Борис Медников - Дарвинизм в XX веке

Мы можем заключить эту главу утверждением, что эволюционная теория Дарвина не только выдержала проверку генетикой, но и необычайно окрепла в результате заключенного с ней союза. Однако многие явления еще оставались неясными, в частности, само понятие гена. Что такое ген? Из чего он состоит? Каковы механизмы его изменения и его действия? Каждый новый шаг на пути познания порождал новые вопросы. Ответы на некоторые из них дала совсем юная наука — молекулярная биология, с достижениями которой мы сейчас и познакомимся.

Ген обретает плоть

Мы предлагаем вашему вниманию структуру соли дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Эта структура имеет некоторые новые свойства, которые представляют значительный биологический интерес.

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!