Искатель, 1961 №6

Р. Подольный
ЕСЛИ УПРАВЛЯТЬ КЛЕТКОЙ

Рисунки Р. Знамеровского

Заглянем в микроскоп, на предметном стекле которого лежит тончайший срез ткани растений. Наш взгляд захватил клетки «врасплох». Одни из них имеют ясно видимое четкое ядро, окруженное плазмой, другие мы застали в момент деления, в разных его стадиях. Меняя поле зрения, можно проследить весь ход деления клетки. Ядро набито перепутанными нитями-хромосомами. В каждой клетке их одинаковое количество: одним из главных признаков, любого вида живых существ считается определенное число хромосом. В клешах гречихи, например, 16 хромосом, в каждой телесной клетке человека 46 хромосом.

Но вот хромосомы начинают укорачиваться, утолщаться и больше уже не перепутываются друг с другом. Перед делением каждая хромосома словно копирует сама себя — создает рядом свое идеальное подобие, вторую, дочернюю хромосому.

Вот мы видим, как хромосомы-«матери» и хромосомы-удочки» расстаются, отходят в разные стороны клетки, к полюсам этого микромира. Термин «полюса» ввели здесь сами биологи. А на «экваторе» клетки возникает, отделяя «детей» от «родителей», новая клеточная стенка.

Мы стали свидетелями важнейшего природного процесса, создавшего в конечном счете все многообразие живого мира, — процесса размножения клетки.

Но… возьмем и посмотрим другой препарат. Что такое? По его клеткам тоже можно проследить процесс удвоения числа хромосом. Но дальше положение меняется. Словно чья-то невидимая рука остановила начавшие расходиться к полюсам хромосомы, удержала их в одной клетке.

Что случилось?

С научными открытиями бывает иногда так, что сначала их описание занимает прочное место лишь в узкоспециальных книгах. И только много позже выясняется подлинное их значение, и десятки миллионов людей узнают имена исследователей. Взять хотя бы первое разложение атомного ядра Резерфордом в 1919 году.

Так получилось и с опытами И. И. Герасимова. Правда, вторгся он не в атомное ядро, а в клеточное.

В последнем десятилетии, прошлого века он подверг нитчатую водоросль спирогиру воздействию низких температур и наркотиков. Это, разумеется, вызвало нарушение нормальных жизненных процессов клеток.

Часто при делении в одну из новых клеток вообще не попадало хромосом. Она оставалась без ядра и скоро погибала. Зато в другой, более счастливой клетке оказывалась двойная порция хромосом, и в ней образовывались два ядра. Порою эти ядра объединялись в одно, с двойным набором хромосом. И это было действительно везением, потому что такие диплоидные (от греческого «ди» — «два») клетки стали не только гораздо крупнее обычных одноядерных, но в них значительно активней пошли все жизненные процессы.

Так впервые была доказана возможность вызвать искусственным путем так называемую полиплоидию (от греческого «поли» — «много»). Емка речь ученых. Самый короткий перевод этого слова на общепонятный язык звучит так: кратное увеличение числа хромосом в клетке…

Итак, уже Герасимов нашел несколько путей для достижения такого эффекта. Его последователи разнообразили приемы и распространили их на сотни видов растений. Чего только они не делали! Одни продолжали воздействовать на клетку низкими температурами, другие, наоборот, повышали температуру, привлекали все новые химические вещества.

Немало нашлось способов помешать хромосомам в ядре отделиться вовремя стеной — много ключей подходило к замку, но у каждого такого ключа, говоря фигурально, были свои недостатки. То он вообще не провертывался в замке, то поворачивался со скрипом. Не все растения подчинялись применяемым способам воздействия, слишком редко давали эти меры желанный эффект. А главное — в большинстве случаев вводимые вещества слишком сильно подавляли многие процессы в клетке.

А между тем еще в 1887 году медики выделили из ядовитого растения безвременник яд — алколоид колхицин. Выделили, изредка применяли как болеутоляющее, а потом перестали — слишком уж он оказался вредным. И лежал колхицин без дела, упоминаемый лишь в старых фармакологических справочниках, целых пятьдесят лет — раза в полтора больше, чем сиднем сидел на своей печи богатырь Илья Муромец.

Только в 1937 году колхицин взяли в свои руки генетики. И ахнули: вот он, желанный ключ!

Не мешал колхицин ни росту клетки, ни распадению ядра на хромосомы, ни делению хромосом.

Мешал только хромосомам расходиться.

С помощью колхицина можно создать огромную клетку, в которой будет тысячи полторы хромосом. Но это уже будет чересчур.

Клетка вскоре погибнет.

Зато клетки, в которых хромосом оказывалось только вдвое больше, чем обычно, часто радовали биологов.

И не мудрено. Достаточно присмотреться глазами ученого к существующим растениям, чтобы убедиться в широкой распространенности естественных полиплоидов, в преимуществах, которыми многие из них обладают.

Всюду побывали ученые — счетчики хромосом. В лесах Швеции и Поволжья они порой встречали удивительные осины, которые росли вдвое быстрее обычных и достигали таких размеров, что заслужили имя исполинских.

Исследование нарциссов показало, что до 1885 года в Голландии были особенно распространены сорта этих цветов с 24 хромосомами в ядре, затем их сменили более крупные, 36-хромосомные, а те, в свою очередь, в самом конце века были побеждены 48-хромосомными. И все это случилось до того, как явление полиплоидии было вообще открыто и объяснено!

Осины, цветочки… Поль де Крюи в великолепной книге «Борцы с голодом» описал завоевание мягкой пшеницей полей Канады и США. Сейчас 20 процентов всех посевов пшеницы занимают мягкие сорта. В их клетках 42 хромосомы вместо 14 — у предка пшеницы и 28 — у твердых сортов.

Человек просто пользовался следствиями неизвестного ему явления как подарком природы. Даритель предпочитал оставаться неизвестным.

Чем больше изучали естественную полиплоидию, тем более любопытные вещи открывались перед учеными.

Оказалось, что розы, растущие на севере, часто имеют большее число хромосом, чем другие их виды на юге.

В субтропической Сицилии полиплоиды составляли меньше трети всех растений. Зато на холодном Шпицбергене уже четыре пятых растений были полиплоидами, а на острове Колгуеве — даже больше 90 процентов. Оказалось, что многие растения, попав в условия севера или высоких гор, начинают давать полиплоидное потомство.

Одну из причин этого понять легко — недаром в опытах Герасимова как раз низкие температуры вызывали полиплоидию.

В значительной части случаев полиплоидное потомство оказывалось после нескольких лет естественного отбора лучше приспособленным к новым условиям, чем их родственники с меньшим набором хромосом.

Конечно, так случалось не всегда. Творческий путь художника — природы — отмечен миллионами неудачных произведений. Бывает, что полиплоиды оказываются менее жизнеспособны, чем исходная форма, но таких случаев наблюдалось гораздо меньше, чем обратных. Полиплоиды расширяли пределы своего обиталища, устремлялись в Арктику, на Памир — туда, где плохо приживались их соперники. Но если одни облюбовали себе север, то некоторые виды полиплоидов, наоборот, повели наступление на Сахару и сумели приспособиться к ее зною и безводью.

Полиплоиды происходят от организмов с меньшим количеством хромосом, существуют рядом с ними, но явно (в исторических масштабах, охватывающих миллионы лет) наступают на своих родителей и старших братьев, угрожая им вытеснением. Примерно так же млекопитающие когда-то одержали решающую победу над ящер ж и. Только в этом природном процессе темпы, видимо, ускорятся. В него, кроме неторопливых законов эволюции, вмешивается человек — вечный революционер. Ему как можно скорее нужны самые урожайные, самые плодовитые, самые мощные и красивые виды растений. Если это полиплоиды — значит подавай ему полиплоиды, говоря точнее — он сам будет их создавать и распространять, как уже рассадил по земному шару такие естественные полиплоиды, как пшеница, картофель, банан, люцерна, хлопчатник, овес, сахарный тростник.

У нее были голова льва, туловище козы и хвост в виде змеи. Так говорит о чудовище Химере один из древнегреческих мифов. Это грозное имя оставило свой след в скульптуре средневековья (вспомните химер Собора Парижской богоматери), а в наше время прочно заняло свое место в литературе как обозначение несбыточной мечты и… в биологии. Так, в частности, называют растения, состоящие из генетически неоднородных тканей. Вот такой химерный куст. В нем нет ничего страшного, но особенное есть. Листья сморщены и покрыты неровными пятнами. Клетки этих пятен по строению резко отличаются от остальных, в ядрах не два, а четыре или шесть наборов хромосом. Все это вызвано действием колхицина на проросток растения.

Но мы можем отделить от него побег, из которого возникнет тетраплоидное растение, своего рода дитя химеры. Оно-то и даст нам полиплоидные семена.

Полиплоидию можно вызвать и прямым действием растворов колхицина на семена или корни растений. Все эти способы сейчас широко применяются в лабораториях Советского Союза и всего мира.

Мечта сделать больше и плодовитее все живое, что служит человеку, с давних пор владела умами людей. Романы Уэллса «Пища богов» и Лагина «Патент АВ» — примеры художественного выражения этой мечты.

Шаг за шагом, медленно, но верно осуществлял человек эту давно поставленную цель. Зерно пшеницы сейчас вдвое тяжелее, чем пять тысяч лет назад. Это результат отбора, который проводили многие десятки поколений земледельцев. Отбор и селекция принесли нам все богатство современных культурных видов. Но нельзя ли ускорить осуществление мечты?

Перед нами демонстрировавшаяся последние годы на Выставке достижений народного хозяйства тетраплоидная гречиха, выведенная кандидатом биологических наук В. В. Сахаровым в сотрудничестве с В. В. Мансуровой и С. А. Фроловой. Она в полтора-два раза крупнее обычной, это относится и к стеблю и к цветкам. Гораздо крупнее семена. Более темные, чем у «родительницы», листья свидетельствуют о большей способности усваивать солнечный свет. Может быть, поэтому, как показали исследования, в крупе из новой гречихи выше содержание белков.

Гигантская гречиха побивает обычную не только по росту. Согласно рекомендации, которую дала ей Выставка достижений народного хозяйства Союза ССР, она более устойчива против полегания, лучше переносит холод.

Обычную гречиху приходится убирать с поля раньше, чем она полностью созреет, — слишком легко она осыпается. Тетраплоиды не столь капризны. На территории десяти областей испытывался новый сорт в 1960 году, и с хорошими результатами.

Другой вид гречихи вывел академик Белорусской академии наук профессор А. Р. Жебрак. Его гречиху с успехом сеют в ряде белорусских колхозов.

Но главное направление работ Жебрака в полиплоидии — получение новых видов пшеницы. Он вывел более ста новых ее полиплоидных форм.

Конечно, далеко не все они оказались годными к непосредственному использованию в сельском хозяйстве. Но материалом для дальнейшей гибридизации и селекции, для глубоких теоретических исследований могли быть почти все.

Мы уже говорили, что самая обычная пшеница — уже полиплоид с 28 или 42 хромосомами. Жебрак вывел еще 56- и 70-хромосомные формы.

В ГДР вывели замечательную тетраплоидную «петкусокую» рожь, дающую на 30 процентов больше зерна и зеленой массы, чем обычные сорта.

Для лакомок в Англии создали замечательно крупные груши, в Швеции получены полиплоидные яблоки до 2 кг веса — хоть стальную каску надевай во время сбора. И это лишь небольшая часть успехов полиплоидии.

Впрочем, здесь самое время немного отвлечься от рассказа и сделать необходимое примечание, которое можно условно назвать

Может показаться, что достаточно положить какие-то семена на сутки в раствор колхицина, потом вынуть, посадить в землю — и собирай через несколько месяцев урожай и славу.

На самом деле все это далеко не так просто. Только во взаимодействии со старыми испытанными способами селекции обретает свое истинное значение полиплоидия.

В опытах только что возникшие полиплоиды в большинстве оказываются слабыми и отнюдь не плодовитыми. Один из видов тетраплоидной ржи принес урожай всемеро меньший, чем диплоид. Грустно вздыхали поначалу селекционеры, глядя на ростки тетраплоидной гречихи. Однако эти полиплоиды представляют собой великолепный материал для отбора. Год за годом выращивают биологи все новые и новые поколения растений, пока к ним не приходит желанная победа. Тут вряд ли что-нибудь выйдет, если с самого начала ставить опыт только над десятками или сотнями семян и ростков. Здесь, как в военном деле, победа на стороне «больших батальонов». Тысячи и десятки тысяч растений, разнообразие опытов и условий, в которых они проводятся, — вот непременное условие успеха.

Полиплоидия оказалась важной не только сама по себе. Она пришла на помощь другому очень важному методу биологии — гибридизации.

Мало того, что при соединении представителей разных видов, а то и*родов мы можем получить совершенно новый вид. Нас еще словно премируют тем, что новое растение или животное обладает так называемой гибридной силой… Взять хоть известного своей выносливостью мула — помесь осла и лошади. Но мул дорого расплачивается за это ценное качество — он лишен возможности иметь потомство.

Точно так же при отдаленной гибридизации вновь возникающие растения часто оказываются неспособны к размножению семенами. Чтобы понять, отчего это произошло, запомним, что в каждой обычной клетке находится двойной набор хромосом, а в каждой половой — только одинарный. Но половые клетки образуются из обычных. Перед этим в диплоидной клетке происходит замечательнейшее и важнейшее событие, которое один из ученых назвал «танцем хромосом». (Говорите после этого, что наука пользуется только скучными и непонятными терминами!) «Танец» этот длинен и сложен, хромосомы-партнеры встречаются и расходятся, словно подчиняясь правилам. старинных бальных танцев. Но каждая из них встречается только с парной себе (набор-то двойной, и в нем — «каждой твари по паре») и даже может во время фигур так тесно переплестись с этим напарником, что обменяется с ним частями своей поверхности.

Но в конце концов пары расходятся: одна — в одну сторону клетки, другая — в другую, их разделяет стенка — и вот вам две половые клетки. Одна из целей «танца» — сделать так, чтобы в каждой половой клетке было по одному представителю каждой пары хромосом.

Так вот у отдаленного гибрида, как и полагается, в каждой клетке два набора хромосом — один от отца, другой от матери. Но хромосомы, как и сами родители, скажем терн и алыча, не похожи друг на друга. И теперь они, бедняжки, никак не могут найти себе пару. В результате, как правило, таким гибридам приходится размножаться вегетативным способом.

Но… хорошо, если это возможно. А вот как нужно было действовать академику Н. В. Цицину, когда выяснилось, что ржано-пырейные гибриды не дают потомства? Ответ был найден. Надо было сделать ржано-пырейный гибрид тетраплоидом.

Что же получилось? Каждая хромосома в процессе обычного деления клетки создала себе пару, но теперь эта напарница не ушла в новую клетку-«дочь», а осталась в старом ядре, и ее создательнице стало с кем танцевать «танец хромосом». Половые клетки стали иметь двойной против обычного по количеству набор хромосом, у ржано-пырейных гибридов первого поколения появились наследники.

«Преодоление бесплодия у ржано-пырейных гибридов является большой победой советской селекции», — писал академик об этих результатах. Большое значение этот прием имел и в опытах Жебрака, о которых уже говорилось.

Одним из главных поставщиков эфирных масел служит человеку перечная мята. «Размножается вегетативно», — так написано в Большой советской энциклопедии. Еще бы! Редко-редко находят на этих многолетних кустистых растениях семена. Но они нужны селекционерам, которые добиваются повышения содержания в растении ментолового масла. И приходилось обмолачивать урожай с целых гектаров, чтобы получить несколько горстей семян.

В ряде стран вообще прекратили селекционную работу с этим видом — показалось, что игра не стоит свеч. Перечная мята — тоже отдаленный гибрид. И тот же прием, что и академик Н. В. Цицин, использует Александр Николаевич Лутков, который сейчас заведует лабораторией полиплоидии Новосибирского института цитологии и генетики.

В результате резко изменилась форма метелочек, образуемых соцветиями, растения стали крупней. А главное — только с одного из них можно было собрать до 5 тысяч семян. Это открывало широчайший простор для селекционной работы.

Селекция полиплоидной мяты принесла свои плоды — повышение содержания масла, увеличение урожая. И еще одно преимущество имеет полиплоидная мята, особенно удобное для механизаторов. Диплоид склонен расстилаться по земле, пускать от стебля добавочные корни, его трудно отделить от земли.

Полиплоиды стоят прямо, как храбрые солдаты, косилка срезает их легко и без остатка.

Поэтому уже сейчас полиплоидная перечная мята занимает почти половину всех посевов этого растения.

Глава называется «Чем хуже — тем лучше». Так можно сказать о сделанном биологами открытии: чем менее плодовит был гибрид сразу после получения, тем больше потомства даст он, став полиплоидом. 5 тысяч семян перечной мяты — одно из подтверждений этого факта.

Бывают случаи, когда человек даже заинтересован в том, чтобы семян не было. Не верится? Вспомните хоть вишни. Честное слово, можно бы обойтись без косточки. Или арбузные семечки. Только место занимают.

И здесь приходит на помощь полиплоидия — мастер на все руки.

При этом стараются получить гибриды с нечетным числом наборов хромосом. Такие гибриды почти всегда бесплодны. Но и тут простым действием колхицина, разумеется, цели не достигнешь. Поэтому сначала получают тетраплоидную форму какого-нибудь растения, а потом скрещивают с диплоидом. Вот так японцы скрестили две формы арбуза. И получился арбуз-триплоид. Нельзя сказать, чтобы в нем совсем не было семян, но их гораздо меньше, они незрелы и так же не замечаются при еде, как недозрелые семена в самом обычном огурце.

Исключительно перспективны работы, которые в самые последние годы повела лаборатория полиплоидии Новосибирского института цитологии и генетики. Их цель — получение для нашего сельского хозяйства триплоидов свеклы. В Дании и Венгрии триплоиды уже господствуют на свекловичных полях. Они дают добавку в конечном получении сахара с гектара на 15–20 процентов. Эта цифра слагается из значительного повышения сахаристости и некоторого роста урожая. При высоких урожаях обычной свеклы в ней, как правило, понижается содержание сахара. Так сказать, нос вытащил — хвост увяз. Триплоиды не имеют этой дурной привычки, они за счет количества не теряют в качестве. Так не проще ли было просто ввезти их семена из-за границы? Такие опыты делались. Но у нас гораздо более суровые условия. Это сказывалось. Нам нужны свои триплоиды. И вот с 1958 года, используя не только сибирское, среднерусское, украинское лето, но и кавказскую теплую зиму, превращая один год в два, создают мастера полиплоидии триплоиды свеклы. Сейчас свыше 50 тысяч триплоидных гибридов, полученных на основе самых различных сортов, испытываются в 16 точках Советского Союза.

Семена для посева придется получать каждый год заново, скрещивая выращиваемые на специальных участках тетрааплоиды с диплоидами. Но ведь точно так же у нас и в США сеют кукурузу гибридными семенами, получаемыми на специальных полях. В конечном счете в обоих случаях — это весьма недорогая плата за буйное торжество гибридной силы, за искусственный гигантизм..

Попробуем представить, что может принести нам искусственная полиплоидия вместе со своими старшими братом и сестрой — отбором и гибридизацией и младшей сверстницей — радиобиологией.

Деревья в лесах мощнее и прекраснее. И в них почти нет дупел, следов гнили — полиплоидные формы устойчивы против большинства болезней. Гораздо больше стало замечательнейших лиственниц. Кто сказал, что это реликтовые, отходящие на задний план, уступающие место другим деревьям растения? Гигантская полиплоидная лиственница (отдельные экземпляры ее найдены в природе и уже создаются искусственно), став несравненно жизнеспособней своей предшественницы, опровергла пессимистические предсказания. А под этим дубом, наверное, сидел еще Пушкин? Вот это ствол! Что вы?! Это подросток, ему всего лет двадцать с небольшим.

На полях покачивается 5-6-метровая конопля, высоко держит голову полиплоидный лен, дающий особенно длинные, тонкие и в то же время прочные волокна.

А вот пшеница. Каждое растение несет пять-семь сотен зерен. Это результат ее «брака» с плодовитейшим элимусом. Но этот «брак» был бы бесплоден, если бы в свое время (в наше время) гибрид не сделали полиплоидом.

На бахчах растут арбузы, мякоть которых, срезав верх корки, можно есть прямо ложкой из природной миски. Семечки сплевывать не придется…

В садах с деревьев свисают такие яблоки, что десятилетний мальчишка не съест зараз больше половины, такие груши, что одной штуки хватит на банку варенья. А ведь есть еще апельсины, одна долька которых не помещается в стакан, и неслыханный виноград…

Цветы нашего скромного севера поспорят размерами и окраской с тропическими — полиплоидия уже сейчас дает возможность разнообразить величину, форму, цвет, даже запах существующих видов.

Полиплоидам найдется место не только на Земле. В кабине космического корабля, возможно, именно они будут ускоренными темпами очищать воздух, давать космонавту обогащенную белками пищу. Кстати, судя по уже проведенным опытам, они более устойчивы к ионизирующим излучениям, чем их старшие родственники, лучше умеют приспосабливаться к изменяющимся условиям. Может быть, полиплоиды первыми вступят на почву Венеры и Марса…

Основы великих достижений будущего закладываются сегодня.