Дарвинизм в XX веке
Шрифт:
Итак, причинность в микромире статистическая. Мы можем говорить лишь о вероятности того или иного явления, в данном случае мутации. Выводы квантовой механики ежечасно подтверждаются практикой (без них невозможен был бы расчет любого ускорителя или ядерного реактора). Заключение может быть только одно — квантовая механика постулирует принципиальную ненаправленность, случайность генетических изменений, которые носят характер дарвиновской неопределенной изменчивости.
Из всего этого вытекает еще одно любопытное следствие. В неживом мире один-единственный квантовый скачок ничего не значит. Значение имеет лишь квантовый скачок, приводящий к мутации; он может существенно изменить свойства и структуру макротела — организма, а впоследствии — популяции и обрести воистину глобальные масштабы.
Этот принцип, названный Н. В. Тимофеевым-Ресовским принципом усиления,
Если бы на пути «принципа усиления» — а это не что иное, как положительная обратная связь — термин кибернетики, под который подпадает и взрыв, и скат горной лавины — не вставали отрицательные обратные связи, жизнь была бы невозможной. Отрицательные связи, гасящие колебания, обеспечивают относительную стабильность нашего существования. Но порой они оказываются недостаточными — ведь вспышки гриппа и иных болезней объясняются в первую очередь концентрацией людей в городах и развитием транспорта, К плодам цивилизации мы, право, еще не успели приспособиться.
Изменить структуру гена пытались и химическим путем, воздействуя на клетки разными химикалиями. Этот метод имел свои преимущества: определив, какие вещества ускоряют мутагенез, мы можем с достаточной долей вероятности говорить не только о стабильности, но и о химическом составе гена. Однако успеха в этом направлении долго не удавалось добиться — слишком сильнодействующие химикалии убивали саму клетку, а иные мутагенез не ускоряли.
Геномные мутации — удвоение хромосомного набора — были получены И. И. Герасимовым еще в 1892 году в клетках нитчатой водоросли спирогиры под воздействием низкой температуры, хлороформа и хлоралгидрата. Об этих опытах забыли. Лишь в 1937 году А. Блексли установил, что вещество, выделенное из ядовитого растения безвременника (по-латыни колхикум, от старого названия Закавказья — Колхида, отсюда и вещество назвали колхицином), препятствует расхождению хромосом по клеткам во время деления. Обработка колхицином стала стандартным способом получения полиплоидов. Еще древние римляне пытались лечить колхицином подагру; ныне им лечат, иногда с успехом, некоторые формы рака. Однако механизм действия колхицина стал известен лишь в последние годы.
При делении клетки хромосомы растягиваются в разные стороны сокращающимися нитями специального образования, возникающего в клетке при митозе, — митотического веретена. Колхицин, присоединяясь к этим белковым нитям, блокирует их сокращение, отчего хромосомы не расходятся, а остаются в одной клетке. Механизм митоза и мейоза очень консервативен, поэтому действие колхицина одинаково на все клетки животных и растений. Но есть и исключение: обычное лабораторное животное — сирийский, или золотистый, хомячок. Он весьма устойчив к колхицину, так как сформировался как вид в пустынной местности, где ему часто за неимением иной пищи приходилось питаться безвременником. Это, кстати, хороший пример могущества естественного отбора. Даже столь древний признак, как белок веретена, сформировавшийся не менее миллиарда лет назад, подвержен изменчивости; а как только появляется новый фактор отбора, он сможет отобрать приспособленных мутантов.
Но вернемся к химическому мутагенезу. Еще в 1932–1934 годах советские генетики В. В. Сахаров и М. Е. Лобашов независимо друг от друга впервые получили точковые мутации у дрозофилы с помощью йода и других веществ. Эффективность первых мутагенов по сравнению с рентгеном была весьма низкой, поэтому открытие прошло незамеченным — все научные силы были брошены на исследование мутаций, вызванных рентгеновским излучением. Ученые, разрабатывающие новую отрасль, нередко напоминают игроков плохой футбольной команды, которые, сломя голову, кучей бегут за мячом, не видя ничего вокруг. А жаль! Хотя первые мутагены были и малоэффективны, они вызывали одни мутации чаще, чем другие. Иными словами, они действовали специфично, а это недвусмысленно говорило о различиях в химическом составе генов. Удалось также установить, что в одни периоды жизни клетки гены более доступны, чем в другие, что могло пролить свет на
Скачок в изучении химического мутагенеза произошел тогда, когда советский генетик И. А. Рапопорт открыл мутагенное действие формальдегида (1946), а впоследствии открыл супермутагены, вызывающие мутации почти у 100 % обработанных ими особей. Ш. Ауэрбах установила, что сходный эффект вызывают некоторые производные иприта. В последнее время химический мутагенез усиленно изучается и имеет большое практическое значение.
Специфичность действия мутагенов породила необоснованные надежды на возможность получения желаемых мутаций «по заказу». В печати иногда появляются сообщения о синтезе чудодейственных мутагенов, вызывающих направленные мутации. Это неверно: мутагены, как и излучение, могут вызвать желаемую мутацию лишь случайно. Чтобы получить мутацию «по заказу», нужно заставить мутаген прореагировать с определенным местом нужного гена (а генов в клетке много тысяч, мы не знаем расположения большинства из них и лишь в редких случаях можем предсказать ожидаемый фенотипический эффект). Поэтому проблема так называемых направленных мутаций вряд ли будет решена в обозримом будущем. Парадоксально, но направленно изменить наследственность оказалось проще другим путем: синтезировать ген заново и включить его в геном изменяемой клетки (оба этапа этой работы уже выполнены на модельных объектах).
Таким образом, исследования по химическому и радиомутагенезу лишний раз подтвердили принципиальную ненаправленность, случайность генетических изменений. Адекватности (соответствия) при мутациях не наблюдается, они носят характер дарвиновской неопределенной изменчивости. Самым важным в этих работах оказалось, однако, то, что они позволили оценить порядок величины генов и их стабильность. Как писал в то время Т. Морган, «мы легко можем оказаться на дороге в обетованную землю, где биологические явления могут рассматриваться как явления физические и химические».
До обетованной земли — молекулярной биологии — оставались считанные годы. Точнее, она уже тогда существовала, но никто, за исключением немногочисленных предтеч — в первую очередь академика Н. К. Кольцова, — не мог предвидеть ее грядущего величия.
Быть может, все началось с эффекта трансформации. Американский бактериолог Ф. Гриффитс в 1928 году изучал пневмококки, вызывающие воспаление легких у мышей. В его распоряжении было два штамма. Кокки одного исправно убивали мышей; их клетки могли одеваться капсулами (S-штамм). Второй штамм — R болезни у хвостатых мучеников науки не вызывал и капсул не образовывал.
Схема опыта по трансформации бактерии. Активный штамм S убивает мышей (1), неактивный R — не убивает (2). Убитые подогревом бактерии S не действуют на мышей, но если смешать их с неактивными R, передают им смертоносность (3, 4).
Гриффитс убил клетки S-штамма нагреванием, смешал с живыми клетками R-штамма и вспрыснул мышам. Через 3–5 дней мыши погибли, и из крови были выделены живые закапсулированные кокки S-штамма.
Опыт мог толковаться однозначно: убитые кокки выделяют какое-то вещество, которое внедряется в клетки живых, передавая им наследственные свойства. Легко было предположить, что это и было загадочное «вещество наследственности» — материал, из которого состоит ген. Однако, что это за вещество — никто не знал, хотя выбор был достаточно ограничен. Хромосомы всех организмов состоят из двух веществ — белка и дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), в то время именовавшейся тимонуклеиновой, или просто тимонуклеином. Наш замечательный биолог Н. К. Кольцов еще в 1927 году предсказал, что гены должны быть огромными нитевидными молекулами, соединяющимися в хромосоме в одномерную последовательность. Далее он уверенно говорил о самоудвоении гена, его матричном синтезе. И лишь в одном Кольцов ошибся: субстратом гена он считал белок, ибо тимонуклеин в те годы казался чересчур простым соединением: «Наиболее специфическая окраска для хроматина, так называемая фельгеновская, оказалась реактивом на тимонуклеиновую кислоту, то есть сравнительно простое органическое соединение, которому было бы странно приписывать роль носителя наследственных свойств. Притом же в промежутках между двумя делениями клеток это вещество пропадает (то есть перестает окрашиваться специфической краской — реактивом Фельгена. — Б. М.), между тем как структуры, приписываемые хромосомам генетиками, настолько сложны, что было бы безумием допускать возможность хотя бы и временного их распада».