Тайнопись наследственности? Она уже у корректора

 

В 1920 году в Саратове собрались селекционеры всей России. Один из докладов приковал к себе всеобщее внимание теоретически интересным и практически важным выводом: у родственных растений схожи и мутации.

Вот, например, хлебные злаки. У пшеницы 8 видов: твердая, мягкая, карликовая и другие. В каждом из них при определенных условиях бывают формы озимые и яровые, красноколосные и белоколосные, остистые и безостые, краснозерные и белозерные. То же генетическое многообразие наблюдается у ржи, овса, ячменя. Эти семейства можно расположить параллельными колоннами так, чтобы в одной шеренге очутились разновидности с аналогичными признаками. Получится классификация, напоминающая периодическую систему элементов. В ней, как и в первом варианте менделеевской таблицы, некоторые клетки окажутся пустыми. Но почему бы не заполнить вакансии гипотетическими, пока не известными ботаникам организмами, опираясь на принцип подобия? Так в свое время поступил Менделеев, предсказавший существование еще не открытых тогда «простых химических тел» и точно описавший их ожидаемые свойства.

Профессор В. Р. Заленский, один из делегатов, сказал: «Съезд стал историческим. Биология будет приветствовать своего Менделеева».

Докладчиком был Николай Иванович Вавилов.

Сформулированный им закон гомологических (основанных на сходстве) рядов позволяет предвидеть, какие мутации могут возникать у того или иного растения, если они обнаружены у его родича или 258 предка. А в 1939 году ученый объяснил причину найденной им периодичности.

В том же году болгарский биолог академик Дончо Костов говорил: «Академик Вавилов – самый популярный ученый на свете; хотя он еще сравнительно молод, нет уголка на Земле, где не знают его имени». Действительно, Николай Иванович числился почетным членом лондонского Королевского общества, Шотландской, Индийской, Чехословацкой академий наук, дюжины научных обществ и университетов разных городов – от Софии до Мехико. На обложке международного журнала «Наследственность» приведен список величайших биологов мира.

Сразу после имен Дарвина, Менделя и нобелевского лауреата Моргана стоит Vavilov.

Проводя аналогию между вавиловским и менделеевским открытиями, профессор Заленский едва ли мог тогда предполагать, насколько она глубока.

В самом деле, природа периодичности в свойствах химических элементов была объяснена лишь после того, как физики разобрались в структуре атома.

Концепция «неделимого» потерпела крах. Та же судьба ожидала и генетику.

В 1928 году Н. П. Дубинин, работавший тогда под руководством профессора А. С. Серебровского, изучал изменения внешнего облика, искусственно вызванные рентгеновским излучением у дрозофилы (плодовой мухи). Он убедился, что теория Моргана, считавшая точечную мутацию преобразованием всего гена как элементарной, не дробимой далее единицы, не соответствует экспериментальным фактам.

Дубинин построил линейную модель гена, где былой «неделимый» предстал расчлененным на дольки – Николай Петрович назвал их «центрами».

Оказалось, что хромосомы могут обмениваться не только целыми генами, но и их фрагментами. Что отдельные элементы этой сложной структуры не индивидуалисты; они взаимодействуют друг с другом, и их влияние на организм зависит от положения среди соседей.

На новую концепцию с уничтожающей критикой обрушился маститый немецкий биолог Рихард Гольдшмидт. Но теория центров восторжествовала. За ее разработку Дубинин в 1933 году удостоился международной Рокфеллеровской премии.

Нападали не только теоретики, но и практики.

И не только зарубежные. «К чему делать из мухи слона? – язвили люди, далекие от подлинной науки. – Вместо того чтобы повышать продуктивность скота, вы возитесь с какой‑то цокотухой. Муховоды!»

«Многие тогда не понимали, что голая эмпирика, господствовавшая в работе большинства селекционеров, хотя и дает некоторые результаты, однако никогда не сможет без осмысливания, без теории привести к серьезному успеху, – рассказывает академик Н. П. Дубинин. – Большое число (обычно десятки пар) хромосом у животных затрудняет изучение генетических явлений. То ли дело плодовая мушка!

У нее всего четыре пары хромосом. Можно работать с тысячами особей одновременно. Причем следующее поколение появляется всего через каких‑нибудь 10 дней. А недавние эксперименты по изучению молекулярной структуры гена, открывшие новую страницу в науке, были поставлены с бактериофагами.

В пробирке каждые 20 минут удается получать новые поколения микробных вирусов, состоящие из миллиардов особей. Если бы подобные исследования пришлось проводить на домашних животных, потребовались бы целые стада и эпохи!» Конечно, арсенал исследовательского вооружения у нынешнего экспериментатора несравненно богаче, чем 30–40 лет назад. Тогда не было ни электронных микроскопов, ни меченых атомов, ни мощных ультрацентрифуг – всего того, что позволило использовать преимущества фагов перед дрозофилой. Тем не менее именно та методика, которая была разработана в опытах с никчемной дрозофилой, проложила дорогу к нынешнему триумфу в расшифровке тонкого строения гена.

– Если биологи научатся управлять мутациями, – говорит Дубинин, – то, пожалуй, удастся так видоизменять организмы, что их новый облик будет отличаться от старого не меньше, чем слон от мухи. – И добавляет: – Дрозофила заслуживает такого же монумента, какой воздвигнут в Колтушах по идее И. П. Павлова в честь подопытных собак.

Кстати, там же, в павловском городке под Ленинградом, был сооружен и памятник Менделю. Великий русский физиолог придавал огромное значение генетике вообще и в частности ее роли в изучении высшей нервной деятельности. Действительно, между павловскими и менделевскими идеями существует глубокая взаимосвязь.

В 1947 году увидела свет книга С. Н. Давиденкова «Эволюционно‑генетические проблемы в невропатологии». Автор говорил о наследственных факторах, определяющих особенности высшей нервной деятельности, ее нормальные и аномальные проявления. Это событие академик Леон Абгарович Орбели, один из крупнейших наших физиологов, расценивал как настоящее торжество советской науки.

Да, не только цвет глаз, кожи, волос, не только рост и телосложение завещаются предками потомкам. Бывает врожденная глухонемота. Передаются из поколения в поколение также черточки характера, темперамента; наследуются маниакально‑депрессивные психозы, шизофрения, некоторые иные душевные расстройства.

Понятно, сколь велико значение генетики в познании тайн души и тела. Нащупав молекулярные пружины удивительного копировального механизма, заключенного в живой клетке, ученые смогут активно влиять на его деятельность, преобразуя живую природу по своему усмотрению. Попытки редактировать наследственную программу организмов в практических целях уже предприняты.

В 1925 году в Ленинградском институте радия Г. А. Надсон и Г. С. Филиппов сделали важное открытие: ионизирующее излучение способно вызывать мутации. Опыты проводились с дрожжевыми грибками. Два года спустя тот же эффект был обнаружен американцем Г. Меллером в экспериментах с дрозофилой. А в 1928–1930 годах наши ученые А. А. Сапегин и Л. Н. Делоне впервые применили рентгеновскую радиацию в селекционных целях. Им удавалось резко изменить генотипы пшениц. В 1934 году появилась основополагающая статья Андрея Афанасьевича Сапегина «Рентгеномутации как источник новых сортов сельхозрастений».

Нынче опробованы и используются самые разнообразные излучения как волновые, так и корпускулярные (гамма‑ и рентгеновы, нейтронные и протонные). Можно добиться, чтобы порожденные ими изменения в структуре хромосом наблюдалисы в тысячу раз чаще, чем если бы они возникали самопроизвольно в естественных условиях. Так, искусственно вызывая мутации, осуществляя искусственный отбор, человек тысячекратно ускоряет эволюцию.

В 1958 году в Институте биофизики АН СССР подверглись обстрелу гамма‑квантами из кобальтовой «пушки» бобовые культуры. Потом провели искусственный отбор: ведь мутации, вызванные жесткой радиацией, в подавляющем большинстве своем вредоносны. Лишь в 1–2 случаях из 1000 они полезны для вида. Усилить эти преимущества можно последующим скрещиванием. Так были выведены новые сорта сои (один из них, «чудо Грузии», дает на 11–12 центнеров с гектара больше, чем стандарт) и фасоли («радиола‑1175», «радиола‑1177», урожайность которых столь же значительно – в полтора‑два раза – выше общепринятой нормы).

В 1964 году на совещании, созванном Государственным комитетом по использованию атомной энергии, Академией наук и Министерством сельского хозяйства СССР, демонстрировались многочисленные мутантные формы пшениц, кукурузы, томатов, картофеля, моркови, хлопчатника и других культур – все они получены с помощью новых физических и химических средств, позволяющих вносить коррективы в наследственную программу организма.

Не только лучевое воздействие способно изменить наследственную конституцию организма.

Три четверти века назад профессор Московского университета И. И. Герасимов, изучая спирогиру, нашел, что на холоде и в присутствии наркотиков эта нитчатая зеленая водоросль ведет себя несколько необычно. В процессе деления та или иная ее клетка может образовать две неравноценные: в одной совсем нет ядра, и она вскоре погибает; зато в другой их целых два, причем оба затем сливаются, давая удвоенный комплект хромосом. Подобное явление (полиплоидия) не редкость.

Скажем, у дикой пшеницы в каждой клетке содержится 14 хромосом, у культурных же ее сородичей – по 28 (твердые сорта, именно они наиболее ценны с хозяйственной точки зрения) и даже по 42 (мягкие). В первом случае (7 хромосом от отца и столько же от матери) растение называется диплоидом; во втором (четырежды семь) – тетраплоидом; в третьем (шесть раз по семь) – гексаплоидом. Как видно, количество хромосом кратно их единичному (гаплоидному) набору, поступившему в оплодотворенную клетку из родительской гаметы. В двух последних примерах оно вдвое и втрое больше нормального – присущего диплоиду.

Такие аномалии, увеличивая резервы наследственной изменчивости, наделяют организм и его потомство большей генетической гибкостью, приспособляемостью, живучестью. Неспроста в самых неблагоприятных условиях заполярных тундр, бесплодных пустынь и высокогорных районов встречаются чаще всего именно полиплоиды.

Сказочно богато царство флоры, и половина его представителей – полиплоиды. Подчеркивая их роль, академик П. М. Жуковский напоминал, что человечество обязано преимущественно им своим хлебом насущным, уж во всяком случае, вегетарианской частью своего меню. Пшеница, овес, картофель, сахарный тростник, яблоки, груши, вишни, виноград, лимоны, ананасы, бананы…

Полиплоиды, как правило, крупнее, массивнее, урожайнее диплоидов. Есть у них и другие ценные качества.

К столь замечательным результатам природа пришла случайно. Человек не хочет уповать на волю случая, он не может ждать милостей от природы.

Только вот как увеличить набор наследственных внутриклеточных структур?

В 1927 году заведующий лабораторией генетики Всесоюзного института растениеводства в Ленинграде Г. Д. Карпеченко скрестил редьку с капустой. От каждого из родителей отпрыск получил по 9 хромосом. Однако они были настолько чужеродными, что гибрид оказался бесплодным. И все же его стерильность удалось преодолеть. Карпеченко проследил, как идет деление клеток – оно протекало неправильно, приводя иногда к образованию 18‑хромосомных яйцеклеток и такой же пыльцы. При слиянии этих гамет возникал тетраплоид, особенность которого заключалась в том, что он совмещал в себе хромосомы (их было 36) двух разных видов, а не одного, как у обычных полиплоидов. Но главное в другом: теперь он мог давать потомство! Появился совершенно новый вид растения, одинаково далекий от редьки и капусты: он даже не скрещивался с ними.

Вскоре после замечательных работ советского генетика ученые многих стран вплотную занялись интереснейшим биологическим явлением, каким оказалась полиплоидия. В 1936 году американцы Блексли и Айвери натолкнулись на важную находку: колхицин, особый ядовитый препарат, поражал механизм клеточного деления, а это влекло за собой удвоение хромосомного комплекта. Не прошло и двух лет, как 41 вид растений подвергся такому превращению.

В 1941 году В. В. Сахаров, С. Л. Фролова и В. В. Мансурова (лаборатория генетики Института экспериментальной биологии) переделали гречиху сорта «большевик» в тетраплоид. Чуть позже того же результата добился А. Р. Жебрак (Институт земледелия АН Белорусской ССР). В белорусском колхозе «1 Мая» новая разновидность старой культуры давала значительно больший урожай (17–18 центнеров с гектара), чем ее обычные формы. В Ботаническом саду АН БССР снимали даже по 36 центнеров.

А в 1964 году Государственная комиссия по сортоиспытанию постановила внедрить в сельское хозяйство «кубанский полигибрид‑9». Это триплоидная сахарная свекла, отличающаяся высокой урожайностью и сахаристостью. Вывели ее совместными усилиями сотрудники Института цитологии и генетики Сибирского отделения, Украинской академии наук и Первомайской опытной селекционной станции (А. Н. Лутков, В. А. Панин, В. П. Зосимович).

М. С. Навашиным создан полиплоидный кок‑сагыз, в котором содержание каучука гораздо выше, чем в исходном «дикаре».

Искусственно вызвать полиплоидию у животных удалось лишь академику Б. Л. Астаурову. Его тетраплоидный тутовый шелкопряд дает на треть больше шелка, чем обычный.

В 1948 году на августовской сессии Всесоюзной академии сельскохозяйственных наук имени В. И. Ленина А. Р. Жебрак отмечал, что советские работы по полиплоидии гречихи, проса, ржи, некоторых других культур являются наиболее оригинальными.

В них больше, чем в каких‑либо других работах по генетике, сказывается правильность афоризма Маркса: философы до сих пор только объясняли мир, а задача заключается в том, чтобы его перестроить.

– Советский Союз может с полным правом гордиться тем, что, несмотря на многочисленные насущные материальные нужды, преодолеваемые им при построении великого нового общества, он сумел поднять ряд разделов теоретической науки, в том числе и генетику, до уровня, который всеми признается столь же или даже более высоким, чем уровень этих наук в других странах, – говорил лауреат Нобелевской премии Г. Меллер, посетивший СССР в 1936 году.

 

Новые гибриды, это не островки, а целый материк!

 

Световые, рентгеновы, гамма‑лучи… Бета‑ и альфа‑частицы, протонные и нейтронные пучки…

Кванты и корпускулы… В биологии, как и в физике, они стали тонким инструментом преобразования природы. А химические агенты?

В Институте химической физики АН СССР, в лаборатории, которой руководит профессор И. А. Рапопорт, обнаружены новые мощные средства активного воздействия на хромосомы и гены: этиленимин, нитрозоэтилмочевина, диалкилсульфаты и другие препараты. Используя ультрафиолетовые лучи и этиленимин, советские ученые С. И. Алиханян, Л. Н. Борисова, Ф. С. Клепикова и С. 3. Миндлин получили новую «породу» микроорганизмов, вырабатывающих пенициллин. Продуктивность ее вдвое выше, чем у зарубежного штамма, который считался наилучшим: он образует антибиотик в сотни раз быстрее, чем исходная природная плесень. Новые штаммы плесневого грибка, выведенные в СССР, производят пенициллин на заводах Чехословакии, Румынии, Болгарии, Венгрии.

Академик Семенов, директор Института химической физики, где решаются также и биологические проблемы, говорит: «Открытия, свидетелями которых мы являемся, знаменуют собой поистине фантастические перспективы. Вероятно, сначала мы научимся вызывать по желанию направленные мутации, меняя свойства существующих видов, а в будущем, может быть, биолог будет создавать новые виды, как физики, познав строение атомного ядра, создали новые химические элементы, продолжив таблицу Менделеева».

Опустившись на молекулярный уровень, наука о живой материи поднялась на новую ступень. И это относится не только к генетике.

В 1939 году начался важный этап в становлении молекулярной биологии – была расшифрована химическая природа мускульного сокращения.

Советские ученые В. А. Энгельгардт и М. Н. Любимова провели изящный эксперимент: выделяли из мышцы белковые волоконца, затем действовали на них кислотой. Миозиновые ниточки тотчас укорачивались, будто напрягались. И снова вытягивались, как бы расслаблялись, когда раствор становился более щелочным. Происходило прямое преобразование химической энергии в механическую. Позднее у нас и за рубежом были сконструированы небольшие моторчики – в них движителями служили синтетические полимеры, то удлинявшиеся, то вновь сжимавшиеся при изменении кислотности среды.

Классическая работа Энгельгардта и Любимовой заложила основы механохимии. Оказалось, что аналогичными процессами обусловлены движения самых различных, порой весьма несхожих организмов.

Например, мимозы, этой зеленой недотроги, складывающей свои листья и поникающей долу в ответ на прикосновение. Или клетки: когда она делится, ее вещества, в том числе ее хромосомы, перемещаются внутри оболочки. Даже вируса – ведь он действует на манер шприца: его белковая оболочка способна сокращаться, впрыскивая внутрь атакованной бактерии собственную нуклеиновую кислоту – генетическую матрицу, которая навязывает пораженной клетке иную программу белкового синтеза и приводит свою жертву к гибели.

Да, физиологические явления при всем их своеобразии вполне объяснимы без апелляции к пресловутой «вис виталис» («жизненной силе»); их суть сводится к физико‑химическим, в частности, к механохимическим процессам.

«Жизнь есть сложный химический процесс», – говаривал лауреат Нобелевской премии И. П. Павлов.

Еще полвека назад, когда почти ничего не было известно о химических механизмах сложных явлений в нервных тканях, он пришел к убеждению, что тайну мыслей и чувств, материалистическую подоплеку психической деятельности раскроют именно химия и физика. Правда, сам Иван Петрович не культивировал химический подход к физиологическим проблемам. Пробел этот восполнили ученики Павлова – прежде всего П. К. Анохин, ныне академик, воспитавший собственную научную школу.

В лаборатории Анохина установлено, что отрицательные эмоции – скажем, тоска, страх, связаны с чрезмерно интенсивным поступлением в кровь особого гормона, выделяемого надпочечниками, – адреналина. Возникает угнетенное, подавленное состояние. Оно особенно устойчиво при некоторых психических расстройствах, а многие из них передаются от родителей к детям. Как вернуть человеку душевный покой, жизнерадостное мироощущение? Вернуть даже вопреки наследственной закваске? Оказывается, зловредное влияние избыточных количеств адреналина можно нейтрализовать введением аминазина – химический препарат способен противостоять недугу, запрограммированному в генетическом коде!

Не только физико‑химические, но даже математические методы (вероятностно‑статистический подход, теория информации, машинные вычисления) пришли в биологию. Не рождается ли на наших глазах новый научный «гибрид»?

Вот что писал несколько лет назад известный советский математик, член‑корреспондент АН СССР Б. В. Гнеденко: «Я не считаю, что уже имеется необходимость создавать особую дисциплину „математическая биология“ наподобие математической физики.

Но для меня нет сомнений в том, что назрела пора, когда коллективы математиков и биологов должны начать совместную работу над разрешением коренных биологических проблем».

Такая работа уже началась, и партнеры, заключившие этот союз, извлекают из нее обоюдную пользу. Что ж, биологии есть чем поделиться и с кибернетиками, и с физиками, и с химиками.

Изучение фотосинтеза позволит создать новые катализаторы, столь же эффективные, как и ферменты; тогда химические реакции пойдут без помощи сильного сжатия и нагревания. Электронщики собираются позаимствовать у хлорофилла некоторые технологические секреты для дальнейшего развития физики полупроводников.

Инженеры моделируют мышцу искусственными полимерами, надеясь построить столь же экономный механохимический мотор.

Уже есть приборы, построенные по патентам природы, воплощенным в конструкциях органов живых существ, – их изучением занимается бионика.

Еще Сеченов считал мысль о машинности мозга настоящим кладом. В 1935 году советские ученые П. К. Анохин и Н. А. Бернштейн, исследуя поведение животных и человека, впервые, сформулировали принцип обратной связи. Лишь через 12 лет этот фундаментальный вывод сделал краеугольным камнем кибернетики ее творец Норберт Винер.

Биологию и впрямь можно сравнить с огромным садом, который разросся и расцвел после того, как под него подвели прочные сваи точных наук.

 

 

Глава седьмая

ТВОРЕЦ И РОБОТ

 

Будущее принадлежит машине, она заменит людей во всех отраслях производства, даже при сооружении машин. Она будет сама себя размножать, предоставляя людям роль надсмотрщика – роль очень ограниченную, так как электричество займет в ней место нервной системы.

Поль Лафарг, философ‑марксист, Франция, 1888 г.

 

В самом деле, я не ошибаюсь.

«Стрела», вычислительная машина, СССР, 1964 г.

 

Способны ли машины порождать себе подобных, как живые существа? Возможна ли в процессе такого самовоспроизведения прогрессивная эволюция, ведущая к появлению «потомков», гораздо более совершенных, нежели их «предки»? Будут ли когда‑нибудь автоматы испытывать эмоции – радоваться, грустить, негодовать? Наконец, хотеть чего‑то, самостоятельно намечать себе ту или иную цель, которую перед ними вовсе и не ставил их конструктор?

В апреле 1961 года эти проблемы поднял академик Андрей Николаевич Колмогоров в своем знаменитом докладе «Автоматы и жизнь», подготовленном для семинара научных работников и аспирантов механико‑математического факультета МГУ.

 

Дело Пигмалиона и Галатеи

 

– Я не вижу никаких принципиальных ограничений в кибернетическом подходе – к проблеме жизни.

Человек является материальной системой конечной сложности, весьма ограниченного совершенства и поэтому доступен имитации.

Так говорил человек, роль которого всемирно известный американский ученый, общепризнанный «отец кибернетики» Норберт Винер оценивал следующим образом: «Все мои действительно глубокие идеи содержались в работе Колмогорова до того, как они появились в моей собственной, хотя мне и потребовалось много времени, чтобы узнать об этом.

Это дает Колмогорову приоритет, и хотя этот приоритет лишь частичный, тем не менее я хочу подчеркнуть, что есть все основания считать его человеком, не только самостоятельно открывшим значительную часть предмета, но и впервые написавшим о нем».

Разумеется, кибернетика впитала в себя многие идеи (Винер, в частности, ссылается на исследования академиков И. П. Павлова, А. Н. Крылова, Н. Н. Боголюбова), но бесспорно, что как концепция, как программное направление она впервые была сформулирована им самим. Его книга «Кибернетика», вышедшая в США, стала научным бестселлером 1948 года.

Она дала мощный импульс новым исследованиям в самых различных областях науки.

В 50‑х годах английский математик А. М. Тьюринг в своей работе «Может ли машина мыслить?» обсуждал перспективу – удастся ли сконструировать робот, который нельзя отличить от человека?

Постойте‑ка… Что‑то очень знакомое. Ах, да!

В одном из произведений немецкого романиста и композитора Э. Т. А. Гофмана повествуется об Олимпии, заводной кукле, изготовленной механиком Спаланцани, – она была похожа на живого человека как две капли воды. Но то сказка!

В поэме Овидия «Метаморфозы» изложено древнегреческое предание о Пигмалионе. Скульптор, к 271 тому же женоненавистник, он вдруг страстно полюбил изваянную им статую девушки – и та ожила, прекрасная Галатея, дабы осчастливить своего творца. Опять миф!

Но вот в середине XX века давний мотив легенд, традиционная тема фантастики обретает новое звучание. Вокруг кибернетических «Галатей» и «Олимпий» завязалась шумная дискуссия.

– Создание искусственных живых существ – мыслящих, творящих, радующихся, страдающих и способных производить собственных «отпрысков»?

Полноте! Хороша была бы электронная Галатея с походкой шагающего экскаватора и хваткой Каменного гостя…

Перчатка, брошенная скептиками, поднята академиком С. Л. Соболевым:

– По всей вероятности, из электронных ламп, конденсаторов, сопротивлений и катушек такую машину сделать нельзя. Полупроводники расширяют возможности построенных из них систем. Но как только люди научатся применять в автоматах, например, белковые вещества и обнаружат полезность такого нововведения, они немедленно употребят этот материал. Бессмысленно ставить здесь какие‑либо запреты и ограничения.

Ну, а что могут и чего не могут сегодняшние машины?

Все, кто пожелает проиграть музыкальные пьесы, сочиненные машиной «Урал‑2» по программе московского ученого Р. X. Зарипова, найдут их в 15‑м выпуске сборника «Проблемы кибернетики» за 1965 год.

Там же помещены произведения и других электронных авторов. В частности, вычислительное устройство «Урал», запрограммированное Р. Г. Бухараевым и М. С. Рытвинской (Казанский университет), положило на музыку элегические стихи. Ценителям романсов не следует, конечно, забывать, что это лишь первые попытки автомата служить Полигимнии и ее сестрам. Да и другим музам тоже: машина пробует свои силы также на литературном поприще.