Взлет и падение Лысенко. История биологической дискуссии в СССР (1929-1966)
Шрифт:
С тех пор прошло более 25 лет— для науки большой срок, во всяком случае, вполне достаточный для того, чтобы новое направление окрепло и проявило свои силы не только на поприще административного разгрома своих противников.
Выше были рассмотрены в основном негативные события биологической дискуссии, ее методы, стиль, последствия. Однако теоретическая сторона продолжавшейся полемики оставалась пока без серьезного анализа. Между тем интересно узнать, какие успехи были сделаны за этот период в решении тех проблем наследственности и изменчивости, из-за которых и начался великий спор в биологии и которые были центральным звеном дискуссии в течение многих лет, заполненных непрерывными схватками.
Несмотря на решения «исторической» сессии ВАСХНИЛ в августе 1948 года, объявившей классическую генетику «лженаукой», реакционным морганизмом-менделизмом, развитие этой науки не было остановлено. Распространить решения сессии на весь мир не удалось, несмотря на то, что стенографический отчет был в 1949
Но все же далеко не весь мир принял на веру постулаты нового учения, и работа по изучению «наследственного вещества» продолжалась во многих лабораториях. Исследования в этом направлении не просто продолжались, а развивались стремительными темпами, оказывая революционизирующее влияние на смежные области науки: биохимию, биофизику, цитологию. Почти каждый год приносил сообщения о крупных открытиях, и механизм наследственности становился все более понятным. Уместно осветить вкратце основные этапы нового развития и дать характеристику главных открытий.
Достижения классической генетики и смежных с нею наук
Раскрытие биохимической структуры и функций генов
Хотя существование генов как дискретных единиц наследственности в 1936 году, как мы видим, было фактически обосновано, биохимическая природа и механизм их влияния на обмен и формообразование оставался все же предметом гипотез.
Были ясны и свойства генов — их дискретность, способность к точной саморепродукции, их стабильность и одновременно мутабильность, их способность влиять на внутриклеточные процессы, линейное расположение и т. д., однако биохимическая природа структур, обладающая этими свойствами, оставалась неясной. Примерно с 1940 года внимание исследователей в биохимической характеристике генетического материала начало переключаться с белков на нуклеиновые кислоты и прежде всего — на дезоксирибонуклеиновую кислоту — ДНК, которая содержится в клетках, именно в хромосомах. Ряд свойств ДНК указывал на то, что она является полимером более высокого порядка, чем белки, что она может «управлять» синтезом белков и что она, по-видимому, и является основным субстратом «вещества наследственности».
Изучение этой проблемы велось в нескольких направлениях. С одной стороны, вопрос решался биохимиками, изучавшими синтез белков. Основное участие в синтезе белков, как оказалось, принимает аналог ДНК — рибонуклеиновая кислота, или сокращенно РНК Синтез белков в клетке оказался процессом особого рода — он подобен сборке сложной машины из разных деталей. Разные детали — это аминокислоты, их 20 типов, и построение белковых цепей из этих деталей весьма специфично. Именно последовательность деталей определяет, какой из сотен тысяч белков создается в клетке, прочный ли коллаген, из которого строится хрящевая ткань, или ещё более прочный эластин — основа стенок кровеносных сосудов, или рибонуклеаза — белок-фермент со сравнительно небольшой молекулой, построенной из 124 аминокислотных деталей, или же гаммаглобулин — основа иммунных свойств живой ткани, белок, молекулы которого в десятки раз крупнее, чем молекулы рибонукдеазы.
Как гены управляют синтезом белков
О десятках важнейших белков известно уже все — из каких аминокислот и в какой последовательности они собраны и как складывается их длинная цепь, образуя объемную округлую или удлиненную структуру. Но как бы ни были многообразны свойства белков, сколь бы ни были многочисленны химические реакции, катализируемые белками — ферментами, они не способны к ауторепродукции, к «самообразованию». Для того чтобы данный белок образовался, нужна матрица, нужен шаблон, необходимо какое-то сборочное устройство. И вот такой матрицей оказалась рибонуклеиновая кислота (сокращенно — РНК), полимер совсем особого рода. Ее назвали матрицей по аналогии с газетной, и внешне это было правильно, ибо белок формируется именно на поверхности РНК, и нуклеотидное строение поверхности предопределяет структуру белков. И как типографские матрицы могут быть посланы из столицы в другие города для того, чтобы на месте печатать с них большие тиражи газет, так и рибонуклеиновая кислота, образуемая в ядрах на поверхности ДНК, посылается из ядра клетки на периферию — в цитоплазму, где на ее поверхности начинают образовываться разнообразные белковые молекулы.
Раскрытие этих взаимосвязей не было делом теоретических абстракций — оно основывалось на экспериментальных открытиях, на тысячах фактов, установленных в сотнях лабораторий. Теория и эксперимент шли рядом, попеременно обгоняя друг друга. Вопрос о роли РНК в синтезе белков, ее детерминирующая роль в создании специфичности были уже экспериментально решены, однако тонкий механизм этого процесса несколько лет был предметом теоретических построений. Затем года два назад быстрый экспериментальный
Молекулярный механизм мутаций
Матрица — РНК — это полимер особого рода. Он состоит из сложных химических соединений — нуклеотидов. Таких нуклеотидов всего четыре: адениловый (А), гуаниловый (Г), цитидиловый (Ц) и урациловый (У). Однако из этих четырех нуклеидов складываются длинные цепочки, хорошо видимые в электронный микроскоп. Последовательность нуклеотидов в цепях может меняться. Нуклеотиды подобны буквам алфавита. Разными комбинациями букв можно создать текст, содержащий ту или иную информацию. Это характерно и для РНК, ее нуклеотиды, чередуясь между собой, создают особый «текст», содержащий определенную структурную информацию. Эта информация управляет синтезом белков — она содержит нуклеотидный «текст», который «переводится» в «текст», составленный аминокислотами. Принцип механизма такого перевода подобен переводу какой-либо фразы с, записи, сделанной азбукой Морзе, на обычный текст. Как в азбуке Морзе, тройная комбинация из тире и точек, например: — .- соответствует одной из 30 букв русского алфавита, так и при синтезе белков на поверхности РНК каждая комбинация из трех нуклеотидов определяет положение одной из 20 аминокислот в белковой молекуле. В результате вдоль цепочки РНК с определенным составом должна создаваться молекула белка тоже определенного состава. На синтезируемую молекулу белка как бы переносится информация, «записанная» в РНК. Сейчас это уже показано в десятках экспериментов и не вызывает сомнений. Более того, ученые смогли изменять белки посредством изменения их матриц — молекул РНК. Если в длинной цепочке, допустим, вирусной РНК в каком-либо звене, например, в АГУЦАУЛАЦАУ… произвести химическое превращение какого-либо нуклеотида, допустим, А — в другой, скажем, в Г (а это легко сделать путем строго дозированного окисления), то происходит так называемая мутация, появляется мутанный вирус с измененными свойствами. При этом и во всех его белковых частицах происходит изменение какой-либо строго определенной аминокислоты, одна аминокислота заменяется другой, и это изменение имеет Наследственный характер. Изменение другого нуклеотида, например Ц в У, приводит к изменению другой аминокислоты, и это могут быть разные аминокислоты, в зависимости от того, какие нуклеотидные соседи у Ц. Соседи нуклеотида определяют и его «смысл», так как информацию несет тройка нуклеотидов. В этом направлении сделаны уже десятки экспериментальных работ и получены многие формы вирусов.
Изменение нуклеиновых кислот ведет к изменению белков — таков был основной вывод, который на молекулярном уровне отражал старую связь между изменением гена и изменением признака. Молекулярный механизм мутаций становился ясным. Постепенно был экспериментально раскрыт и способ «перевода» информации РНК, преобразование ее в структуру белковой молекулы.
Раскрытие природы кода генетической информации
Для этой цели в клетках существует двадцать разновидностей особых «мелких» форм РНК — переносчиков аминокислот. Захватывая активированные аминокислоты, поступающие в клетку извне, они переносят их на матрицу и устанавливают в строго определенном порядке — они «считывают» текст матриц и располагают аминокислоты в соответствии с «кодом» информации РНК. Таким образом на разных матрицах формируются разные белки. Но белки — это уже признаки — это ферменты, процессы-циклы реакций. Выявление этих взаимодействий и механизмов было нелегким делом. И логически оно вело к дерзновенной мечте — попытке создать искусственные матрицы и на их поверхности искусственные белки. За такую задачу взялись в 1961 году две американские лаборатории М. Ниренберга и С. Очоа, и задача была успешно и быстро решена. Это достижение стало сенсацией, быстро облетевшей весь мир. Синтез белка на предварительно искусственно созданной матрице— аналоге РНК помог и решению другой задачи — изучению нуклеотидного кода в РНК, выявлению природы «алфавита», которым записывается наследственная информация. Изменяя состав нуклеотидов, из которых создавались искусственные матрицы, ученые получали белки разного состава — сопоставление вело к раскрытию кода. Работа велась на искусственных и на бактериальных системах, но когда сопоставили полученные данные с теми, которые были выявлены на вирусах, то оказалось, что генетический код, по-видимому, универсален, одинаков, во всяком случае, для широких групп организмов.
РНК — это матрица, но ведь РНК в основном функционирует в цитоплазме. Следовательно, это еще не ген — ведь гены расположены в хромосомах.
Однако и здесь вопрос был решен в соответствии с теоретическими ожиданиями. Молекулы РНК, как оказалось, это только переносчики генетической информации. Молекулы РНК, выполняющие функции матриц белкового синтеза, образуются в хромосомах, они образуются на поверхности ДНК и копируют структуру ДНК ДНК сосредоточивает в своем составе информацию о синтезе белков. Эта информация передается РНК, и РНК создает в цитоплазме белки.