На своем пути к разгадке тайны жизни биологи, как указывает д-р Бек в своей статье, пришли к гипотезе, согласно которой сложная молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) является ключом к передаче наследственных признаков. Слева: Незначительная часть «модели» ДНК, состоящей из двух винтообразных и переплетенных цепочек молекулярных «субчастиц»; в модели они представлены цветными шариками. Целое (молекула ДНК) обладает той особенностью, что после разъединения обеих цепочек каждая будет содержать все необходимое для процесса размножения. Так одна единица превращается в две, и жизнь продолжается.

Доктор Бек — автор книги «Современная наука и природа жизни», профессор медицинского факультета Гарвардского университета и выдающийся ученый. Быть ученым — это значит, по его определению, «максимально использовать свой разум, не налагая на него никаких ограничений». Такой подход к науке неотделим от стремлений человечества к лучшему взаимопониманию и прогрессу.

Историки науки склонны проводить исторические параллели между физикой и биологией. Действительно, сходство бросается в глаза. И в физике, и в биологии, например, многие важные сдвиги произошли лишь после того, как каждая наука открыла соответствующие элементарные частицы: в одном случае — атом, в другом— клетку. Обе науки родились в глубинах столетий, отягощенных суевериями и отмеченных несколько напыщенным мнением человека о собственной значимости. В древности человек считал нашу Землю центром Вселенной, а самого себя — конечной целью мироздания, существом совершенно отличным от остальных тварей.

Далее, «Математические начала натуральной философии» Исаака Ньютона, появившиеся в 1687 году, непременно сравниваются с «Происхождением видов» Чарлза Дарвина, вышедшим в 1859 году. И в самом деле, обе эти работы выдвинули — каждая в своей области — великие объединяющие теории и со временем привели к изменению взглядов человека на себя самого и на мироздание, оказав влияние на все уголки человеческой мысли и культуры. Однако, несмотря на сходство, эти две знаменитые книги обнаруживают и различия, на основании которых можно сделать некоторые выводы. Во-первых, книга Ньютона почти немедленно получила всеобщее признание, книга же Дарвина, как хорошо известно, вызвала яростные споры, которые, может быть, и сейчас еще окончательно не изжиты. Во-вторых, эти книги отличаются просто тем, что одна появилась на 172 года раньше другой. И, наконец, можно отметить, что аргументация Ньютона проще, убедительнее и в большей степени поддается проверке опытом. Тот факт, что ньютоновская революция в физике произошла почти на два столетия раньше, чем дарвиновская революция в биологии, повлек за собой интересные исторические последствия: физика успела достаточно развиться и дорасти до второй теоретической революции. Этот новый переворот произошел уже в текущем столетии, на базе работ Эйнштейна, выдвинувшего систему идей и понятий, значение которых трудно переоценить. Продолжая далее историческую параллель между физикой и биологией (это занятие, вероятно, не только развлечет нас, но и даст возможность сделать некоторые предсказания), мы можем задать логичный вопрос: а где же и когда произошла в биологии новая революция, подобная, по своему огромному значению, перевороту, произведенному эйнштейновской критикой классической механики?

По моему убеждению, эта вторая революция в биологии происходит именно сейчас, на наших глазах. Ниже я попытаюсь вкратце охарактеризовать ее, потому что мы переживаем, возможно, один из судьбоносных моментов в истории науки. Изыскания последних лет показали, что важнейшая проблема в биологии, с которой связаны все остальные, — это проблема гена. Уже для того, чтобы заняться этой проблемой, наука должна была получить своего рода озарение, но скоро, кажется, она сможет дать четкий ответ на поставленный вопрос. Поэтому я и считаю, что биология стоит на пороге нового великого этапа, во многом напоминающего революцию, происшедшую в физике. На каких же данных основывается такое утверждение? Рассмотрим последние открытия биологической науки.

Эволюция и наследственность

Девятнадцатое столетие было свидетелем не только ожесточенных споров, но и создания целого ряда основных биологических теорий. Во-первых, общее признание получило то упомянутое выше открытие, что элементарной частицей жизни является клетка, что все многоклеточные растения и животные состоят из отдельных клеток, мало, отличающихся одна от другой, и что все клетки образуются путем деления. Во-вторых, было выяснено, что после первого спонтанного возникновения жизни на земле все живое стало рождаться только от других живых существ, а не из самопроизвольного превращения мертвой материи.

Это положение, установленное кропотливыми исследованиями Пастера, поставило перед учеными во всем объеме вопрос о происхождении жизни на земле и привело в XX веке к важнейшим исследованиям в этой области и к новым теориям, классический вклад в которые сделал русский биолог А. И. Опарин.

Далее нужно вкратце упомянуть о теории эволюции. Дарвин убедительнейшим образом показал, что эволюция видов явилась следствием борьбы за существование между особями одного вида и между различными видами. Естественный отбор ведет к накоплению благоприятных признаков и к постепенному изменению организмов, которые все лучше и лучше приспосабливаются к среде. Это и есть эволюция. Современная наука рассматривает эволюцию как основной принцип развития жизни, как естественный процесс, органически присущий материальному миру, — процесс, благодаря которому сначала возникли простейшие формы жизни, а затем из них развились все остальные, ныне вымершие и современные, живые существа.

И наконец огромный вклад в науку сделал в прошлом столетии Грегор Мендель. Его опыты по гибридизации гороха показали, что наследственность определяется комплексами материальных частиц, существующих в зародышевых клетках каждого растения. Когда зародышевые клетки обоих родителей соединяются, их наследственные, или генетические, частицы смешиваются, и передающаяся потомству комбинация определяет его наследственные характеристики.

Основным в открытии Менделя было следующее: он показал, что организм, который обладает биологическим признаком только одного родителя, скажем, отцовской окраской, может тем не менее передать по наследству своему потомству соответствующий признак второго родителя, т. е. (в нашем примере) материнскую окраску. Значит, генетические частицы материнской окраски все время в скрытом виде присутствовали в организме, хотя и подавленные генетическими частицами отцовской окраски. И они не только могли просуществовать одно поколение в скрытом виде: они — что особенно важно — за это время не изменились, и когда им представился случай проявить себя в признаках позднейшего поколения, оказалось, что пребывание под спудом на них не повлияло. Отсюда был сделан вывод, что наследственность зависит от некоторого мозаичного распределения отдельных и независимых материальных частиц, непрерывно существующих во времени. В 1909 году великий датский биолог Вильгельм Иогансен назвал эти частицы генами.

Генетические мутации

Дарвин, как и многие другие, не обратил внимания на открытие Менделя. Собственно говоря, только в этом столетии ученые полностью осознали, что открытия Дарвина и Менделя парадоксальным образом противоречат друг другу. Мендель обнаружил существование частиц наследственности, которые передаются из поколения в поколение и характеризуются прежде всего стабильностью, неизменяемостью. Именно эта устойчивость и обусловливает принадлежность потомства к тому же виду, к которому принадлежат родители. Дарвин же, напротив, показал, что виды не являются устойчивыми категориями, что они возникают в процессе эволюции. Как же примирить эти два положения? Ответ содержится в слове «мутация», что значит случайное изменение самого гена.

Когда ген претерпевает мутацию, он внезапно переходит в другое устойчивое состояние. Так как о генах мы можем судить только по результатам их действия, то о мутации гена мы знаем только на основании так называемого «свидетельства потомков» — появления у потомства измененных признаков, которые в дальнейшем передаются по наследству последующим поколениям. Сами по себе мутации происходят довольно редко. Однако в 1927 году Генри Дж. Мюллер (Мёллер), профессор университета штата Индиана, экспериментируя с дрозофилами (плодовыми мушками), обнаружил, что, воздействуя на зародышевые клетки рентгеновскими лучами, можно искусственно повысить частоту мутаций: чем больше доза облучения, тем чаще происходят мутации. Это открытие, за которое ученый в 1946 году получил Нобелевскую премию, привело к признанию того факта, что решающим фактором эволюции служат редкие спонтанные мутации, вызываемые, главным

образом, действием рассеянной радиации, всегда присутствующей в окружающей среде.

Случайные мутации вызывают изменение признаков, о котором говорил Дарвин, и, насколько мы можем судить, служат единственным источником генетической изменчивости, а следовательно и эволюции. С помощью естественного отбора полезные мутации накапливаются, организмы приспосабливаются к среде, эволюция развивается дальше и дальше. Так удалось примирить положение Дарвина о биологической изменчивости с положением Менделя о генетической устойчивости. Ген не меняется, за исключением тех случаев, когда он подвергается мутации. После мутации он опять сохраняет устойчивость, но существует очень небольшая вероятность, что он может вернуться к прежнему состоянию с помощью новой мутации. Ибо как ни редки мутации, в популяциях клеток они происходят регулярно.

Таким образом стало ясно, как гены передаются потомству, как они могут меняться и как, следовательно, можно объяснить явления наследственности и эволюции. Неясно было только одно: с помощью какого механизма гены побуждают организм развивать тот или иной биологический признак? Пусть в гене и заложен план будущей постройки, но как узнаёт об этом плане строитель? Теперь настало время по-новому подойти к решению вопроса.

Роль ферментов

Путеводной нитью послужили остроумные опыты двух ученых Калифорнийского технологического института Дж. У. Бидла и Э. Л. Тэйтума. В качестве классического объекта для генетических исследований они пользовались, помимо гороха и плодовых мушек, нейроспорой — красной плесенью, появляющейся на хлебе. Чтобы лучше понять суть этих экспериментов, ознакомимся предварительно с некоторыми фактами. Живой организм можно рассматривать как саморегулирующий механизм, осуществляющий обмен веществ. Основная цель этого механизма — химические преобразования одних питательных веществ в другие, необходимые для производства энергии и для роста. Суть обмена веществ схематически можно изобразить просто:

А—Б—В—Г—Д—Е

Допустим, что А — продукт питания, а Е — вещество, или соединение, необходимое организму. Промежуточные соединения представляют собой просто производные и стадии ряда последовательных химических реакций, из которых каждая протекает под воздействием одного из существующих в клетке ферментов. Ферментами, или энзимами, называются специализированные белковые молекулы, единственное назначение которых заключается в катализе и контроле вышеупомянутых реакций. Число реакций в организме исключительно велико, и почти каждою из них «заведует» какой-то определенный фермент. Не будь его, соответствующая реакция была бы невозможна. Судя по некоторым показателям, исключительная специфичность каждого фермента достигается за счет сложного пространственного размещения ограниченного числа аминокислот, из которых слагаются все белки, независимо от того, являются ли они ферментами или нет.

Все биологические признаки, следовательно, можно рассматривать как видимые проявления реакций, контролируемых ферментами. Так например, темная окраска кожи обусловливается синтезированием темного фермента в клетках кожи под действием определенных ферментов. Другими словами, наличие или отсутствие тех или других ферментов вызывает появление видимых характеристик организма, которые мы называем биологическими признаками. Тогда поставленный выше вопрос мы вправе формулировать так: какова связь между генами и ферментами?

Бидл и Тэйтум взяли культуру нейроспоры, могущей произвести вещество Е из продукта А. Нейроспоре для роста требовалось Е, но она могла успешно расти и в среде, содержавшей только А, так как обладала ферментами, превращавшими А в Е. Ученые обнаружили, что после облучения многие новые поколения нейроспоры теряли способность роста в среде, содержавшей только А, но могли расти, если в культуру добавлялось Е. Другими словами, условием роста по-прежнему было вещество Е, но нейроспора потеряла способность вырабатывать Е из А.

Внимательно проанализировав это явление, ученые пришли к выводу, что вызванный облучением разрыв цепи произошел лишь в одном звене:

 

организм не мог, скажем, превращать В в Г, но вся остальная цепь не была нарушена. Это можно было доказать путем двойного эксперимента: продемонстрировать нормальный рост нейроспоры в среде, содержащей только Г (т. е. доказать, что часть цепи Г—Д—Е остается в целости) и затем убедиться в том, что в среде, содержащей только А, происходит значительное накопление вещества В (т. е. доказать, что А по-прежнему превращается в В, но В более не преобразуется в Г). Полученные результаты дали возможность предположить, что облучение рентгеновскими лучами приводит к появлению потомства, лишенного одного-единственного фермента. И действительно, химический анализ показал, что «фермент В—Г» в новой культуре отсутствует. Далее было доказано, что когда нейроспору поддерживали искусственно, снабжая ее недостающим продуктом прерванной ферментной реакции, размножение протекало нормально, но недостающий фермент отсутствовал и во всех последующих поколениях.

Совершенно ясно, какие выводы следуют из этого классического эксперимента. Вызванная облучением мутация привела к появлению новой породы нейроспоры, лишенной одного фермента. Бидл и Тэйтум поэтому постулировали следующую связь между генами и ферментами: на каждый фермент приходится один ген (гипотеза «один ген — один фермент»). За этот важнейший вклад в науку ученые в 1958 году получили Нобелевскую премию.

Наш вопрос теперь сводится к выяснению природы связи между геном и ферментом. Естественным будет предположить, что ген несет в себе некоторую модель, по которой строятся молекулы производимого фермента. Поскольку ген все время строит молекулы по одному и тому же образцу, мы можем представить себе, что между геном и ферментом существует чисто механическая связь, как в книгопечатании. Согласно такому представлению ген — это стереотип со сложным узором, все время печатающий один и тот же оттиск, т. е. фермент. Механическое повреждение гена (например, при облучении) влечет за собой исчезновение соответствующего фермента.

Такое представление приводит нас к другому вопросу: каков химический состав гена или, точнее говоря, каков химический состав хромосом, ибо существование гена продолжает оставаться недоказанным постулатом, в то время как хромосома представляет собою видимую нами структуру? Давно уже было известно, что из ядра клетки можно выделить необычное вещество, названное, в силу его кислотной природы, нуклеиновой кислотой. Затем было установлено, что существуют два вида этой кислоты, слегка отличающихся друг от друга по химическому составу и местонахождению: дезоксирибонуклеиновая кислота, сокращенно обозначаемая ДНК, содержится только в ядре, в то время как рибонуклеиновая кислота (РНК) может находиться и вне ядра. Выяснилось, что молекулы нуклеиновой кислоты представляют собой необычайно длинные соединения, напоминающие цепочки. Эти цепочки состоят из многочисленных звеньев, называемых нуклеотидами. Сами нуклеотиды тоже являются сложными соединениями. В каждом нуклеотиде есть одно из четырех различных веществ, называемых азотными основаниями. Для удобства обозначим их соответственно цифрами 1, 2, 3 и 4. Тогда химический состав ДНК можно представить себе как длинную цепочку повторяющихся звеньев, каждое из которых содержит те же четыре основания. Что-нибудь вроде:

… (1-2-3-4) — (1-2-3-4) — (1-2-3-4) — (1-2-3-4) . . . Никто, впрочем, не знал, имеет ли цепочка такой вид, как показано выше или несколько более разнообразный:

… (3-2-1-4) — (1-4-3-2) — (2-4-1-3) — (4-3-1-2) . . . Собрав все эти сведения, биохимики отложили в долгий ящик дело о нуклеиновой кислоте — любопытном белом клейком порошке неизвестного назначения.

Со временем, однако, нуклеиновая кислота неожиданно снова выплыла на поверхность в нескольких местах. Так например, маститый профессор Калифорнийского университета Уэнделл Стэнли, лауреат Нобелевской премии, показал, что вирусы — это не что иное, как частицы нуклеиновой кислоты с белковой оболочкой. Когда вирус проникает в клетку (что ему необходимо для начала размножения), белок остается снаружи, и внутрь клетки попадает только нуклеиновая кислота. Вероятно, значит, именно нуклеиновая кислота и заставляет клетку произвести на свет двести с лишним совершенно новых вирусов и определяет, когда и как она должна эти вирусы выработать.

Следовательно, нуклеиновая кислота несет в себе «наследственную информацию» и обеспечивает тот факт, что каждый новорожденный вирус будет копией своего родителя.

ДНК — ключ к размножению?

По мере того как результаты других экспериментов подтверждали, что молекула ДНК является носителем генетической информации, возникали все новые и новые вопросы. Можно ли считать ДНК веществом, из которого сделаны гены? Если да, то что такое «ген» — одна молекула ДНК или несколько? Каким образом ДНК передает генетическую информацию, если нуклеотиды ДНК различных организмов химически тождественны? Когда в процессе размножения клетка создает новую ДНК, каким образом сохраняется генетический код, т. е. запись наследственной информации? Но среди всех этих загадок один знаменательный факт не подлежал сомнению: наконец-то произошла судьбоносная встреча биологии, химии и физики. Ибо ДНК есть химическое соединение, которое несет биологическую информацию где-то в своем физическом строении.

Все было готово для штурма одной из величайших тайн естествознания. В 1953 году Дж. Д. Уотсон, ныне работающий в Гарвардском университете, и профессор Кембриджского университета Ф. Б. С. Крик сообщили о произведенном д-ром М. Г. Ф. Уилкинсом в Лондоне анализе чистой ДНК с помощью диффракции рентгеновских лучей. Анализ показал, что ДНК является винтообразной спиралью с высоко организованной структурой. Самым интересным в этом открытии было то, что спираль образовывалась не одним, но двумя параллельными рядами нуклеотидов. Было выяснено также, что любой отрезок одного ряда нуклеотидов предопределял порядок расположения нуклеотидов в другом ряду, потому что в ограниченном пространстве тесно сплетенной структуры только определенные пары оснований могли размещаться бок о бок.

Такая модель молекулы ДНК могла объяснить очень многое. Спираль, состоявшая из двух цепочек, сразу же навела на мысль о самовоспроизводящем механизме. При делении клетки цепочки могут отделяться, но каждая цепочка должна служить матрицей для изготовления нового компаньона, ибо каждое основание в цепи принимает в пару себе только одно определенное, дополняющее его, основание. Таким образом ДНК второго поколения должна оказаться тоже двухрядной, с тем же порядком расположения нуклеотидов в каждом ряду. Сохранение порядка расположения имеет первостепенное значение, так как все показатели говорят за то, что порядок расположения оснований и есть тот шифр, которым записана вся наследственная информация. Теоретики быстро подсчитали, что если бы цепочка ДНК содержала только сто звеньев по четыре нуклеотида в каждом (в действительности она содержит тысячи), то число возможных линейных размещений значительно превысило бы число атомов в солнечной системе. Если вдуматься, такой диапазон возможных вариаций более чем достаточен для объяснения специфичности ферментов. А именно: нуклеотиды придают ферментам специфичность, так как укладывают аминокислоты, из которых строятся ферменты, в некотором правильном порядке. Порядок расположения нуклеотидов таким образом определяет, какие именно появятся ферменты и какими, следовательно, биологическими признаками будет наделено каждое поколение.

По последним данным, ДНК осуществляет синтез ферментов не непосредственно. Производство ферментов напоминает скорее процесс изготовления граммофонных пластинок. Сначала артист наигрывает оригинал пластинки. С него делается матрица. Затем с помощью последней изготовляется любое число пластинок. Оригинальной пластинкой в нашем случае является ДНК, в которой порядок расположения химических оснований «наигран» эволюцией. Матрицей, передающей запись далее, служит РНК. Материалом, на котором РНК отштамповывает «грамзапись», служат белки, которые, восприняв данный оттиск, становятся тем или иным ферментом.

Жизнь и нежизнь — неразрывная цепь

Сейчас биохимики уже научились искусственно синтезировать цепочки нуклеотидов и ищут способов, с помощью которых нуклеотиды можно было бы

расположить в нужном порядке. За исключительно важное открытие ферментов, позволяющих осуществить этот синтез, профессор Нью-йоркского университета Северо Очоа и профессор Стамфордского университета Артур Корнберг получили в 1959 году Нобелевскую премию по медицине. Можно было бы назвать этот синтез попыткой искусственного создания жизни, но такое определение не много прибавит к нашему представлению о том, что уже сделано, и о том, что остается сделать. Мы исследуем физические явления, полностью доступные нашему пониманию, и в свете этого понимания слова «жизнь» и «живое» звучат слишком расплывчато, Мы вступили в область, где такие слова ничего не дают. В этой области нет четких разграничений, и рассуждения о том, где кончается жизнь и начинается «не-жизнь», теряют всякий смысл. Что происходит, то происходит, а все остальное, возможно, нами лишь примышляется. Ведь только метафизические соображения побуждают нас допустить априори, что существует абсолютный и непреодолимый разрыв между одушевленной и неодушевленной материей. Опытные данные, напротив, заставляют скорее предположить обратное — что понятия «живое» и «неживое» подобны словам «горячее» и «холодное». Эти понятия обозначают лишь отрезки спектра, отмечающего постепенный переход от простого к сложному: на сложном конце находится живая материя, на простом — неживая. Середина же спектра не подходит ни под одно из этих понятий.

Таков в общих чертах этап, на котором стоит современная генетика. Биологическая наука, несомненно, сейчас стремительно приближается к пониманию жизни в механистическом аспекте. Это движение и можно рассматривать, кажется мне, как вторую великую революцию в биологии.

Вышеизложенные представления влекут за собой длинный ряд практических и теоретических выводов. Так например, мы всё яснее отдаем себе отчет в том, какое значение может иметь увеличение числа мутаций. Мы можем предсказать, как часто сталкиваются гены с частицами ионизирующего излучения, и следовательно знаем, что число мутаций увеличивается, если возрастает количество радиации в окружающей среде. Большинство генетических изменений, вызванных этими столкновениями, принадлежит к тем, которые генетики называют «смертельными». Это значит, что клетки, претерпевшие такие изменения, теряют способность к размножению. Этим они зачеркивают себя и сходят со сцены. «Несмертельные» мутации сохраняются — и в следующих поколениях могут появляться все чаще и чаще.

По вопросу, о том, являются ли новые мутации обязательно вредными, существует немало противоречивых высказываний. Не могут ли эти мутации играть нейтральную или даже благоприятную роль в борьбе за существование? В конце концов, мы ведь считаем, что эволюция была прямым следствием накопления благоприятных мутаций. Повышение и понижение шансов организма на выживание в результате вызванных мутациями изменений целиком зависит от среды. Генетическая характеристика динозавров, например, обеспечивала им существование до тех пор, пока не изменилась среда, т. е. не наступило похолодание. Тогда оказалось, что в новой среде старые гены уже не дают никаких преимуществ, и динозавры вымерли. Но мы не знаем, как в будущем изменится среда, а следовательно и не можем утверждать категорически, что рост числа мутаций (который неизбежно последует за увеличением радиации в среде) окажется полезным, вредным или совершенно нейтральным.

Переходя к непосредственным практическим задачам, можно сказать, что новая биохимическая генетика уже сослужила большую службу медицине. Выяснено, что многие заболевания — например, малокровие с серповидным изменением эритроцитов — связаны с отсутствием ферментов или изменением состава белков, а как мы знаем, и то и, другое зависит от генов. Эти примеры показывают, какую пользу могут принести человечеству новые знания. Наука сейчас проникает все глубже и глубже в интереснейшую область, где поведение организмов объясняется законами физики и химии. Будем надеяться, что вместе со знанием придет и мудрость, ибо мы стоим на пороге великих открытий. ▼