В отношении каждого из 34 миллионов деревьев гемоглобин А вынес свой вердикт, отобрав в итоге десятка полтора самых экономных деревьев. О каждом из них он отозвался бы приблизительно так:
В этом варианте человек и шимпанзе — близкие родственники, коровы и овцы также, а кенгуру находятся где-то на своей ветке. Это хорошее дерево, потому что мне не придется выполнять почти никакой мутационной работы для того, чтобы объяснить эволюционные изменения. Это очень экономное дерево. Я голосую «за».
Конечно, было бы приятно, если бы гемоглобин А и остальные гены «проголосовали» за одно и то же экономное дерево, но это было бы слишком. Понятно, что среди 34 миллионов деревьев найдется несколько достаточно симпатичных гемоглобину А.
Однако не будем забывать о гемоглобине В, цитохроме С и других белках. Когда все они голосовали за своих кандидатов из 34 миллионов деревьев, можно было бы ожидать, что их вкусы окажутся разными. Могло, например, оказаться, что с точки зрения цитохрома С человек и вправду гораздо ближе к кенгуру, чем к шимпанзе. В отличие от гемоглобина А, цитохром С мог бы, например, сказать, что ему не составит больших (мутационных) затруднений превратить овцу в обезьяну или сделать коров и кроликов близкими родственниками. Если придерживаться креационистской гипотезы, этому ничто не препятствует. Но Пенни и его коллеги обнаружили, что все пять генов голосуют практически одинаково (более того, они оценили вероятность того, что результат мог случайно оказаться таким же). Все гены «проголосовали» за одни и те же деревья, чего следовало ожидать эволюционисту, предполагающему существование одного дерева, связывающего одиннадцать животных в генеалогическое древо — древо эволюционных изменений. Самое любопытное, что дерево, победившее в «голосовании» генов, оказалось именно тем вариантом, который зоологи получили независимо, на основании анатомических и палеонтологических данных.
Результаты исследования Пенни были опубликованы в 1982 году, то есть довольно давно. С тех пор было проделано огромное число детальных исследований на основе конкретных генетических последовательностей разных животных и растений. Консенсусное древо, которое удовлетворяет всех участников «голосования», теперь охватывает куда больше пяти генов и одиннадцати видов оригинального исследования Пенни. Это был просто изящный пример, оказавшийся очень сильным аргументом из-за примененной статистической методологии.
Древо эволюционных изменений по Д. Пенни
Объем генетических последовательностей, накопленный за последнее время, вообще устраняет всякие сомнения. Результаты сравнения генетических деревьев куда более убедительно, чем данные палеонтологии (сами по себе убедительные), сходятся стремительно и безусловно к единому великому древу жизни. На иллюстрации изображено дерево млекопитающих, которых изучал Пенни и его коллеги, но уже с учетом консенсусного голосования гигантского количества частей их генома. Именно постоянная согласованность результатов исследований разных генов позволяет нам быть уверенными не только в точности построения самого дерева, но и в самом факте эволюции.
Если молекулярная генетика и дальше будет развиваться экспоненциально, то к 2050 году секвенирование генома любого существа будет занимать не больше времени и стоить не дороже, чем сейчас измерение температуры или кровяного давления. Почему я считаю, что генетические технологии развиваются по экспоненте? Можно ли измерить скорость их развития? В кибернетике существует аналогичное наблюдение — закон Мура, названный в честь одного из основателей компании «Интел». Поскольку существуют разные метрики производительности компьютеров, есть несколько взаимосвязанных формулировок этого закона. Одна из них гласит: количество элементов, которые можно разместить на интегральной микросхеме, удваивается в течение 18–24 месяцев. Это эмпирический закон, выведенный на основе накопленных данных. Закон Мура выполняется уже около пятидесяти лет и, по мнению многих экспертов, останется в силе по меньшей мере еще несколько десятилетий. Другие формулировки закона Мура относятся к скорости вычислений, объему памяти и другим характеристикам в расчете на единицу стоимости, и все они носят экспоненциальный характер. Еще Дарвин продемонстрировал, что экспоненциальный рост ведет к удивительным результатам. С помощью своего сына Джорджа, математика, он показал, что слон, довольно медленно размножающееся животное, всего за несколько столетий неограниченного экспоненциального размножения может заполнить своими потомками планету. Конечно, слоны не размножаются экспоненциально: их размножение ограничено соревнованием за пищу и пространство, болезнями и другими факторами. Собственно, именно это — в какой момент естественный отбор начинает действовать — хотел показать Дарвин.
Закон Мура действует по крайней мере последние полвека. Никто не знает почему, но компьютерная мощность увеличивается экспоненциально, а дарвиновские слоны размножаются по экспоненте только в теории. Я предположил, что аналогичный закон должен действовать и в отношении генной инженерии. Я поделился своим предположением с Джонатаном Ходжкином, оксфордским профессором генетики, моим бывшим студентом. К моей радости, он уже успел об этом подумать и даже провел необходимые вычисления, оценив стоимость секвенирования ДНК стандартного размера в 1965-м, 1975-м, 1995-м и 2000 году. Я представил, сколько ДНК можно секвенировать за тысячу фунтов стерлингов. Полученные цифры отложил на графике в логарифмическом масштабе, что обычно наглядно для экспоненциально растущих величин (на логарифмической шкале они выглядят как прямые линии). Как и должно быть, все четыре точки Ходжкина лежали почти на прямой. Я подобрал к ним прямую (методом линейной регрессии) и экстраполировал ее на будущее. Когда книга отправлялась в типографию, я показал это место в рукописи профессору Ходжкину и узнал о последнем известном ему достижении в этом направлении — секвенировании в 2008 году генома утконоса. Это само по себе очень интересно, поскольку утконос занимает стратегическое положение на древе жизни: наш общий предок жил 180 миллионов лет назад, почти в три раза раньше, чем вымерли динозавры. Я добавил утконоса в график (отмечен звездочкой) и порадовался, что он оказался близко к предполагаемому положению.
Наклон прямой, построенной на основании зависимости, которую я назвал законом Ходжкина (без его разрешения), чуть более пологий, чем у закона Мура, а время удвоения — чуть больше двух лет против чуть менее двух лет для закона Мура. Генная инженерия сильно зависит от компьютерных технологий, так что естественно ожидать сходства обоих законов.
Стрелками показаны размеры генома разных существ. Проведя прямую от стрелки до пересечения с прямой Ходжкина, можно узнать, когда этот геном можно будет секвенировать за тысячу нынешних фунтов стерлингов. Генома дрожжей нужно ждать до 2020 года. В случае генома млекопитающего (с этой точностью все млекопитающие одинаково сложны) моя оценка — чуть раньше 2040 года. Это фантастическая перспектива: всеобъемлющая база данных ДНК всех животных и растений всех царств за приемлемые деньги. Детальное сопоставление ДНК закроет все бреши в знаниях об эволюционном родстве видов и даст нам древо жизни всех живых существ[155]. И как мы только будем рисовать его? Никакого листа не хватит.
Закон Ходжкина
Самый масштабный проект в этой области был предпринят группой Дэвида Хиллиса (брата разработчика суперкомпьютеров Дэнни Хиллиса). График Хиллиса позволяет представить дерево в более компактном виде посредством наложения на круг. Разрыв, где концы встречаются, почти не виден: он находится между бактериями и архебактериями. Взглянем, например, на сокращенную версию, которую зоолог Клэр Д’Альберто из Мельбурнского университета вытатуировала у себя на спине (интерес Клэр к зоологии поверхностным точно не назовешь). На татуировке (цветная вклейка 25) небольшая выборка — всего 86 видов: именно столько изображено терминальных веточек. Глядя на разрыв на круговом графике, можно представить, что круг развернули.
График Хиллиса
Несколько иллюстраций с края — бактерии, простейшие, растения, грибы и четыре других типа животных — выбраны для наглядности. Позвоночные представлены морским драконом — удивительной рыбой, которая защищается, маскируясь под водоросли. График Хиллиса устроен точно так же, однако включает три тысячи видов. Их названия нанесены с внешней стороны круга, но так мелко, что их трудно прочесть, поэтому вид Homo sapiens отмечен особо. Даже столь подробный чертеж покрывает лишь небольшую часть древа жизни: ближайшие родственники человека на нем — крысы и мыши. Число млекопитающих пришлось сильно сократить, чтобы остальные ветви вошли до той же глубины. Попробуйте вообразить себе дерево с десятью миллионами видов вместо трех тысяч у Хиллиса. И, замечу, десять миллионов — не самая вызывающая оценка числа существующих видов. Советую скачать древо Хиллиса на его сайте[156], напечатать и повесить на стену, если, конечно, найдете лист бумаги шириной не менее 137 см.