Борис Медников - Дарвинизм в XX веке

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.