодня называем хромосомами. Хромосомы – это физические структуры, которые есть во всех клетках, содержащих гены.

Примерно в то же время еще одна крайне важная подсказка в отношении генов и хромосом возникла из совсем необычного источника: оплодотворенных яиц нематод, или паразитических круглых червей. В ходе тщательного исследования самых ранних стадий развития нематод бельгийский биолог Эдуард ван Бенеден увидел через микроскоп, что первая клетка вновь образованного зародыша содержит ровно четыре хромосомы – по две от женской и мужской половой клетки.

Это точно совпало с предсказаниями менделевской теории – две группы парных генов, сошедшихся в момент оплодотворения. С того времени результаты ван Бенедена были подтверждены множество раз. Одна половина хромосом находится в мужской половой клетке, а вторая в яйцеклетке, и полный набор генетического материала формируется, когда они сливаются, чтобы получить оплодотворенную яйцеклетку. Сегодня мы знаем, что принципы полового размножения нематод верны также и для всех эукариотических организмов, в том числе и для нас, человеческих существ.

Число хромосом широко варьируется: в каждой клетке растения гороха их 14, у нас 46, а в клетках бабочки Polyommatus atlantica более 400. Ван Бенедену повезло, что у нематод их всего четыре. Было бы больше, сосчитать было бы труднее. Благодаря пристальному изучению сравнительно простого случая круглых червей ван Бенедену удалось краешком глаза увидеть универсальную истину о генетическом наследовании. Однозначно интерпретируемый эксперимент с простой биологической системой способен привести к догадке о том, как в целом организована жизнь. Именно по этой причине большую часть своей жизни исследователя я посвятил простым в строении и легким в изучении клеткам дрожжей, а не более сложно устроенным человеческим клеткам.

Совместный анализ открытий Флемминга и ван Бенедена позволил сделать вывод о том, что хромосомы передают гены между поколениями как делящихся клеток, так и организмов в целом. Не считая немногих особых исключений типа красных кровяных клеток, по мере созревания утрачивающих все свое ядро и, следовательно, все свои гены, любая клетка вашего тела содержит копию всего вашего набора генов. Эти гены в совокупности играют важную роль, руководя процессом развития полностью сформированного тела из одной-единственной оплодотворенной яйцеклетки. И на протяжении всего срока жизни каждого живого организма гены предоставляют клетке важную информацию, которая им нужна для роста и поддержания жизнедеятельности. Отсюда, таким образом, следует, что каждый раз, когда клетка делится, весь набор генов должен копироваться и поровну распределяться между двумя вновь образованными клетками. Поэтому деление клеток можно назвать основополагающим примером биологического воспроизводства.

Другой огромной задачей, вставшей перед биологами, было выяснение того, что же на деле представляют собой гены и как они действуют. Первый большой прорыв случился в 1944 г., когда небольшая группа ученых в Нью-Йорке во главе с микробиологом Освальдом Эвери провела эксперимент, в ходе которого было установлено, из какого материала состоят гены. Эвери и его коллеги изучали бактерии, вызывающие пневмонию.

Им было известно, что безвредные штаммы этих бактерий, смешиваясь с остатками мертвых клеток вирулентного штамма, способны превращаться в опасные, вирулентные виды. Принципиально важно то, что данное изменение было наследуемым; став вирулентными, бактерии передавали это свойство всему своему потомству. Тогда Эвери сделал вывод, что ген или гены передавались в виде химического соединения из останков мертвых опасных бактерий к живым безвредным бактериям, навсегда изменяя их природу. Он понял, что, если ему удастся обнаружить часть мертвых бактерий, отвечающую за это генетическое преобразование, он в итоге сможет продемонстрировать всем и вся то, из чего состоят гены.

Оказалось, что это было вещество, называемое дезоксирибонуклеиновой кислотой, скорее всего известной вам в виде аббревиатуры ДНК, которое и обладало ключевым преобразующим свойством. К тому времени уже было известно, что хромосомы, переносящие гены в клетках, содержат ДНК, но большинство биологов считали, что ДНК – слишком простая и заурядная молекула, чтобы отвечать за столь сложный феномен, как наследственность. Они заблуждались.

Каждая из ваших хромосом имеет в своей основе одну цельную молекулу ДНК. Хромосомы могут быть чрезвычайно длинными и содержащими сотни, а то и тысячи генов друг за другом в цепочке. К примеру, человеческая хромосома номер 2 содержит цепочку из более 1300 генов, а если растянуть этот кусок ДНК, он протянется более чем на 8 сантиметров. Отсюда получаются удивительные статистические данные: 46 хромосом в ваших крохотных клетках вместе составят более 2 метров ДНК. В результате чудес упаковки все это размещается в клетке диаметром всего в несколько тысячных миллиметра. А еще восхитительней то, что, если каким-то образом соединить и потом растянуть все ДНК, свернутые в нескольких триллионах клеток вашего тела, в одну тонкую нить, длина ее составит порядка 20 миллиардов километров. Этого хватит, чтобы протянуть ее от Земли до Солнца и назад шестьдесят пять раз!

Эвери был довольно скромным человеком и не трубил во всеуслышание о своем открытии, при этом ряд биологов подверг критике его выводы.