Дарвинизм в XX веке

Ген обретает плоть

V Международный генетический конгресс, состоявшийся в 1927 году, — знаменательная веха в истории биологии. Кроме Четверикова, одним из героев его стал американский генетик Герман Меллер, впервые получивший точковые мутации у дрозофилы искусственным путем, при помощи рентгеновских лучей. До того генетики находились в положении физиков, изучавших радиоактивность, — они могли лишь наблюдать естественный мутагенез, как физики — самопроизвольный ядерный распад. Впрочем нет — отличие, и весьма существенное, имелось. В то время физики еще не могли ускорить радиоактивный распад. Самые высокие доступные тогда температуры были бессильны нарушить структуру атомных ядер.

Иное дело — гены. Не зная химической структуры гена, исследователи уже догадывались, почему спонтанный, естественный мутагенез все-таки происходит. Хотя структура гена и необычайно прочна, ее можно нарушить. Гены окружены молекулами, находящимися в состоянии хаотического теплового движения. Для каждой температуры характерна своя скорость, своя средняя кинетическая энергия молекул. Но это именно средняя энергия.

При нормальных, пригодных для жизнедеятельности организмов температурах львиная доля молекул не имеет достаточно энергии, чтобы нарушить структуру гена. Однако не все молекулы движутся с одинаковой скоростью: одни из них более медленные, другие — более быстрые. Ничтожной доле молекул удается в результате столкновений обрести запас энергии, способной что-то сделать с геном.

Если мы повысим температуру до верхнего предела существования жизни, частота возникновения мутаций должна возрасти. Так и получалось в экспериментах (у нас первые такие опыты ставили П. Ф. Рокицкий и А. Н. Промптов). Это сразу наводило на глубокую, принципиальной важности аналогию с химической реакцией. Ведь химические реакции также ускоряются температурой. Чем она выше, тем больше молекул, обладающих нужной для свершения реакции энергией (как говорят физико-химики — способных преодолеть энергетический барьер реакции).

Получалось как будто бы, что мутация — не что иное как химическая реакция с очень высоким энергетическим барьером.

Удалось и ориентировочно оценить высоту барьера. В физической химии есть понятие температурного коэффициента Вант-Гоффа (обозначается Q₁₀). Q₁₀ показывает, во сколько раз возрастает скорость реакции, если мы повысим температуру на 10°.

Если вместо скорости реакций мы подставим в уравнение частоты возникновения мутаций, то получится, что Q₁₀ мутагенеза дрозофилы оказывается в среднем порядке 5. Для одних мутаций, для одних генов он выше, для других ниже — а это означает, что разные гены различаются по устойчивости.

Каков же все-таки энергетический барьер мутагенеза? Для Q₁₀ = 5 он равен 2,5–3 эв. Электрон-вольт (эв) — единица энергии; такую энергию получает электрон, движущийся в электрическом поле с напряжением 1 вольт. 3 эв — величина как будто ничтожная; этой величины не хватит, чтобы стряхнуть пепел с конца сигареты. Однако в микромире клетки 3 эв — величина огромная. При комнатной температуре средняя энергия теплового движения молекул всего 1/40 эв. Это-то и объясняет относительную редкость возникновения мутаций, да и само существование жизни на Земле. Могла ли жизнь вообще возникнуть, будь структура гена менее стабильной? Это равносильно попытке построить высотное здание из мыльных пузырей.

Подобные предварительные исследования сразу дали три принципиально важных вывода:

1. Разные гены различаются по стабильности. Потому-то одни локусы мутируют чаще, а другие — реже.

2. Мутагенез по своей природе статистичное, вероятностное явление. Ведь невозможно предсказать, какая из молекул обретет способную преодолеть энергетический барьер скорость, и по какому из тысяч генов она ударит. Поэтому дарвиновская неопределенная изменчивость прямо вытекает из максвелловского распределения молекул по скоростям.

3. Энергией свыше двух с половиной электрон-вольт обладают кванты жесткого излучения — начиная с ультрафиолетового. Значит, мутацию можно вызвать облучением клетки! Ультрафиолет может поглощаться клеточными оболочками, но уже для мягкого рентгена нет преград. По этому пути устремились сразу несколько исследователей, и приз, то есть Нобелевскую премию, получил Г. Меллер — ученик Моргана, впоследствии ряд лет работавший в Советском Союзе.

В те «добомбовые» 20–30-е годы нашего столетия ядерные грибы еще не вздымались над поверхностью Земли, и почти единственными источниками жестких излучений были рентгеновские трубки и препараты радия. Первые опыты Н. В. Тимофеева-Ресовского и Д. Д. Ромашова не увенчались успехом, так как исследователи не имели достаточно чистых линий дрозофилы, и возникающие мутации не были видны на фоне генетических рекомбинаций, банальных перетасовок аллелей.

Однако уже в 1925 году появилась работа советских исследователей Г. А. Надсона и Г. С. Филиппова — работа во всех отношениях примечательная. Эти авторы облучали рентгеновскими лучами колонии плесневых грибов (в том числе обыкновенного мукора — той плесени, которая возникает на залежавшемся хлебе). То, что лучи Рентгена и радий тормозят рост плесеней, было уже известно. Но Надсон и Филиппов получили впервые мутантную форму мукора с четкими наследственными признаками. Плесень, как всем известно, белая; этот мутант оказался ярко-оранжевым и не образовывал половых органов и зигот, размножаясь только вегетативно.

Впоследствии Надсон и Филиппов получили рентгеномутанты у других низших грибков — дрожжевых.

Казалось бы, полный успех. Однако путь признания в науке не прямой. Эти работы не получили известности ни у нас, ни за границей, хотя и печатались на французском языке. Кто знает, как сложилось бы дело, если бы смерть обоих исследователей не оборвала их успешную деятельность. Лишь в 40-х годах за рубежом Г. Бидл и Е. Тэтум, исследовав мутации другой плесени — нейроспоры, завершили создание биохимической генетики; они окончательно доказали, что для построения одного фермента требуется действие по меньшей мере одного гена (знаменитый афоризм: «один ген — один фермент»). Судьба опережающих в науке свое время редко бывает счастливой. Впрочем, отстать от времени еще хуже: первых не признают при жизни, вторых забывают еще при ней.

Поэтому пальма первенства досталась Меллеру, который использовал классический объект тогдашней генетики — дрозофилу. В одном популярном произведении 40-х годов опыт Меллера описывался донельзя примитивно. Он-де направил на пробирку с дрозофилами «зеленоватый сноп рентгена» и получил безглазых, бескрылых и безногих мушек.

Такая популяризация приводит лишь к засорению науки случайными людьми — в самом деле, как просто получить Нобелевскую премию! Оставим на совести автора «зеленоватый сноп» невидимых рентгеновских лучей; вспомним, что подавляющее большинство мутаций рецессивно по отношению к дикому типу и в гетерозиготах не проявляется. Облучению предшествовала длинная и кропотливая работа, в процессе которой Меллер получил чистую линию дрозофил, у которой мутировавшие самки не давали в потомстве самцов. Головоломная задача по выявлению рецессивных мутаций была разрешена им блестяще.

Второй американский генетик Р. Стадлер в 1927 году получил рентгеномутанты у ячменя и кукурузы. С этого года начался бурный рост радиогенетики — одной из важнейших современных отраслей генетики. Значение ее для практической деятельности человечества огромно. Облучая организмы, можно резко повысить частоту возникновения мутаций — значит, селекционеру предоставляется обильный материал.

Но этого мало. Несмотря на то что наземные испытания ядерного оружия запрещены международными соглашениями, развитие ядерной промышленности резко увеличило радиоактивный фон нашей планеты — а ведь человечеству предстоит еще массовый выход в космос, продолжительное обитание на орбитальных станциях и межпланетных кораблях. Это не может не отягощать наш генетический фонд скрытыми мутациями. Да еще и врачи-перестраховщики, гоняющие больных на рентген по любому поводу!

В нашу задачу не входит подробный анализ всех достижений радиогенетики, тем более что на эту тему в последнее время вышло несколько хороших книг — и просто научно-популярных, и строго научных, но написанных популярно.

Остановимся лишь на крайне важном для проблемы изменчивости выводе, полученном Н. В. Тимофеевым-Ресовским и К. Циммером, Начнем с примитивной аналогии. Допустим, где-нибудь на Марсе космонавты обнаруживают крупное и опасное существо, убить которое можно только попаданием в одно-единственное место, незначительное по сравнению с размерами самого существа. Нечто вроде героя троянской войны Ахилла, у которого уязвима была только пятка. Как оценить размеры этой ахиллесовой пяты?

Напрашивается самый простой метод. Размеры существа известны. Выпустим по нему возможно большее количество пуль. Тогда, зная частоту попадания, количество потребных для этого зарядов и размер существа, можно оценить нужную нам величину.

Заменим марсианского зверя гаметой дрозофилы, автомат — рентгеновскими лучами и будем определять частоту мутаций. Зная объем клетки, плотность потока квантов и частоту мутаций, нетрудно оценить размеры той структуры, изменения которой вызывают точковую мутацию. Эта величина, так называемый радиус эффективного объема, порядка 10^–7 см (десятимиллионная доля сантиметра). Однако размеры атома около стомиллионной доли сантиметра (мы говорим «около», потому что атом не имеет четких размеров). Значит, на ахиллесовой пяте гена укладывается всего 10 атомов.

Что из этого следует? То, что для описания процесса мутагенеза классическая механика, в которой можно точно измерить траекторию и энергию тела, а затем рассчитать время и место события, не годится. Она должна быть заменена квантовой механикой, одно из основных положений которой — принцип неопределенности, сформулированный великим немецким физиком Вернером Гейзенбергом.

Принцип этот прост: на уровне атомов и слагающих их частиц мы не можем определить одновременно координаты микротела и его импульс (энергию) без определенной погрешности. Погрешность эта ничтожна, и в макромире мы можем ею пренебречь, применяя механику Ньютона.

Но ведь мутации происходят в микромире. Чтобы предсказать наступление единичного наследственного изменения со 100-процентной вероятностью, нужно одновременно и абсолютно точно знать координаты и энергию частицы, атакующей ген. А это как раз нам и запрещено природой, так же как создание вечного двигателя и многих других вещей.

Должен оговориться: связь между генетикой и квантовой механикой не столь прямая, как следует из этого популярного изложения, но я был вынужден упростить его, не загружая текст словами вроде «квантовый скачок» и «туннелирование протона». В последнее время лауреат Нобелевской премии М. Эйген также пришел к выводу о связи между случайностью мутаций и квантовомеханической неопределенностью.

Далеко не всем это может понравиться. А. Эйнштейн, например, не желал признавать квантовой механики («Я не могу представить, что господь бог играет с миром в кости»). Но и всей гениальности Эйнштейна не хватило для того, чтобы опровергнуть квантовую механику, поэтому наивными кажутся попытки некоторых биологов «запретить» ее применение.

Возвратившись на две тысячи лет назад, вспомним спор Демокрита с Эпикуром. Мир Демокрита жестко детерминирован, все явления связаны причинными связями, в нем нет места свободе воли. В мире Эпикура случайное, непредсказуемое отклонение атомов уничтожает слепую необходимость Демокрита — судьбу, перед которой бессильны и люди и боги. Мне лично мир Эпикура более импонирует. Фактически Гейзенберг и завершил дело Эпикура, уничтожив механический детерминизм на атомном уровне.

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, можно продемонстрировать на таком примере. В результате мутации появляется новый штамм вируса гриппа, против которого бессильны защитные системы человеческого организма. Возникает эпидемия, прокатывающаяся по городам и селам, странам и континентам. Участковые врачи, подобно почтальонам, заходят в каждую квартиру, не успевая выписывать бюллетени. Падает выработка национального продукта, отменяются многие планы, снижается эффективность хозяйства — и все это следствие мутации, вызванной, например, одним-единственным квантом ультрафиолетового излучения Солнца.

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 механизм действия гена.

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.

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».

С точки зрения всего уровня тогдашних знаний вывод Кольцова казался безупречным. Большинство исследователей склонялось к нему (за ДНК без особых на то оснований стоял лишь известный генетик М. Демерец).

Так было до 1944 года, когда О. Эйвери, С. Мак-Леод и М. Маккарти после десяти лет чудовищной по сложности работы очистили вещество, изменяющее свойства пневмококков и условно названное фактором Гриффитса, в количестве, достаточном для биохимического анализа. Им оказалась ДНК. С этого времени и начался бурный взрывоподобный рост новой отрасли естествознания — молекулярной биологии. В истории наук не было прецедента, когда люди за столь короткий срок узнавали так много нового (пожалуй, за исключением эпохи создания атомной физики и квантовой механики).

Автор еще застал этот период молодости новой науки. Трудно описать атмосферу необыкновенного энтузиазма, когда каждый месяц (да что там — каждый день!) открывал что-то новое, когда ходившие среди нас живые классики еще не имели нимбов и не уверовали в свою непогрешимость — и все чувствовали себя равными богам. Быть может, такие чувства испытывают солдаты, после затяжной осады и кровопролитного штурма бегущие по улицам завоеванного города.

Теперь положение в молекулярной биологии несколько стабилизировалось, темп открытий замедлился (все верхние золотоносные жилы выбраны, начались глубинные разработки), а впереди проступают неясные перспективы новой, субмолекулярной биологии.

Впечатляющие успехи новой отрасли естествознания изложены во многих хороших книгах, содержание которых нет нужды здесь дублировать. Нас будет интересовать лишь то новое, что внесла молекулярная биология в теорию эволюции. Но перед этим нужно отдать должное тем, кто наполнил слово «нуклеин» новым содержанием.

В 1868–1869 годах в знаменитой Тюбингенской лаборатории немецкого химика Э.-Ф. Гоппе-Зейлера стажировался молодой швейцарский ученый Иоганн Фридрих Мишер. Его особенно интересовало химическое строение клеточного ядра — уже тогда наиболее дальновидные умы понимали значение этой структуры для жизни клетки. Объектом его опытов был гной — материал малоприятный, но благодарный: ведь гной состоит из полуразрушенных белых кровяных телец — лейкоцитов, из которых уже сами «выделились» ядра. Получив ядра в более или менее чистом виде, Мишер выделил из них некое новое вещество.

Оно осаждалось спиртом и кислотами и само было довольно сильной кислотой, имело значительный молекулярный вес и содержало много фосфора. Так как ядро по-латыни — нуклеус, молодой швейцарец, не мудрствуя лукаво, окрестил его нуклеином (так же, как вещество, выделенное из белладонны — латинское атропа, назвали атропином, а из кофе — кофеином).

Гоппе-Зейлер — химик с большим кругозором и чутьем, как говорят — с загадом, оценил открытие своего ученика. Стажеры Тюбингенской лаборатории попытались — и попытки эти увенчались успехом — выделить нуклеин из других объектов: дрожжей, эритроцитов птиц и пресмыкающихся. Эти клетки — ядерные; а вот из эритроцитов млекопитающих нуклеин выделить почти невозможно. Я сказал почти, потому что по последним данным в эритроцитах млекопитающих есть загадочная ДНК, связанная с их оболочками, хотя эти клетки безъядерны.

Вернувшись на родину, в Базель, Мишер продолжил исследования на новом объекте — сперме рейнского лосося. По-видимому, он умел выбирать объекты — сперматозоиды почти на 50 % состоят из ДНК. Мишер быстро установил, что нуклеин — вещество сложное, нечто вроде соли, где роль щелочи играет белок — протамин, а кислоты — загадочное, богатое фосфором вещество. Догадываясь, что в проблеме наследственности нуклеин имеет первостепенное значение, швейцарский Колумб молекулярной биологии не успел этого доказать.

Но еще до смерти Мишера (1895) А. Коссель установил, что кислый компонент нуклеина содержит фосфорную кислоту, азотистые пуриновые и пиримидиновые основания и углеводы. Более широко известные углеводы — гексозы содержат 6 атомов углерода (глюкоза, фруктоза). Углеводы нуклеина оказались пятичленными — пентозами.

В 1891 году Э. Фишер и Пилоти выделили из всем известного клея — гуммиарабика — арабоновую кислоту, а из последней — новую, названную рибоновой. Из рибоновой кислоты и была выделена одна из первых пентоз — рибоза. Близкий по строению углевод, у которого по сравнению с рибозой не хватало одного атома кислорода, был назван дезоксирибозой (обескислороженной рибозой).

В дальнейшем все погубило пристрастие биохимиков к стандартным объектам. Нуклеиновые кислоты стали выделять из дрожжей (растительный материал) и зобной железы (тимуса) теленка (животный материал). Первую кислоту, по предварительным грубым анализам содержащую рибозу, окрестили растительной нуклеиновой кислотой, а вторую — с дезоксирибозой — животной, или тимонуклеиновой. Эти названия и продержались до 40-х годов нашего века.

За первые тридцать лет XX столетия группа, возглавляемая А. Левиным (Рокфеллеровский институт, США), установила, что нуклеиновые кислоты — длинные цепочки сахаров-пентоз, сшитые остатками фосфорной кислоты (фосфорная кислота — Н₃РО₄; два гидроксила ОН идут на присоединение пентоз, а третий — свободный и придает нуклеину кислые свойства). К каждой пентозе присоединено азотистое основание — аденин, тимин, гуанин, цитозин и урацил. Тимин (как следует из названия) был выделен только из тимонуклеиновой кислоты и был верным ее индикатором.

Ошибкой школы Левина было то, что ученые доверились результатам в то время еще грубых анализов, из которых как будто бы следовало, что нуклеиновые основания имеются во всех кислотах в равном количестве. Так возникла тетрануклеотидная теория, утверждавшая, что все нуклеиновые кислоты — продукты полимеризации четырех нуклеотидов (азотистое основание + сахар называется нуклеотидом). Тимонуклеиновая кислота обозначалась, например, (АГЦТ) n, где n — число этих оказавшихся мифическими звеньев, а А, Г, Ц, Т — соответственно аденин, гуанин, цитозин и тимин. В «растительной» нуклеиновой кислоте тимин замещался урацилом. Такое вещество — полимер из четырех оснований — действительно казалось слишком простым, чтобы быть материальным фактором наследственности. Простота строения, конечно, не может быть препятствием: теория информации свидетельствует, что любую структуру можно закодировать лишь двумя сигналами, например, единицей и нулем в разных сочетаниях. Но тогда еще не было теории информации.

Первую лопату земли в пропасть, разделявшую «растительную» и «животную» нуклеиновые кислоты, бросили не биохимики, а специалисты по химии клетки — цитохимики. В 1924 году Р. Фельген открыл цветную реакцию на тимонуклеиновую кислоту — знаменитый реактив Фельгена, окрашивающий ядро клеток на микроскопических препаратах. Оказалось, что ядра растительных клеток также красятся «по Фельгену». Оставалось сделать последний шаг, как правило, самый трудный, — выделить из растительных клеток животную нуклеиновую кислоту и тем самым доказать ее общность для живой природы.

К сожалению, знающие себе цену биохимики не очень охотно занимались нуклеиновыми кислотами, где все казалось ясным после работ Левина. То ли дело загадочные белки, несомненная основа жизни, а стало быть, и наследственности! Культ личности никогда не доводил до добра, даже если эта «личность» оказывалась химическим веществом. Тем не менее, продолжали находиться, по тогдашней мерке, чудаки, те, кто и на линованой бумаге пишут поперек и для которых вопросы «модности» объекта и методики первостепенными не являются.

К числу их относился молодой биохимик, лишь недавно перебравшийся в Московский университет из Ташкента, Андрей Николаевич Белозерский. Опираясь на данные цитохимии, он предпринял весьма трудную по тем временам попытку — выделить тимонуклеин из растительных клеток. Многим это казалось попросту диким — все равно что попытаться выделить хлорофилл из животных клеток.

Опыт удался: переработав совместно с И. И. Дубровской многие килограммы проростков конского каштана, А. Н. Белозерский получил в 1936 году чистую тимонуклеиновую кислоту из растения. Тем самым пропасть, разделявшая царства растений и животных, была уничтожена навсегда.

Годом позже Фельген с сотрудниками выделили тимонуклеин из проростков ржи. Стандартный объект для выделения «растительной» нуклеиновой кислоты — дрожжи — также содержал «животную». Обе нуклеиновые кислоты оказались общими для всего живого (кроме вирусов, но о них после). К этому времени и стали употребительными названия дезоксирибонуклеиновая и рибонуклеиновая кислоты и их сокращения: ДНК и РНК, ныне известные каждому школьнику.

На пути дальнейших исследований в этом направлении лежало бревно тетрануклеотидной теории. Убрать его удалось лишь Дж. Гулланду с сотрудниками через 10 лет после работ Белозерского. Тщательно определив содержание аденина, тимина, гуанина и цитозина в ДНК ряда объектов, они показали, что отношение их отличается от 1: 1: 1: 1.

Это стимулировало работы другого исследователя — классика химии нуклеиновых кислот Э. Чаргаффа. Чаргафф разработал методы, позволяющие определять состав ДНК и РНК в весьма малых количествах вещества (десятки граммов, по тем временам — огромный скачок; это сейчас ухитряются определять состав ДНК в кусочке отдельной хромосомы).

Чаргафф сам признает, что стремление изучать ДНК у него возникло после работ Эйвери, Мак-Леода и Маккарти, показавших, что именно она является тем самым загадочным фактором Гриффитса, изменяющим наследственность бактерий. В результате трехлетних работ его лаборатории от тетрануклеотидной теории ничего не осталось. И ДНК и РНК разных видов растений, животных и микроорганизмов оказались различными по составу. Этого мало — Чаргафф сформулировал свои знаменитые правила для ДНК, которые для будущей молекулярной биологии оказались тем же, что и эмпирические законы Кеплера для астрономии.

Именно: состав ДНК изменяется в довольно широких границах. Разумеется, мы говорим о составе, имея в виду азотистые основания — остатки фосфорной кислоты и углеводы во всех ДНК одинаковые.

Согласно Чаргаффу, сумма содержания аденина и гуанина в ДНК всегда равна сумме цитозина и тимина (А + Г = Ц + Т). Так же и содержание гуанина и тимина равно содержанию аденина и цитозина. Изменяться в ДНК мог лишь процент суммы гуанина и цитозина (% ГЦ). Состав РНК не был так жестко запрограммирован.

Правила Чаргаффа, наряду с рентгенографическими исследованиями английских физиков М. Уилкинса и Р. Франклин, дали возможность физику Ф. Крику и генетику Д. Уотсону в Кембриджской лаборатории разгадать структуру ДНК — она оказалась двойной спиралью, легко разделяющейся на две половинки. В этом строении был великий смысл: отсюда автоматически вытекала возможность самоудвоения, репликации молекулы, репликации гена. Именно этот процесс протекает в клетках при делении, и именно его предсказал Н. К. Кольцов (только он полагал, что ген — белковая молекула). Так протянулась на сто лет цепь от исследователя к исследователю; Крик и Уотсон завершили дело, начатое Мишером в лаборатории Гоппе-Зейлера. Но эстафету от Мишера к ним на протяжении века передавали друг другу Коссель и Левин, Фельген и Белозерский, Гулланд и Чаргафф; лишь наше поколение достигло цели (я хотел написать — финиша, но финиша в науке нет, есть только следующий старт).

Итак, гены оказались гигантскими, хорошо различимыми в электронный микроскоп нитевидными молекулами нуклеиновых кислот — ДНК и РНК. ДНК — генный материал подавляющего большинства организмов. В норме она двуцепочечна — это скрученная в спираль двойная нить, вернее, цепочка, структура которой поддерживается водородными связями, возникающими между смежными азотистыми основаниями нитей. При этом гуанин присоединяется к цитозину, а аденин к тимину. Г всегда столько же, сколько Ц, а А столько же, сколько Т. Из такой структуры автоматически вытекают правила Чаргаффа.

Однако ДНК не всегда двуцепочечна. Некоторые вирусы имеют одноцепочечную ДНК. В такой ДНК правила Чаргаффа не соблюдаются. У множества других вирусов в качестве генного материала выступает РНК (как двуцепочечная, так и одноцепочечная). Встречается у вирусов также и ДНК, содержащая рибозу вместо дезоксирибозы, и РНК с тимином вместо урацила.

Трудно сказать, какая из двух нуклеиновых кислот возникла первой в процессе становления жизни. На этот счет существуют разные мнения. Вернее всего, вначале было нечто среднее: икс-НК, сополимер рибоз и дезоксирибоз, который удается получить сейчас в эксперименте. Впоследствии роль главного носителя генетической информации взяла на себя ДНК по простой причине — она была более устойчива из-за отсутствия одного из гидроксилов в ее пентозе и двуспиральности. Генетическая информация закодирована лишь в одной из цепей. Вторая, комплементарная, нужна для репликации (удвоения) и репарации. Последний термин требует пояснения. Если из какой-либо цепи ДНК в результате мутационного процесса будет вырвано звено, специальные ферменты, репаразы, «исправят» разрыв, вставив основание, комплементарное к оставшемуся соседу: аденин пристроят к тимину, а гуанин — к цитозину.

Вирусы с одноцепочечными нуклеиновыми кислотами вряд ли были первыми обитателями нашей планеты. Все они — паразиты и размножаться могут только в клетках хозяев. У них нет механизмов для репликации ДНК и синтеза белковых молекул, слагающих оболочку. Все это они заимствуют у хозяев. Поэтому, быть может, справедливо мнение, что организация вирусов — результат вторичного упрощения. Они отказались от белоксинтезирующих систем как многие паразитические черви, обитающие в кишечнике, отказались от ставшей ненужной пищеварительной системы. Образно выражаясь, каждая вирусная частица подобна магнитофонной кассете с записью, а клетка, начиная с бактериальной, — целому магнитофону.

У вирусов нуклеиновые кислоты — относительно короткие цепочки. Наименьшие из известных имеют всего 1000–3000 пар звеньев. Начиная с бактерий геном существенно усложняется, хотя бактериальная ДНК также представлена одной молекулой, образующей единственную хромосому. Звеньев в ее цепи уже около трех миллионов. Бактериальные хромосомы — кольцевые, концы их состыкованы.

При делении клетки хромосома удваивается. Этот процесс осуществляет молекула фермента ДНК-полимеразы, похожая несколько на пуговицу с двумя отверстиями. ДНК-полимераза надевается на хромосому и движется по ней, пристраивая к каждой половине ДНК комплементарную ей половину. Эта реакция требует затраты энергии. Естественно, кольцо хромосомы должно при этом разорваться и потом воссоединиться, иначе дочерние кольца останутся связанными и не разойдутся по клеткам.

Каждая новая хромосома имеет одну половину от старой, а другую — синтезированную заново. Такое деление называется полуконсервативным.

Так же удваиваются гены в хромосомах высших организмов с оформленным ядром. Однако геном животных, растений и простейших устроен много сложнее, чем у бактерий, и содержит, кроме ДНК, комплексированные с нею белки. О структуре его до сих пор идут весьма оживленные дискуссии. Механизм многих явлений, наблюдавшихся издавна цитологами, пока еще остается неясным. Мы даже не знаем, состоит ли хромосома ядерных организмов из одной или нескольких молекул ДНК. На этом основании многие считают, что называть хромосомами генный аппарат бактерий неправильно, и предлагают другой термин — генофор, носитель генов. Но, в конце концов, дело не в названии.

РНК досталась не менее важная роль посредника между ДНК и белком, она же отвечает за перенос аминокислот к фабрикам белка — рибосомам и входит в состав тех же рибосом. Лишь у некоторых групп вирусов РНК переносит генетическую информацию от поколения к поколению. Трудно сказать, всегда ли гены этих вирусов были РНКовыми или же это явление вторично. Во всяком случае многие вирусы, в том числе первый из открытых — вирус табачной мозаики, отлично обходятся без ДНК.

Но так бывает далеко не всегда. Во многих случаях вирус не подавляет клетку своим бурным размножением, а предпочитает встроиться в геном хозяина, передаваясь его дочерним клеткам при каждом новом их делении. Разбойник становится приживальщиком. Это легко сделать ДНК-содержащим вирусам, но как быть РНК-содержащими? Выход один — стать ДНК-содержащими. В белковых оболочках таких вирусов есть особый фермент (обратная транскриптаза, или, как его еще называют, ревертаза), который синтезирует ДНК на нити РНК, и вновь синтезированная ДНК встраивается в геном хозяина. Это явление сейчас усиленно изучается — ведь оно широко распространено у онкогенных вирусов!

Одним из важнейших достижений биологии XX столетия является разгадка способа, при помощи которого генетическая информация закодирована в ДНК, и путей, которыми она передается на белок, а через белок определяет все признаки фенотипа. «Алфавит» жизни, генетический код, представляет тройные сочетания четырех нуклеотидов. Всего может быть 64 таких сочетания; из них 61 кодирует двадцать используемых в белках аминокислот, а три знаменуют окончание «белкового слова», на них синтез белка обрывается. Каждая из аминокислот кодируется несколькими сочетаниями нуклеотидов (триплетами, или, как их иногда называют, кодонами). Такой код называют вырожденным.

Слово «вырожденный» звучит неприятно и даже обидно. Однако ничего обидного в нем нет. Оно просто означает, что на каждую аминокислоту приходится не один, а несколько кодонов. Аналогию можно найти в языке — в соотношениях между звуками и буквами. Нередко одному звуку соответствует несколько букв. Так, в старорусской орфографии было два обозначения для звука «ф» (ферт и фита) и целых три для «и» («и» просто, «и» с точкой и редко применявшаяся ижица). Реформа 1917 года резко снизила вырожденность нашей орфографии, но не уничтожила ее. Именно поэтому Маяковский мог рифмовать — ленив, лифт, прилив — «в» и «ф» в конце слова читаются одинаково.

Какое же значение имеет вырожденность генетического кода для эволюции? Весьма большое — она значительно повышает надежность передачи информации с ДНК на белок. Сначала на матрице ДНК синтезируется так называемая информационная ДНК — так с исходных чертежей снимаются рабочие копии. При этом перекодировки не происходит — лишь тимин заменяется урацилом. На нити информационной РНК (сокращенно иРНК) синтезируются крошечными фабриками белка — рибосомами белковые молекулы. Как раз отсутствие рибосомного аппарата и заставляет вирусы быть облигатными, обязательными, паразитами.

Рибосома «считывает» генетическую информацию с иРНК, причем алфавит из 64 триплетов сменяется алфавитом из 20 аминокислот. Большая часть последних нуклеотидов в триплете необязательна для точного прочтения. Поэтому, если точковая мутация или ошибка считывания изменит третий нуклеотид, то беды не будет — в белок будет включена та же аминокислота и в том же месте.

А если мутация затронет первый или второй нуклеотид? Здесь положение сложнее, но отнюдь не безнадежно. Эта проблема — лишь часть гораздо более общего вопроса о так называемой неизбежной вредности мутаций.

Данные молекулярной биологии позволили по-новому оценить значение мутаций в эволюции. До сих пор распространено мнение о неизбежной вредности мутаций (излюбленная аналогия — попытка улучшить ход часов, ударяя их об стену). Сама по себе эта точка зрения довольно бессмысленна и недиалектична. Мутация вредна — но в каких условиях? Мы уже видели, что для обезьяны в условиях ее обычной диеты мутация в гене фермента, синтезирующего витамин С из глюкозы, безразлична, а у человека может стать причиной цинги. Есть и более эффектные примеры. Известны случаи, когда концентрация гена, летального для гомозигот, тем не менее поддерживается в популяции на высоком уровне, потому что гетерозиготы обладают большим селективным преимуществом.

У человека известна мутация, вызывающая серповидноклеточную анемию (ген S). При этой болезни эритроциты гомозигот имеют форму не круглой лепешки, а серпа. Кислород эти клетки связывают плохо, и рецессивные гомозиготы гибнут в младенчестве от анемии. Согласно уравнению Харди — Вейнберга, концентрация гена S должна быть низкой. На деле она достигает 36–40 % у ряда африканских племен. Оказалось, что гетерозиготы не заболевают малярией или сравнительно легко переносят ее. Установлена прямая связь между заболеваемостью малярией и частотой носительства гена S. Сходный эффект вызывают гены Т (средиземноморские страны) и некоторые другие. Любопытно, что гены, не обеспечивающие иммунитет к малярии, отбором не закрепляются (мутанты гемоглобина Пенджаб, Аравия, Сан-Хозе, названные так по месту обнаружения, и ряд других). Почему же ген S дает устойчивость к малярии?

Оказалось, что в гене S произошла точковая мутация, вызвавшая в строго определенном положении замену глутаминовой кислоты на другую аминокислоту — валин. В результате гемоглобин для малярийного плазмодия стал ядовитым.

Отсюда видно, что отбор исходит из интересов всей популяции и как бы равнодушен к судьбам отдельных особей. В результате вырабатывается механизм, при котором гомозиготы SS гибнут (в данном случае до миллиона детей ежегодно), но в целом популяция приспособлена к среде, где важным фактором является возбудитель малярии, из-за мутации, летальной для значительной ее части[10].

Кроме того, разные мутации по-разному изменяют фенотип. Сравним мутацию — с ампутацией: ампутация головы летальна, ампутация конечности понижает жизнеспособности организма. Но ведь возможны ампутация пальца, мозоли, злокачественной опухоли; они могут быть не только нейтральными, но и полезными.

В классической генетике чаще всего использовались для анализа мутации, довольно резко изменяющие строение фенотипа. Такие изменения генома действительно существенно снижали жизнеспособность фенотипа — вплоть до нуля. Анализ аминокислотных замен в белках открыл перед генетиками всю широту мутационных изменений. Прежде всего вырожденность кода приводит к тому, что далеко не каждая мутация изменяет аминокислотную последовательность. Если же замена произошла, например, не в функциональной части молекулы фермента и не изменила существенно ее структуры, свойства белка меняются очень незначительно. Эти-то ничтожные изменения, приводящие к сдвигу оптимальной зоны действия фермента, снижению или повышению его активности, большей или меньшей избирательности субстрата, и являются основным материалом для эволюционного процесса. Так по-новому осмысливается положение Дарвина: «Природа не делает скачков». Хотя каждая мутация — скачкообразное, качественное изменение генома (нуклеотид в триплете может быть либо тем, либо другим — середины нет), подавляющее большинство этих скачков лишь незначительно изменяют фенотип и создается неверное представление о постепенных количественных изменениях. Причина слабого воздействия большинства мутаций на фенотип — сохранение при мутации полярности аминокислот.

Аминокислоты, входящие в состав белков, различаются по химическим свойствам на полярные и неполярные. Полярные аминокислоты обладают группами с резко выраженным сродством к молекулам воды, они как бы смачиваются ею. Неполярные, наоборот, слипаются друг с другом. Поэтому произошедшая в результате мутации замена полярной аминокислоты на неполярную (и наоборот) резко изменяет всю конфигурацию белковой молекулы, ее вторичную структуру. Такие мутации часто бывают летальными (в гене S и произошла подобная замена полярной глутаминовой кислоты на неполярный валин). Однако, как показывают расчеты, генетический код построен так, что точковая мутация в большинстве случаев не изменяет полярности аминокислоты. Поэтому конфигурация белковой молекулы меняется не так значительно. В настоящее время большинство исследователей полагает, что на одну крупную мутацию, существенно изменяющую фенотип, а потому, возможно, летальную, приходятся сотни, а то и тысячи для нас практически незаметных. Мы можем их обнаружить, лишь определив аминокислотную последовательность в белке мутантной формы.

У ряда исследователей сложилось впечатление, что эволюция идет путем накопления безразличных (нейтральных, неприспособительных) замен белков в аминокислотах (так называемая «недарвиновская эволюция»). Нетрудно заметить, что ошибка эта довольно стара и представляет не что иное, как перенос идей Райта о нейтральных признаках на молекулярный уровень. Коэффициент отбора для таких аллелей может быть ничтожно мал; тогда адаптивность мутации может стать очевидной лишь через сотни поколений. Мы не способны ее заметить, как не замечаем течение ледника. И опять возникает вопрос — ведь так можно объяснить дивергенцию, обособление видов, но как в процессе эволюции без отбора может возникнуть целесообразность?

Молекулярная биология не только необычайно расширила наши знания о природе генов и мутаций, но и пролила свет на природу неядерной (цитоплазматической) наследственности. Существование в цитоплазме клеток каких-либо внеядерных факторов, влияющих на признаки организмов, ламаркистами считалось (и считается до сих пор) одним из самых важных доводов против дарвинизма. Я, впрочем, никогда не мог оценить силы подобного довода. В самом деле: есть гены, локализованные в хромосомах ядра, и есть гены цитоплазматические, рассеянные в цитоплазме клетки. Чем это может помочь гипотезе о наследовании приобретаемых свойств? Даже классическую, домолекулярную генетику существование этого факта опровергнуть не может — сами генетики (К. Корренс — один из первооткрывателей менделизма и Э. Бауэр) открыли явление цитоплазматической наследственности и основательно его изучали.

Явление цитоплазматической наследственности лучше всего прослеживается на так называемых реципрокных — обратных — скрещиваниях. Сперматозоид представляет практически голое ядро с очень небольшим количеством цитоплазмы. Наоборот, яйцеклетка цитоплазмой богата. Поэтому, если в плазме есть какие-либо наследственные факторы, они окажут действие на признаки гибрида с материнской стороны. Цитоплазматически наследуемый признак отцом не передается; отсюда вероятно, что, если мы возьмем отца из породы с изучаемым признаком и этот признак не проявится в потомстве, вызывающий его фактор находится в цитоплазме.

Эти цитоплазматические факторы должны размножаться, реплицироваться так же, как ядерные гены. Иначе через, допустим, 50 делений в клетках останется этих факторов в 250 меньше, чем исходных. Репликация — удвоение — основное свойство наследственной частицы.

Например, некоторые разводимые в лабораториях линии всем известной инфузории туфельки обладают свойством выделять в среду вещество, губительно действующее на инфузории из других линий. Их называют «убийцами», по-английски — киллерами.

Оказалось, что в цитоплазме «убийц» есть крохотные и, очевидно, симбиотического происхождения частицы, содержащие ДНК и способные к размножению, так называемые каппа-частицы. Если темп деления каппа-частиц меньше темпа деления туфелек (а такие условия в опыте можно создать), через ряд поколений можно получить инфузорий без каппа-частиц, потерявших убийственные свойства.

У инфузорий наблюдается процесс половой рекомбинации, при котором они обмениваются ядрами через цитоплазматический мостик между клетками. Если по этому мостику успеют переплыть каппа-частицы, вторая клетка обретет свойства убийцы — при условии, если в ее геноме имеется ген К, без которого существование каппа-частиц в цитоплазме невозможно.

Всем известны очень эффектные пестролистные формы растений, часто разводимые в садах. Зеленая окраска обычных листьев обуславливается находящимися в цитоплазме частицами — хлоропластами, содержащими хлорофилл. Хлоропласты размножаются делением и передаются из поколения в поколение только через яйцеклетки, но не через пыльцу. Есть у них и ДНК, крайне похожая на ДНК сине-зеленых водорослей. В случае некоторых мутаций хлоропласты теряют способность к синтезу хлорофилла, но не к размножению. Такие обесцвеченные частицы передаются делящимся клеткам почек — и возникают листья сложно, мозаично окрашенные.

Так, может быть, хлоропласты — отдаленнейшие потомки сине-зеленых водорослей, некогда бывших симбионтами предков высших растений, как и каппа-частицы — симбионты инфузорий?

Полностью этот вопрос не решен, однако есть факты, позволяющие серьезно над ним задуматься. Ведь само явление симбиоза с фотосинтезирующими водорослями хорошо известно для грибов (лишайники!), простейших, рифообразующих кораллов, низших червей и даже моллюсков, вплоть до таких огромных, как тридакна. У хлоропластов есть свои собственные рибосомы, отличающиеся от обычных растительных, но как две капли воды схожие с рибосомами бактерий и сине-зеленых водорослей.

Наконец, известны опыты, в которых хлоропласты успешно осуществляли фотосинтез в синтетической среде и даже в совершенно чуждых для них клетках (хлоропласты шпината и фиалки хорошо себя чувствуют в фибробластах — клетках соединительной ткани — белых мышей). Все это позволяет считать гипотезу о симбиотической природе хлоропластов чрезвычайно вероятной.

Быть может, и все другие случаи цитоплазматической наследственности не что иное, как проявление далеко зашедшего симбиоза, нахлебничества или паразитизма? Каждый отдельный случай требует специального рассмотрения. Не исключена возможность, что иногда по каким-то неясным причинам кусок генома смог бы выйти из ядра и начать вести в плазме клетки самостоятельную жизнь. Ведь обратный процесс включения в геном хозяина вирусной ДНК мы уже знаем, как знаем и то, что он обратим. Именно этим объясняется эффект, когда бактериофаг, прежде встроенный в геном бактерии, вдруг «выходит из повиновения» и взрывает ее бурным размножением.

Не менее вероятный претендент на симбиотическое происхождение — митохондрии, энергетические фабрики клетки. В них происходит синтез аденозинтрифосфата — АТФ, поставляющего энергию для большинства жизненных процессов — будь то биосинтез белков, работа мышцы или мозга. Удивительное морфологическое сходство митохондрий с некоторыми бактериями давно было подмечено исследователями. Однако сейчас у нас есть и более серьезные доказательства их родства с бактериями. Митохондрии размножаются делением, имеют свою собственную ДНК, построенную по типу бактериальной кольцевой хромосомы, а также рибосомы — по всем деталям структуры не животные и растительные, а бактериальные.

Итак, весьма правдоподобно утверждение, что все организмы с оформленным ядром — симбиотического происхождения. Синтез АТФ у них выполняют митохондрии — потомки симбиотических бактерий. Растения же, помимо симбионтов-митохондрий, имеют еще и другие симбиотические органеллы — пластиды, ведающие фотосинтезом. Иногда это предположение опровергают тем, что для нормального функционирования митохондрий нужны ферменты, информация о которых содержится в ядре, без них они существовать не могут. Но ведь и солитер не может жить вне кишечника человека, однако ему никто не отказывает в самостоятельности.

В целом получается стройная концепция, похожая на описанную в фантастическом рассказе Р. Шекли. Там выведен космический корабль, представляющий содружество разумных существ с разных планет — Двигателя и Стенок, Глаза и Мозга. Но он не может летать без Ускорителя — и эту роль Шекли отводит человеку.

Вряд ли когда-нибудь такой корабль взлетит в космос, но на Земле некое подобие такого содружества существует уже не менее двух миллиардов лет.

В настоящее время установлено достаточно твердо, что все факты существования цитоплазматической наследственности связаны с наличием в цитоплазме самовоспроизводящихся и не возникающих заново структур. Эти структуры определяют какие-либо стороны жизнедеятельности клеток. К ним относятся самовоспроизводящиеся органеллы клеток (митохондрии, пластиды или хлоропласты растений, кинетопласты простейших), симбионты (частицы каппа у инфузорий туфелек) и паразиты (вирусы, вызывающие чувствительность к СО₂ у дрозофил).

Старая, но живучая гипотеза о том, что цитоплазматическая наследственность определяет признаки высших систематических единиц, а ядерная — признаки лишь в пределах вида, оказалась несостоятельной. Хотя митохондрии и пластиды отвечают за важнейшие функции организмов (дыхание и фотосинтез), генетическая информация, заключающаяся в них, по сравнению с ядерной ничтожна. В эволюции изменения генного материала органелл играют также небольшую роль, потому что митохондрии и пластиды в клетках представлены в большом количестве.

Мутация ДНК одной митохондрии не влияет на жизнедеятельность остальных. Так, сороконожка, потеряв одну ногу, ползет с прежней скоростью. Как и у бактериеподобных предков, у митохондрий и пластид практически отсутствует постоянная генетическая рекомбинация и кроссинговер, а это еще более снижает их пригодность в качестве материала для эволюции. Заметим, что генетическая рекомбинация у бактерий возможна лишь при наличии так называемого полового фактора и эписом — структур явно вирусного происхождения.

Так что все попытки использовать феномены цитоплазматической наследственности для опровержения дарвинизма оказались несостоятельными. Наоборот, в свете данных молекулярной биологии они позволили рассмотреть с совершенно иной стороны вопрос о значении симбиоза в эволюции. Симбиоз — это не только содружество актинии и рака-отшельника, но и путь возникновения принципиально новых групп организмов, завоевавших Землю — растений и животных.

В последнее время, главным образом в популярной литературе и особенно в газетных статьях, начался ажиотаж вокруг так называемого «опровержения центральной догмы». У ряда читателей могло сложиться впечатление, что молекулярная биология восстановила в правах ламаркизм. Остановимся на этом вопросе подробнее.

В примитивном варианте центральная догма молекулярной биологии выглядит так:

Фактически это развернутая и расшифрованная на молекулярном уровне схема классической генетики:

которая означает вот что: информация передается от генотипа (ДНК) к фенотипу (белок), но не наоборот. Правда, у многих вирусов выпадает первое звено (ДНК): для них геномом является сама РНК. Бывает и наоборот: встроенные в геном хозяина вирусы отказываются от конечного звена цепи — фенотипа и лишь передают свою генетическую информацию вместе с хозяйской.

Эта схема, в общем правильная, была неполной. Поэтому когда американский вирусолог Г. М. Темин открыл фермент, названный им РНК-направляемой ДНК-полимеразой, его открытие произвело впечатление разорвавшейся бомбы и сбило с толку многих журналистов (да и не только журналистов). Фермент Темина — это как бы РНК-полимераза навыворот. Он синтезирует не иРНК на ДНК, а ДНК на матрице онкогенного, опухолеродного вируса. Информация идет наоборот? Так и решили — информация-де идет от фенотипа к генотипу.

Справедливости ради следует отметить, что Темин не был первым. Ученик Н. К. Кольцова и С. С. Четверикова С. М. Гершензон много раньше (1960) столкнулся с загадочным явлением: ДНК-содержащий палочковидный вирус тутового шелкопряда в организме хозяина исчезал; взамен его появлялись многогранники — полиэдры. Выделенная из больных насекомых РНК, введенная здоровым, вызывала появление полиэдров и ДНК-содержащих палочковидных вирусов! Это можно было объяснить лишь тем, что вирус ядерного полиэдроза может существовать в двух взаимопереходящих формах: ДНК- и РНК-содержащей. Однако Гершензону и его сотрудникам не поверили, отчасти потому, что они не смогли выделить сам фермент, отчасти и потому, что, как известно, нет пророка в своем отечестве. А зря: тот же Темин показал, что в зависимости от ряда условий одни и те же ДНК-полимеразы могут считывать информацию с РНК на ДНК.

Однако как же быть с центральной догмой?.. Весь вопрос в том, будем ли мы считать РНК фенотипом или генотипом. РНК двойственна: транспортная РНК, переносящая аминокислоты к рибосомам, и рибосомная РНК относятся к фенотипу, вирусная РНК составляет геном вируса и потому должна быть генотипом. Информационная РНК (иРНК) как бы посредине: являясь точным слепком гена, она может вернуться в прежнее состояние. Есть вполне обоснованная гипотеза о том, что все РНК-содержащие вирусы были прежде ДНК-содержащими, но потом стадия ДНК выпала из цикла их развития. Однако она может и восстановиться, как это мы видим у вирусов онкогенных, опухолеродных.

Только если мы отождествим ген с ДНК, можно говорить о крушении центральной догмы. Но, как и в случае с цитоплазматической наследственностью, когда наличие генов ограничивали ядром, это будет борьба с выдуманным противником.

После шума в печати, вызванного открытием Темина, один из основателей «центральной догмы» Ф. Крик выступил со специальными разъяснениями. Он разделил всевозможные пути переноса генетической информации на три группы — общие, специальные и неизвестные. В каждой группе по три канала. Группу общих путей мы уже знаем:

1. ДНК → ДНК; процесс, постулированный еще Н. К, Кольцовым. Это самоудвоение, репликация гена, осуществляемая при каждом делении бактериальной клетки, хлоропласта и митохондрии, при каждом митозе.

2. ДНК → РНК; процесс синтеза РНК на матрице ДНК. Таким путем синтезируются транспортные, рибосомные и информационные РНК (так называемая транскрипция).

3. РНК → белок; процесс трансляции, то есть синтеза белковой цепи на рибосоме, считывающей информацию с иРНК. Он-то и создает основу для построения фенотипа.

Вторая группа переносов, специальная, нам тоже известна:

1. РНК → РНК: это синтез РНК-содержащих вирусов, например, вируса табачной мозаики. Ясно, что этот процесс может осуществляться не в каждой клетке, а лишь в клетке, зараженной вирусом.

2. РНК → ДНК; синтез ДНК на матрице вирусной РНК с последующим включением в геном хозяина. Из-за этого-то процесса и разыгрался весь спор о центральной догме. В последнее время уже упоминавшийся нами Темин выступил со смелой гипотезой: он предположил, что такой синтез идет в обычных клетках; информационная РНК может снова перейти в стадию ДНК и вернуться в геном. Она же может переходить от клетки к клетке, «заражая» последнюю информацией. Такие молекулы Темин называет протовирусами и полагает, что, «взбесившись» в результате мутации, протовирус может стать онкогенным (опухолеродным) вирусом. Гипотеза очень заманчивая, объясняющая многие проблемы становления организма из яйцеклетки. Хорошо бы найти эти протовирусы, но пока прямых доказательств их существования не имеется.

3. ДНК → белок; этот процесс использования однонитчатой ДНК как матрицы для работы рибосомы удалось воспроизвести в лаборатории. В природе он не наблюдался, но, как указывает Крик, вполне вероятен для каких-либо вирусов, особенно с однонитчатой ДНК.

И наконец, третья группа — неизвестных переносов:

1. Белок → белок; синтез белка на белковой же матрице. Он никогда не наблюдался и все меньше шансов, что будет когда-нибудь обнаружен. Некоторое оживление вызвало открытие антибиотиков группы грамицидина. Эти цикличные десятизвеньевые цепочки, содержащие необычные и непригодные для обычного матричного синтеза аминокислоты, создаются всего двумя ферментами. Но информация о постройке этих ферментов также идет из генома.

2. Белок → РНК, то есть синтез РНК на белковой матрице. Этот процесс тоже не наблюдался и термодинамически вряд ли возможен. Фактически это обращение цикла работы рибосомы, считывающей матрицу иРНК. Представьте автомобиль, который едет задом наперед и засасывает через глушитель смог; выхлопные газы в цилиндрах превращаются в пары бензина, которые затем через карбюратор тонкой струйкой бензина текут в бак. Не менее дикая картина — рибосома, считывающая информацию с белковой молекулы и синтезирующая иРНК, а других специально приспособленных для этого механизмов в клетках не обнаружено.

3. Белок → ДНК; гипотетический синтез ДНК на белковой матрице. Этот процесс, мягко выражаясь, столь же маловероятен, как и описанный выше. Напомним еще о так называемых стерических несоответствиях — нет никакого сходства между кодоном и аминокислотой, им определяемой. Для того, чтобы информация могла перейти из «кодона в аминокислоту», нужен адаптор, посредник — транспортная РНК, один из концов которой узнает кодон (так называемый антикодон), а другой присоединяет аминокислоту.

Притязания ламаркистов на низвержение «центральной догмы» имели бы смысл, если бы был открыт один из этих трех переносов, но при дополнительном условии: если некий внешний фактор вызовет приспособительное, то есть повышающее шансы на выживание у будущих потомков (!) изменение аминокислотной последовательности белка, а та в свою очередь обусловит соответствующее изменение генома. Ничего подобного не наблюдалось; более того, чем больше мы узнаем о путях генетической информации в клетках, тем менее вероятна возможность подобного открытия. Мнимое поражение «центральной догмы» на деле оборачивается ее подкреплением.

Так что антидогматикам, а точнее — антидарвинистам, уместно вспомнить старую китайскую пословицу: «Если ты очень ждешь друга, не принимай биение своего сердца за стук копыт его коня».

Учение о направленном, создающем целесообразность влиянии внешней среды дольше всего продержалось в микробиологии, для чего имелись причины.

Микроорганизмы, в частности патогенные бактерии, оказались удивительно изменчивыми и легко приспособлялись к новым факторам. В 1910–1917 годах французский бактериолог Ф. д'Эррель открыл, сначала у коккобацилл саранчи, а затем у дизентерийных бацилл вирусы, которые получили название бактериофагов (теперь их называют для краткости просто фагами). В конце концов фаги были открыты у многих бактерий, и немедленно возникла новая отрасль медицины — фаговая терапия — лечение болезней фагами.

Увы, медиков постигло горькое разочарование. Фаги, сначала активно работавшие, переставали убивать бактерий. Процесс этот понят только сейчас. В основе его лежит давно известный принцип эволюции паразитизма — отбор на нанесение наименьшего вреда хозяину. В самом деле, какая польза паразиту, если он убьет всю популяцию хозяина, — ведь за этим последует его же гибель. Поэтому в самом ходе фаговой терапии автоматически отбираются умеренные, не вызывающие гибель бактерий фаги, от которых в конце концов остается лишь ДНК, встроенная в геном хозяина. Этого мало: бактерии, имеющие в своем геноме такой фаг (профаг, как называл его французский исследователь Андре Львов), становятся лизогенными, то есть они в небольшом количестве выделяют фаги активные, вызывающие растворение, лизис клеток бактерий других штаммов, а сами не заражаются повторно фагами того же штамма. Обоюдная выгода хозяина и паразита! Правда, у этой идиллии было темное пятно: в результате обратной или супрессорной мутации профаг мог возвращаться в активное состояние, уничтожая хозяев поголовно.

Но всю эту хитрую механику, описанную нами весьма и весьма кратко, мы узнали недавно. В 20–30-е годы приспособление бактерий к фагам «по Ламарку» многим казалось несомненным. А оказывается, приспосабливались-то не бактерии, а фаги.

Не менее горьким было разочарование врачей вскоре после внедрения в практику сульфамидных препаратов. Сначала эти препараты (тот же сульфаниламид, известный под названием белого стрептоцида) были весьма действенными, но потом быстро потеряли эффективность против многих видов болезней. Удалось узнать, почему это произошло. Оказалось, что стрептоцид по строению очень похож на парааминобензойную кислоту (ПАБК):

Стрептококки сначала «путали» эти вещества, пытаясь синтезировать из стрептоцида важный витамин — фолиевую кислоту (то, что мы называем витамином В). Но фермент, ответственный за эту реакцию, намертво присоединялся к молекуле стрептоцида, и стрептококк погибал от авитаминоза. Так шло до тех пор, пока не появились устойчивые к стрептоциду штаммы. Их ферменты хорошо «различали» молекулы ПАБК и стрептоцида. Иногда процесс «привыкания» шел иным путем: один из ферментов бактерии становился способным расщеплять вредное вещество, или же повышалась селективность клеточной оболочки, и то же вещество не поступало в клетку.

Третье великое разочарование медицины — антибиотики. Когда в медицинскую практику широко внедрился пенициллин, казалось, что наступила золотая эра победы над болезнетворными бактериями. Пенициллин блокировал рост клеточной оболочки, и бактерия, увеличивая массу, в конце концов лопалась. Но микробы быстро приспособились к антибиотику. На смену пенициллину пришли новые антибиотики с совершенно иным механизмом действия. Микробы опять ответили вспышкой приспособительной изменчивости. Поверженный враг поднимался и снова вступал в борьбу. Этот поединок длится не годы — десятилетия.

Еще один пример: большие надежды возлагали на антибиотик стрептомицин. Стрептомицин, всем вам известный, присоединяется к рибосомам бактерий (не трогая человеческих), отчего они начинают «врать»: считывая информацию с иРНК, синтезируют дефектные белки. Одно время он был очень эффективен, но вскоре появились устойчивые штаммы. Этого мало: возникли и такие, для нормального роста которых стрептомицин был необходим!

Немалую роль в выведении подобных штаммов сыграли невежественные врачи, которые, опасаясь сильного действия, прописывали низкие, сублетальные для микробов дозы, а потом пожимали плечами и говорили, что больной (!) к антибиотику привык. А ведь еще открыватель пенициллина Александр Флеминг писал, что с микробом нужно вести тотальную войну, используя ударные дозы.

Ламаркисты казус приспособительной изменчивости объясняли легко: бактерии приспособительно изменились, потому что в самой природе организмов заложена способность к адаптации — приспособительному, целесообразному изменению. Но исследователи, стоявшие на точке зрения дарвинизма, не сдавались. Все эксперименты по выработке у бактерий устойчивости к фагам, ядам и антибиотикам были нечистыми. Бактерии в благоприятных условиях делятся за 20–30 минут, потомство одной бактерии растет в геометрической прогрессии и за короткий срок насчитывает миллионы и сотни миллионов. Кроме того, бактерии обычно гаплоидны — у них только один генный набор, поэтому любая мутация, даже рецессивная, немедленно проявляется в потомстве. Устойчивость может возникнуть случайно, в результате мутации, а при таком темпе размножения отбор быстро уничтожает прежний, «дикий» тип и сохраняет мутантов. Для того чтобы сделать выбор между ламаркизмом и дарвинизмом, нужен был чистый эксперимент, в котором можно было оценить роль отбора и прямого приспособления.

Два блестящих по красоте опыта раз и навсегда разрешили спор между дарвинистами и ламаркистами в микробиологии. Пожалуй, только в физике эксперимент решал однозначно вопросы столь капитальной важности, лежащие в основе всего современного естествознания.

Начнем с так называемого флуктуационного эксперимента М. Дельбрюка[11] и С. Лурии, поставленного более 25 лет назад. В нем восхищает строго математический подход к решению задачи.

Дельбрюк и Лурия рассуждали так: возьмем ряд пробирок с жидкой средой и засеем каждую из них небольшим количеством бактерий. Срок деления их при комнатной температуре около часа. Через час из 100 бактерий получается 200, через 2–400, через 10 — более 10 000. Когда бактерии достаточно размножатся, возьмем из каждой пробирки ряд проб и посеем их в чашки Петри на агар, содержащий антибиотик. Бактерии, неприспособленные к антибиотику, погибнут. Каждая устойчивая, как говорят микробиологи, резистентная клетка даст начало колонии, видной невооруженным глазом.

Если прав Ламарк и резистентность возникает у бактерий в результате приспособительной реакции на антибиотик, вероятность возникновения резистентных колоний будет одинакова в пробах из одной пробирки и из разных пробирок. Вероятность эту можно подсчитать — она должна распределяться согласно закону Пуассона. Пуассоново распределение отличается одним характерным свойством: у него среднее число равно дисперсии — величине, показывающей отклонение от среднего.

А если прав Дарвин? Тогда вероятность появления устойчивых клеток иная. Допустим, в каждой пробирке появилась устойчивая, резистентная бактерия. Но в первой пробирке эта мутация произошла в первый час роста, во второй — в пятый, в третьей — в последний, десятый час перед посевом на ядовитую среду. Тогда в первой пробирке устойчивых бактерий окажется более 1000, во второй — лишь 32, а в третьей — всего одна. Дисперсия должна быть в сотни раз выше среднего. Распределение вероятности здесь не пуассоново, это так называемое распределение Каулсона-Ли, специально разработанное для подобных случаев.

Опыт был задуман и поставлен, а потом неоднократно проверялся. Изучали возникновение устойчивости к самым разнообразным антибиотикам, ядам и бактериофагам. Везде получался четкий и недвусмысленный ответ: дисперсия в сотни раз превышает среднее. Прав оказался Дарвин, а не Ламарк. Предыдущие опыты не учитывали того, что здесь мы имеем два процесса, накладывающихся друг на друга: случайные изменения ДНК бактерий (мутации) и рост бактериальной популяции. Обычно микробиологи лишь указывали на «плохую воспроизводимость» опытов по адаптации бактерий к ядам. Дельбрюк и Лурия однозначно объяснили причины этого явления.

Любопытно, что сторонники наследования благоприобретенных свойств даже не пытаются опровергать этот эксперимент, получивший название флуктуационного или статистического. Это неблагодарная задача. Гораздо проще его замалчивать. Автору приходилось слышать выступления ламаркистов, в которых приспособление бактерий к ядам по-прежнему рассматривается как некое торжество ламаркизма. Знают ли они об опыте Дельбрюка? Для их научной совести лучше было бы, если бы они этого не знали. Но, с другой стороны, невежество не аргумент. Трудно сказать, что лучше.

Сложность математического анализа опыта Дельбрюка и Лурии делает его неубедительным для людей, недостаточно знающих математику. Гораздо более доступен для понимания другой опыт, поставленный В. Ледербергом и Э. Ледерберг. Эти авторы брали большое число чашек Петри с питательным агаром и высевали на них культуру бактерий, чувствительную к антибиотику. На агаре вырастали тысячи колоний — круглых скоплений микробов, каждое из которых возникло из одной клетки. Если затем приложить к поверхности агара лоскуток стерильного бархата, можно перенести бактерии, прилипшие к ворсинкам, в другую чашку Петри. Получится точный отпечаток всех прежних колоний. В опыте Ледербергов отпечатки колоний переносили на агар, содержащий смертельную для исходного штамма концентрацию антибиотика. Так вот, оказалось, что, если число колоний достаточно велико, среди них обязательно найдется хотя бы одна, состоящая из бактерий, резистентных к антибиотику, и материнская колония тоже оказывалась резистентной. Здесь теория приспособительной реакции терпит полный крах. Организм не может приспособляться к фактору, с которым еще не сталкивался. Это превосходит умственные способности не только собаки, но и обезьяны и равносильно признанию чуда. На такое предвидение и человек не всегда способен. Напомним, что споры о том, может ли человек жить в условиях невесомости, прекратились лишь после того, как в космос была послана собака Лайка. Зачем же нам приписывать бактерии способности, превосходящие наши? В конце концов, это неуважение к самим себе.

Упомянем об одной курьезной гипотезе, утверждающей, что адекватная, приспособительная изменчивость присуща низшим организмам, а для высших характерна неадекватная, мутационная (неопределенная изменчивость по Дарвину). Ее можно принять, если автор докажет, почему в ходе эволюции от низших организмов к высшим было потеряно столь ценное свойство, как способность приспособляться — прямо, без отбора? Я думаю, никто из нас от этого свойства не отказался бы.

К тому же, возникновение форм, резистентных к ядам, известно не только у микроорганизмов. В принципе отбор может привести к возникновению форм, обитающих хотя бы в мало-мальски пригодных для жизни условиях. Однако темп развития, смена поколений у высших организмов во много раз медленнее, чем у микробов. Правда, у животных и растений есть преимущество — они диплоидны и хранят в своих генотипах в скрытом виде, как бы про запас, огромные резервы генетической изменчивости, чего лишены гаплоидные микробы.

Массовое, порой совершенно неоправданное применение ДДТ и аналогичных препаратов привело к тому, что возникли устойчивые к ним расы вредных насекомых. Опыты с комнатной мухой показали, что если популяция в опыте гетерогенна, через 4–7 поколений устойчивость к ДДТ возрастает в сотни раз. Наоборот, в чистой линии, где все гены одинаковы, отбор бессилен — там отбирать не из чего, кроме редко возникающих заново мутаций, как установил еще Иоганнсен.

Любопытно, что устойчивость, резистентность к ядам может возникать, как и в случае с микробами, разными путями. Одни насекомые приспосабливаются расщеплять попавший в организм яд, у других — повышается непроницаемость хитиновых покровов, а у третьих — вырабатывается стойкий рефлекс избегать отравленных поверхностей.

Статистика Всемирной организации здравоохранения показывает, что уже в 1963 году было известно не менее 81 расы вредных насекомых, устойчивых к инсектицидам. Сколько их сейчас?

Важно подчеркнуть, что адаптация к столь сильно действующим факторам дается не даром. Все резистентные формы в той или иной степени «уроды» — у них замедленный рост, пониженная плодовитость, нередки морфологические отклонения от нормы. С точки зрения ламаркизма это необъяснимо. Если отбор на резистентность прекращается, «дикая норма» быстро вытесняет устойчивую расу. Это имеет важное практическое значение: адаптация не возникает с фатальной неизбежностью, и если мутантные штаммы микробов будут вытеснены обычными, старые антибиотики вновь обретут эффективность. То же относится и к устойчивым формам насекомых, клещей, круглых червей — нематод.

Известен и пример возникновения резистентности у позвоночных. В борьбе против мышей и крыс в последнее время широко применяются антикоагулянты. Это не яды в строгом смысле слова, но они не дают крови свертываться, животные гибнут от внутренних кровоизлияний. В ряде мест Европы уже обнаружены популяции крыс, устойчивых к антикоагулянтам. Установлено, что резистентность обусловливается одним доминантным геном. В популяции крыс, впрочем, легко могут получить распространение и рецессивные гены, если они имеют адаптивное значение, так как крысы живут семьями, происходящими от немногих основателей; каждая семья генетически изолирована от другой. В таких условиях генетический дрейф в сочетании с отбором семей достигает предела, рецессивный ген быстро распространяется на всю популяцию, и, если он в данных условиях адаптивен, семья, отпочковывая новые семьи, может завоевать целые континенты.

Примечательно, что невольное или умышленное отравление человеком своей планеты менее всего вредит вредным для него самого видам. Если в ближайшее время не будет установлен жесткий контроль над загрязнениями биосферы, нашими сожителями на Земле будут лишь сорные растения, мухи и крысы. Будем надеяться, что человечеству хватит разума понять весь ужас этой перспективы и начать борьбу против бездумного, потребительского «хозяйствования». Для этого мало, чтобы каждый турист, оставляющий после себя «зону пустыни», и каждый директор завода, экономящий на водоочистительных сооружениях, поняли, что совершают преступление. Загрязнение биосферы не признает государственных границ, и для борьбы с ним нужны совместные усилия всех государств. Поэтому народы мира приветствуют Соглашение между правительством СССР и правительством США о сотрудничестве в области охраны окружающей среды.

По какому пути может пойти данное сотрудничество? Это не только разработка систем использования воды и воздуха на производствах с замкнутым циклом. Это и замена химического метода борьбы с вредными организмами биологическими, и в первую очередь генетическим методом Серебровского. Быть может, один из перспективнейших способов борьбы с загрязнением среды — «бактериологическая война». В настоящее время не только реки, но и моря и океаны страдают от загрязнения нефтепродуктами и синтетическими моющими средствами. Когда пароход входит в устье какой-нибудь западноевропейской реки, винт его взбивает пену не хуже, чем в стиральной машине. Помните, что «Лотос» или «Новость» в больших концентрациях губительны для всего, обитающего в воде!

Но есть микроорганизмы, усваивающие нефтепродукты; в настоящее время ведется поиск и выведение новых пород микробов, которые бы «переваривали» пластмассы и моющие средства. На этом пути уже получены первые успехи, а достижения генетики микробов настолько велики, что, я уверен, не успеет эта книга выйти в свет, как проблема будет решена. Скорее всего, городские бытовые стоки, прежде чем быть спущенными в реки и моря, пройдут через бассейны, куда внесены нужные микроорганизмы. А если в результате аварии танкера море зальется нефтью на большом протяжении, самолеты будущей всемирной службы охраны природы засеют его с воздуха суспензией нефтепожирателей. Загрязненные нефтью районы моря будут картироваться со спутников, как это делается и сейчас.

А пока — строжайшая дисциплина в отношениях с природой! Причинить природе урон можно самым неожиданным способом. Помню, что одна туристская компания в тропиках развесила на своих прогулочных катерах объявления. В них убедительно просили не выбрасывать за борт полиэтиленовых мешочков для завтраков, ибо морские черепахи принимают их за медуз, глотают и погибают.

Микроорганизмы отличаются еще одним свойством, которое ламаркисты используют очень охотно в своей борьбе против сторонников Дарвина. Это способность к адаптивному синтезу. Исключите из среды, в которой растет обычнейший микроб — кишечная палочка, соль фосфорной кислоты — и бактерии немедленно начнут вырабатывать новый фермент — щелочную фосфатазу, расщепляющую эфиры фосфорной кислоты. Замените в среде глюкозу сложным сахаром лактозой — и клетки тотчас же ответят синтезом фермента β-галактозидазы, расщепляющего лактозу на два простых сахара — глюкозу и галактозу. Все это происходит на протяжении «одного поколения» бактерии (то есть от деления до деления), отбор мутантов тут явно ни при чем. Чем это не адекватное приспособление по Ламарку?

Это казалось столь же несомненным, как вращение небесного свода вокруг Земли, и оказалось столь же неверным. Классические опыты сотрудников Пастеровского института Ф. Жакоба и Ж. Моно, впоследствии лауреатов Нобелевской премии, не оставили камня на камне от ламаркистского толкования феномена индукции ферментов, как еще называют адаптивный синтез.

Оказалось, что в единственной хромосоме бактерий есть гены, ответственные за синтез индуцируемых ферментов, но они заблокированы до того времени, пока понадобятся, особыми веществами — репрессорами. Пока они не нужны, для них нет расщепляемых ферментами веществ — субстратов. Но вот субстрат для ферментов, например, лактоза, попадает в клетку. Синтез репрессора немедленно прекращается, ген β-галактозидазы выходит из-под его контроля, и начинается синтез нужного фермента.

Квантом жесткого излучения или мутагеном можно «испортить» или вообще вырвать из хромосомы этот ген. Такие мутанты теряют способность использовать лактозу как источник углерода, подобно тому, как мы не можем синтезировать из глюкозы аскорбиновую кислоту.

Мутация может сыграть с бактерией еще более скверную шутку. Синтез репрессора также управляется особым геном. Мутация гена-репрессора превращает индуцируемый фермент в так называемый конститутивный, синтезирующийся постоянно. Мутантный по этому гену штамм синтезирует ненужный фермент, например β-галактозидазу, в 1000 раз интенсивнее, чем дикий штамм, содержание этого фермента в клетке доходит до 10 % суммарного содержания белков. Естественно, такие клетки с разрушенным механизмом регуляции растут медленно. Они подобны холодильникам с испорченными терморегуляторами, которые работают все время и зря изводят энергию. В природных условиях такие штаммы не выдержали бы конкуренции с нормальными бактериями «дикого» типа. Но в контролируемых человеком условиях они могут оказаться весьма полезными — например, для выработки фермента, нужного в медицине.

Индуктором «адаптивного» фермента обычно бывает его субстрат, то есть вещество, реакцию с которым он катализирует. Исследования показали, что есть вещества — прекрасные субстраты для β-галактозидазы (например, эфиры галактозы), но индуцировать ее синтез они не могут. Наоборот, вещества — великолепные индукторы не могут быть субстратами для фермента и индуцируют ее синтез впустую. Что же остается от ламаркистской теории адаптивного синтеза? Только название — адаптивные ферменты, и то их чаще стали называть индуцируемыми.

Вся история с индуцированным синтезом ферментов лишний раз подтверждает истину, известную еще Иоганнсену: нельзя проводить знак равенства между генотипом и фенотипом. Первый несравненно богаче второго. Подобно тому, как надводная часть айсберга — лишь незначительная часть подводной, комплекс признаков, который мы именуем фенотипом, — лишь незначительная часть тех наследственных задатков, которые скрыты в генотипе. Сравнение можно продолжить: подтаявший айсберг с грохотом переворачивается, обнажая прежде скрытую часть. Так и организм в изменившихся условиях проявляет в фенотипе признаки, которых у него не было прежде, но информация о которых была закодирована в его генах. Здесь нет никакого направленного изменения наследственности; изменяется только ее проявление.

Именно так следует рассматривать все случаи определенной изменчивости, изменяющей все члены популяции — морфозы, фенокопии и модификации, со времен Ламарка считавшиеся доводом в пользу теории адаптивной изменчивости. Рассмотрим эту проблему. Оговоримся только, что у микроорганизмов путь от гена к признаку весьма короткий. Здесь признаком служит сам фермент, индуцируемый геном. Иное дело — высшие организмы — животные и растения. У них признаки — нередко весьма сложные и определяемые полигенно детали структуры клеток, тканей и органов. Лишь в отдельных случаях, о которых мы уже упоминали, например, при окраске млекопитающих, удается найти ответственный за такой признак фермент или группу ферментов. В процессе развития сложного организма из прежде однородных клеток начала дробления зиготы получаются все более и более разные группы клеток. Наступает процесс дифференциации. В результате, например, нейрон млекопитающего совершенно не похож на эпителиальную клетку или мышечное волокно. И все эти изменения — следствие того, что одни гены в одних клетках заблокированы, а в других — нет. Дифференциация клеток, а вслед за ними тканей, органов и целого организма в конце концов сводится к тому, что в одних клетках таких-то белков больше, а в других — меньше. Это и изменяет формы клеток, их функции и порядок расположения в организме. Длинный путь от гена к признаку высшего организма не должен нас смущать, если мы знаем, во-первых, что ген определяет признак, а во-вторых, что продукт гена — белок (или транспортная и рибосомная РНК).

Там, где признак можно свести на молекулярный уровень, анализ существенно упрощается. У американской радужной форели, например, как и у прочих животных, имеются группы генов, ответственных за синтез ферментов, выполняющих одну функцию, но несколько различных по свойствам. Такие ферменты называются изоэнзимами или изозимами. Оптимум действия одних изозимов расположен при низкой температуре, других — при высокой («холодные» и «теплые» изозимы). Оказалось, что сезонная смена температур блокирует гены одних изозимов и индуцирует гены других. Сходный механизм действует при смене гемоглобинов в онтогенезе человека. До тринадцатой недели внутриутробной жизни в эритроцитах зародыша преобладает так называемый гемоглобин F, более устойчивый к щелочной среде плаценты. К концу первого года жизни ген, ответственный за его синтез, блокируется полностью, и в дальнейшем работает лишь ген гемоглобина А. Есть, правда, случаи (обычно связанные с разными формами анемии), когда ген F не репрессируется всю жизнь.

Итак, какой-нибудь из факторов внешней среды может стать индуктором, активируя один ген и блокируя другой. При этом фенотип меняется.

Быть может, крайний предел влияния внешней среды на организм являет нам морской червеобразный организм зеленая бонеллия. У этого вида пол генетически не детерминирован и зависит от условий, в которых развивается личинка. Личинки бонеллии плавают в толще воды, затем оседают на дно. Осевшие на дно вырастают в довольно крупных животных с широким хоботком. Если же на этот хоботок сядет другая личинка, она под действием каких-то гормонов, выделяемых клетками его поверхности, превращается в самца — микроскопическое животное, всю жизнь обреченное жить в выделительной системе самки.

Менее кардинальные изменения фенотипа — морфозы. Они приспособительны и неадекватны вызвавшему их фактору. Проще выражаясь, это те или иные ненаследственные уродства. Иногда они выглядят точной копией какой-нибудь мутации и тогда называются фенокопиями. Но в отличие от мутаций они не наследственны. У особей с фенокопиями рождаются вполне нормальные дети.

У человека, например, существует тяжелейшее наследственное уродство «волчья пасть», бывшее смертельным до разработки методов оперативного лечения. Фенокопию «волчьей пасти» у животных можно получить, действуя на развивающийся в утробе матери эмбрион высокими дозами кортизона или кислородным голоданием (гипоксией).

Если морфоз возникает под действием строго определенного фактора у 100 % особей, он называется модификацией. Очень часто считают, что все модификации приспособительны, повышают устойчивость организма к вызвавшему их фактору. Однако это далеко не так, в чем нас убеждают изящные опыты советского генетика И. А. Рапопорта. Он добавлял в среду, на которой развиваются личинки дрозофилы (манная каша с изюмом и дрожжами), самые разнообразные химические вещества и получал у 100 % выходящих мух модификации — фенокопии. Так, если добавить в среду любую соль серебра (это доказывает, что индуктор — именно ион серебра), то получаются мухи, абсолютно точно имитирующие мутацию «желтую». Ион бора обусловливает появление мух, схожих с мутацией «безглазая», и так далее.

Каков молекулярный механизм этих явлений? Пока трудно сказать, но все вещества, применявшиеся Рапопортом, — сильные яды (как говорят химики, ингибиторы), отравляющие ферменты. Ионы их слипаются с активным центром фермента, и он перестает работать, катализировать реакцию. Многие из них специфичны и действуют только на определенный фермент. А в конце концов, для развития признака все равно — ген поставляет дефектный фермент или же фермент «портится» внешним фактором.

Отсюда открывается широчайшее поле деятельности для выяснения пути между геном и признаком. В общем, химику нетрудно определить специфический ингибитор для того или иного фермента. Подействовав на развивающийся организм этим ингибитором, мы выясним, какой признак изменяется. Дальнейшее ясно. Если, например, для лечения какой-либо болезни требуется такой-то фермент, мы сможем его ввести в организм.

К сожалению, мои попытки в этом направлении не увенчались успехом. Я преподнес дрозофилам один из антибиотиков — актиномицин, действие которого отлично известно: актиномицин присоединяется к молекуле ДНК и тормозит синтез РНК. Нельзя сказать, чтобы опыты оказались совсем безуспешными. Изменившиеся мухи были, но самого разного сорта — бескрылые и с короткими скрюченными крыльями, гигантские и миниатюрные, с коротким телом и разного цвета и даже с меланомами — раковыми включениями. Короче, это были морфозы. И вполне понятно. Актиномицин обрывал синтез разных белков у разных мух, ему-то было все равно, к какому участку ДНК присоединяться. В данном случае, чтобы найти путь от гена к признаку, надо было следовать за Рапопортом — я блокировал ген, а нужно было блокировать фермент.

А теперь поговорим об адаптивных модификациях — основном доводе Ламарка.

Эта категория ненаследственных изменений фенотипа возникает из предыдущей — неприспособительных морфозов и модификаций. Если изменение окажется в данном случае приспособительным и повысит шансы изменившейся особи на выживание, ее потомки будут сохранять ту же тенденцию. Фактически описанные нами ранее случаи адаптивного синтеза белков у бактерий — и есть адаптивные модификации. В том и различие между мутациями и модификациями: первые — сырой материал для естественного отбора, вторые — его конечный результат.

Чаще всего модификации описываются у растений, и это вполне понятно. Подвижные животные в случае изменения внешних условий могут переместиться в иное, более привычное для них место. Растения всю жизнь прикованы к тому месту, куда ветер, птицы или животные занесли их семена. Много модификаций описано и для сидячих или малоподвижных животных. Колония одного и того же вида рифового коралла может иметь совершенно разную внешность в зависимости от прибоя и течения. Обычные, всем известные двустворчатые моллюски — беззубки настолько изменчивы, что один и тот же вид порой дробили на десятки. У сидячих и малоподвижных организмов модификации так распространены, что являются поистине бичом систематиков. Еще Ламарк ссылался на известный факт, что водные полупогруженные растения имеют совершенно разные листья: надводные листья стрелолиста, например, стреловидные, а подводные — лентовидные.

Если модификации объединены в одном растении, еще не беда. Хуже, когда весь облик растения меняется в зависимости от местообитания. Нет нужды в большом количестве примеров — сравните хотя бы сосну в сосновом бору и на торфяном болоте.

Порой бывает трудно в таких случаях определить индуктор, вызывающий модификацию. Казалось бы, в случае стрелолиста индуктором должна быть вода. Но если вы вырастите стрелолист на суше при ослабленном освещении, у него и в воздухе разовьются лентовидные листья. Есть и еще более разительные примеры. При засухе многие растения образуют засухоустойчивые листья. На первый взгляд индуктор — недостаток влаги. Но такие же листья возникают, если растение поставить в дистиллированную воду, лишенную минеральных солей. Именно такие случаи, когда индуктор один, а фактор среды, к которому приспосабливается модифицируемое растение, другой, с точки зрения ламаркизма необъяснимы.

Подчеркнем, что модификации сами по себе ненаследственны. Наследуется лишь способность к ним (то есть норма реакции, о которой мы уже говорили), как и любые генетически детерминируемые признаки. Японские садоводы из века в век ищут в горах выросшие карликами деревья и содержат их в таких условиях, чтобы они развивались, цвели, но не росли. Такие деревца — бонсаи — действительно очаровательны. Но из семян бонсаи вырастают обычные деревья.

Большинство тех особенностей структур и функций высших организмов, которые мы обозначаем несколько расплывчатым термином «признаки», — полигенны, определяются многими генами. Таковы, например, признаки рыб: число позвонков и число лучей в плавниках, число жаберных тычинок и т. д. Многие из них, хотя бы число позвонков, зависят от температуры в момент развития икринки. Если мы будем инкубировать икру датской форели при пониженной температуре, то вышедшие из нее мальки по числу позвонков будут походить на форелей из рек Норвегии. Повышенная температура, напротив, обусловливает возникновение малопозвонковой модификации, схожей с форелями Адриатики. Замечательно, что многопозвонковость скандинавских форелей и малопозвонковость адриатических уже генетически жестко закреплена. Это признаки, на которые изменения температуры перестали влиять. Форели средиземноморского бассейна не сталкиваются уже давно с низкими температурами, и степень изменчивости их фенотипа снизилась, а у северных форелей наблюдался тот же процесс, но направленный в обратную сторону. Датские форели сталкиваются и с теплом и с холодом; им выгоднее остаться способными к модификационным изменениям, сохранять широкую норму реакции.

Причины этого процесса понятны: хотя модификации и не наследственны, способность к ним заложена в генотипе. Если нужда в модификации отпадает, отбор уже не контролирует этот механизм. В результате накопления неконтролируемых отбором мутаций происходит утеря реакции фенотипа на давно не встречавшиеся в жизни популяции факторы среды.

Часто упоминаемый в романах Скотта и Стивенсона шотландский тетерев — граус не что иное, как белая куропатка. Белой она называется потому, что белеет зимой. Однако в малоснежных областях северной Англии и Шотландии граус потерял способность к смене окраски: зимняя окраска ему просто уже не нужна. Основываясь на этом и ряде других изменений, грауса порой выделяют в отдельный вид.

Много подобных случаев описано и у растений. Так, некоторые широко распространенные растения образуют долинные и горные формы. Если семена горной формы пересадить в долину, из них вырастут особи долинной формы. А близкие виды, распространенные только в горах, даже в долинах останутся горными.

Эта тенденция, широко распространенная среди видов, перешедших от изменчивых условий к более стабильным, таит в себе опасность. Организм с узкой нормой реакции подобен конусу, поставленному на вершину: любой толчок выводит его из равновесия. Бесчисленные вымершие виды животных и растений постигла эта участь.

Быть может, это одна из причин, почему наши средние широты, в отличие от тропических, являются ареной становления новых, прогрессивных видов, — в тропиках условия много стабильнее.

Проанализировав множество подобных фактов, наш замечательный эволюционист И. И. Шмальгаузен пришел к выводу, что в данном случае мы имеем дело с одним из проявлений стабилизирующего отбора: ламаркистское объяснение здесь явно неприемлемо.

Известный эмбриолог и генетик К. Уоддингтон описал процесс, названный им «генетической ассимиляцией». Если куколок дрозофилы на определенной стадии подвергнуть на несколько часов действию температуры, превышающей оптимальную, у части вышедших из них мух наблюдается фенокопия, похожая на мутацию — разрыв крыловой жилки. Отберем этих мух и будем разводить «в себе» (инбридинг), в каждом поколении подвергая температурному шоку и последующему отбору. Через 20 поколений частота возникновения фенокопий возрастает почти до 100 %, и для их возникновения иногда не требуется теплового шока. Казалось бы, это типичная ламаркистская «ассимиляция внешних условий». Но вспомним, что в каждом поколении велся отбор на пенетрантность (см. главу о наследственности) проявления признака. Фактически мы накопили в популяции мух — носителей генов, вызывающих модификацию в данном направлении. Дальнейшие опыты показали, что, во-первых, чем более гетерогенна популяция, тем быстрее проходит процесс «ассимиляции», а, во-вторых, разные линии резко отличаются реакцией на отбор. Это вполне понятно: чтобы отбор действовал, для него нужен материал (вспомним мух, приспосабливающихся к ДДТ).

Итак, способность организмов к адаптивным модификациям, к тем изменениям фенотипа, на которые, как говорил К. А. Тимирязев, отбором наложена «печать полезности», генетически запрограммирована. Несомненно, в процессе эволюции колебания нормы реакции играли и играют важную роль. Быть может, один из самых интересных и животрепещущих вопросов теории эволюции — это изучение тех путей и способов, какими условия внешней среды выявляют в фенотипе разные стороны генетической информации. На фоне открытий последних лет в этой области ламаркистское «приспособление вследствие приспособляемости» выглядит убогой тавтологией.

Трудно переоценить и практическое значение проблемы управления нормой реакции. Так, хотя мы и не научились исправлять мутировавшие гены, но в ряде случаев уже можем при помощи комплекса внешних факторов блокировать их действие, как бы вызывая модификацию, «обратную по знаку» (простейший пример — лечение наследственного диабета инсулином).

Мы можем заключить, что все известные нам случаи приспособления удовлетворительно объясняются «по Дарвину». Ламаркистское истолкование каждый раз не выдерживает критического анализа. Но, может быть, ламаркизм неуязвим в другом — например, в объяснении эволюционного прогресса?..