Позиции классической генетики

Классическая генетика исходит из того, что в живых клетках, точнее в их хромосомах, существуют особые самовоспроизводимые частицы типа крупных молекул – гены, которые передаются от одного поколения к другому и набор которых предопределяет характер индивидуального развития биологической системы.

Полезно, по‑видимому, вкратце напомнить о том, как возникло в науке представление о генах. Оно появилось сначала в форме гипотезы, выдвинутой для объяснения закономерностей расщепления гибридов, установленных в классических опытах чешского ученого Г. Менделя почти 100 лет назад. Г. Мендель был экспериментатором‑любителем, однако его работы по скрещиванию разновидностей гороха с неизбежностью привели к фундаментальным выводам. Скрестив между собой формы гороха с разной окраской цветков (красной и белой), Мендель обнаружил, что в потомстве от этого скрещивания в первом поколении все цветки были темно‑розового цвета (красный цвет доминировал). Однако в следующем поколении растения с белыми и красными цветками вновь появлялись каждое в количестве 1/4 от суммы всех растений. В то же время половина растений оставалась с розовыми цветками. Гибриды первого поколения, как говорят, «расщеплялись», и это расщепление имело определенные количественные закономерности. Поглощенный в первом поколении признак (белая окраска) вновь появлялся, хотя развитие второго поколения растений происходило от особей гибридов, имевших только темно‑розовые цветки. Свойство к образованию белой окраски, следовательно, не исчезало, а передавалось через поколение в неизменном виде.

Установив эти закономерности на примере наследования окраски, Г. Мендель включил в свои наблюдения и несколько других признаков, по которым различались скрещиваемые сорта гороха, – цвет семян, характер поверхности семян и т. д. И здесь его опять ожидало интересное открытие – установление независимости распределения признаков в потомстве. Если, например, желтый цвет семян у исходной формы сочетался с гладкой поверхностью, а зеленый цвет – с шероховатой, то можно было бы ожидать, что при расщеплении второго поколения (желтый цвет и гладкозерность доминировали в первом поколении) появление форм с зеленой окраской семян будет сопровождаться и исходной формой поверхности у этих растений. Этого, однако, не происходило, и разные признаки отцовской или материнской формы наследовались независимо. Вновь появляющаяся в потомстве гибридов зеленосемянная форма могла иметь как гладкие, так и шероховатые семена и опять в строгих числовых соотношениях. Аналогичные опыты по скрещиванию растений и животных проводились впоследствии тысячи раз, и правила расщепления, открытые Менделем, всегда подтверждались, если наблюдения велись за поведением простых признаков. (Некоторые признаки особей определяются совместным действием нескольких генов, и в этом случае характер расщепления гибридов более сложен.)

Хромосомная теория наследственности появилась лишь спустя несколько десятилетий после первых опытов Менделя, в начале XX века, после того как было обнаружено поразительное сходство в «поведении» хромосом и в характере наследования различных признаков.

Успехи цитологии в начале нашего века показали, что в каждой клетке в ее ядре имеется определенный набор хромосом – небольших палочковидных структур, число и форма которых постоянны для данного вида. Постоянство числа хромосом при делениях клеток поддерживается путем их саморепродукции. Перед началом деления клетки каждая хромосома создает себе подобную. Развитие организма начинается, как известно, в результате слияния двух клеток – материнский и отцовской. Число хромосом в оплодотворенной яйцеклетке при этом удваивается по сравнению с каждой гаметой. Однако видовое число хромосом остается прежним, так как при формировании половых клеток происходит редукционное деление, при котором в отличие от обычного деления клетс к парные хромосомы расходятся в дочерние клетки без предварительного удвоения и каждая половая клетка приобретает половинный набор хромосом. Было установлено, таким образом, что во всякой клетке любого живого организма, размножающегося половым путем, всегда имеется парный набор хромосом или кратный парному (у полиплоидов).

У человека, например, 46 хромосом в каждой клетке, 22 попарно идентичны по своему строению. Один член каждой пары получен от отца и один от матери. Две хромосомы (последняя пара) могут морфологически различаться – это так называемые X и У хромосомы, определяющие пол. У представителей женского пола в клетках две одинаковые X хромосомы (XX набор). У представителей мужского пола половые хромосомы различны, хромосома X находится в паре с несколько меньшей У хромосомой. При образовании спермиев X и У хромосомы расходятся и половина спермиев с У хромосомой передает потомству признаки мужского пола, другая половина с X хромосомой – признаки женского пола.

Равные соотношения полов в потомстве у животных были объяснены только хромосомной теорией.

Каждый гибридный организм содержит в каждой клетке половину хромосом от одного и половину хромосом от другого родителя. При редукционном делении пары родительских хромосом снова расходятся в разные гаметы, и это расхождение и лежит в основе расщепления. У самоопыляющихся форм (например, у гороха) возникают два типа мужских и два типа женских гамет, и случайные сочетания между ними и приводят к четырем тинам комбинаций парных хромосом (или аллельных генов), две комбинации остаются гибридными и в двух случаях восстанавливаются пары исходных родительских типов. Расхождение хромосом при редукционном делении делит пары гомологичных хромосом, однако, как показали цитологические наблюдения, разные хромосомы каждой пары распределяются между дочерними клетками случайно и поэтому в каждой гамете второго поколения часть хромосом может быть представлена от одного родителя, часть от Другого. Этот характер распределения хромосом и лежит, как показали многочисленные опыты, в основе «закона независимого распределения признаков».

Таким образом, появление хромосомной теории наследственности, сменившей спекулятивную гипотезу Вейсмана о зародышевой плазме, было основано на обнаружении четкого параллелизма между поведением хромосом и характером наследования признаков в гибридном потомстве. Однако гены в этот период по‑прежнему оставались гипотетическими факторами наследственности. Локализация генов именно в хромосомах не вызывала сомнений. Были разработаны точные и объективные методы определения последовательности их расположения в хромосомах, вычерчены генетические карты хромосом, установлена зависимость между появлением или исчезновением признаков и изменениями определенного участка хромосом и т. д., химическая же природа генов и механизм их репродукции и действия на признаки оставались долгое время неизвестными. Согласно гипотезам того периода, гены – это особые самовоспроизводные белковые молекулы, локализованные в хромосомах и эти белковые молекулы, различаясь между собой по строению, катализируют реакции образования каких‑то особых веществ или ферментов, стимулирующих образование отдельных признаков.

Важно подчеркнуть, что фактический материал генетики в 1935–1936 годах не решал вопросов о биохимической природе генов, механизме их саморепродукции, механизме действия и т. п., решенных наукой только в 1953–1961 годах. Однако сам факт существования генов неизбежно вытекал из тех экспериментальных данных, которые были получены при изучении закономерностей расщепления гибридов и изучения клетки.

Это настойчиво подчеркивалось в дискуссионных выступлениях многих советских генетиков. Уместно привести энергичное выступление по этому вопросу академика А. С. Серебровского на дискуссионной сессии ВАСХНИЛ в декабре 1936 года: «На законе кратных отношений при расщеплении выросла вся генетика. Те, кто пытается объявить генетику фантазией, механистикой, видеть в ней натяжки и т. д., должны прежде всего как‑то ответить на этот вопрос о кратных отношениях. Ни одна теория наследственности не может уже отвертеться и уклониться от этой кратности. Если эта теория на может объяснить кратности, она не теория, а болтовня и не может претендовать на какое‑либо внимание.

Некоторые решают вопрос очень просто: расщепление‑де зависит от условий развития, одни растения реагируют на внешние условия одним образом, другие – другим, поэтому‑де и образуются ресщепления. Ничего из этого не выйдет! Надо без уверток ответить, почему возникает именно 3:1, а не любое другое отношение: 3,40:1; 3,5:1; 3,75:1 и т. д.

Ведь суть вопроса именно в том и состоит. Факты говорят о том, что мы имеем дело с точными отношениями 3:1, и если имеются малейшие уклонения от этой точной кратности, оно легко объясняется посторонними для проблемы причинами.

Нужно бросить болтовню и безоговорочно признать, что закон кратных отношений яри наследовании – это фундаментальный биологический факт. Крупнейшее научное открытие. Признать и сделать из него все выводы. Какие же выводы?

Первый вывод, что никакого селективного оплодотворения, т. е. выбора гаметами друг друга при оплодотворении, не существует во всех тех случаях, когда кратные отношения имеют место. Если бы гаметы выбирали друг друга «по любви», как фантазируют И. И. Презент и Т. Д. Лысенко, это прежде всего нарушило бы кратные отношения. Несколько случаев селективного оплодотворения генетикой открыто и открыто именно потому, что в этих редких случаях отношение 3:1 и т. п. закономерно нарушается. Отношение же 3:1 как раз и говорит о том, что гаметы встречаются друг с другом не по выбору, не «по любви», а в порядке случайности.

Второй главный вывод – об объективном существовании наследственных единиц, генов. Какой вывод смогли и должны были сделать химики из закона кратных отношений? Вывод о том, что объективно существуют единицы вещества, атомы, которые и соединяются друг с другом. Могла ли химия не сделать этого вывода? Нет, не могла, так как без признания единиц‑атомов было бы невозможно объяснить кратность отношений. Могла ли генетика не сделать вывода об объективном существовании единиц‑генов? Нет, не могла, так как иначе остался бы необъяснимым факт кратных расщеплений. Ген, необходимый для развития зеленой окраски овса, в нашем случае либо попадает, либо не попадает в потомство. Он попадает или не попадает целиком, как единица. Как в химии, так и в биологии кратные отношения привели к крупнейшему открытию о наличии единиц: единиц вещества – атомов в химии, единиц наследственности – генов в биологии.

Третий вывод – об устойчивости генов. Какой вывод сделала химия из факта кратных отношений? Вывод об устойчивости атомов, о том, что их можно вводить в соединение, выводить из соединения без потери их индивидуальности. Могла ли химия не сделать этого вывода? Не могла, потому что, если бы эти атомы были единицами неустойчивыми, изменяющимися при нагревании, растворении и прочих простых воздействиях на них, их нельзя было бы соединять или разъединять обратно, невозможно было бы получать кратные отношения…» (СеребровскийЛ. С. Генетика и животноводство // Спорные вопросы генетики и селекции. М., 1937. С. 76–78).

Установление параллелизма цитологических и генетических картин, построение хромосомных карт, открытие половых хромосом – все это послужило новым объективным подтверждением реальности генов. Это обстоятельство столь четко подчеркивалось в дискуссии 1936 года, что можно проиллюстрировать материалами из того же выступления А. С. Серебровского: «Перехожу ко второму фундаментальному факту, факту совпадения генетических картин с картинами цитологическими. Вы знаете, что за последние 20 лет построены так называемые планы, или карты хромосом. На этих планах изображено взаимное расположение генов данного вида растений и животных. Такие планы составлены для нескольких видов дрозофил, для шелкопряда, для курицы, для мышей, кролика и для ряда растений (кукурузы, гороха, душистого горошка и т. д.). Как составляются эти планы? Мы ставим скрещивания, наблюдаем, как наследуются различные признаки. Устанавливаем, что одни признаки наследуются независимо, другие обнаруживают сцепление. Одни признаки сцеплены сильно, другие слабее. Принимаем силу сцепления за меру расстояния между генами. Исходя из этой предпосылки, чертим план, размещаем одни гены близко друг от друга, другие дальше, а несцепленные, независимо наследующиеся гены размещаем в разные группы. В результате получается некий чертеж.

Подчеркну еще раз, что такой план составляется только по данным скрещивания, по наблюдению за признаками, без заглядывания в микроскоп. Но что получается в результате? Получается то, что та картина, которую мы рисуем, замечательно совпадает с тем, что цитологи усматривают в микроскоп в ядрах делящихся клеток. Число групп сцеплений совпадает с числом хромосом. Разница в длине групп сцеплений совпадает с разницей в длине разных хромосом. Выделенная группа генов, сцепленных с полом признаков, совпадает с особенностями той хромосомы, по которой различаются самцы и самки. Это особенно ясно видно из рисунков плана хромосом дрозофилы, наиболее полно изученного вида, совпадающего с видом хромосом под микроскопом.

Это еще далеко не все. Иногда генетики обнаруживают различные особенности в своих опытах и на своем чертеже – наличие лишней группы генов, переход части генов из 40 одной группы сцепления в другую, потерю части генов. И в этих случаях цитолог видит под микроскопом те же аномалии – лишнюю хромосому или отсутствие хромосомы, транслокацию части хромосом из одной в другую и т. д. и обратно, когда цитологи замечают какую‑либо аномалию хромосомного аппарата раньше генетика, геиетик подтверждает это открытие свои методом.

Может ли это поразительное совпадение быть какой‑то незначительной случайностью? Ясно, что не может. Из этого поразительного совпадения фактов, добываемых совершенно различными методами (генетическим анализом и микроскопическим), вывод только один. Это вывод, что гены расположены в хромосомах, что гены имеют в хромосомах свою материальную основу, что хромосомы состоят из генов» (Серебровский А. С. Указ. соч. С. 78–79).

Рассматривая эти концепции классической генетики в 1935–1936 годах, мы пока отвлекаемся от чисто философских оценок тех или иных теорий, хотя философская аргументация имела в условиях того времени большое влияние на позицию некоторых групп ученых. Мы хотим подчеркнуть в данном случае лишь тот неоспоримый факт, что все теоретическое здание классической генетики имело очень прочный фактический фундамент. Те или иные гипотезы генетики возникали не абстрактно, а на основе огромного фактического материала, и именно это определяло материалистичность этих концепций. Никакая теория не застрахована от ошибок и неточностей, однако никаких элементов идеализма, метафизики или реакционности в основных постулатах генетики не было. Дело заключалось в том, что различные признаки взрослого организма связывались тогда еще неизвестной биохимической цепью с особыми стабильными белковыми или нуклеопротеидными молекулами хромосом (наследственным веществом) и передача самовоспроизводимого набора этих молекул из поколения в поколение строго предопределяла, по данным генетики, направление индивидуального развития каждой особи. Установить природу или механизм действия этих молекул или опровергнуть их существование можно было лишь в результате прямого экспериментирования.

Согласно концепциям классической генетики, индивидуальное развитие организма (образование фенотипа) происходит не стихийно, а в соответствии с особым генетическим планом, содержащимся в каждой клетке (в соответствии с генотипом). Такой тип развития, несколько странный для обывательски мыслящего человека, особенно неспециалиста в области генетики, в действительности не‑? избежен, необходим для эволюции живых тел.

В результате эмбрионального развития создается сложнейшая живая система, состоящая из миллиардов клеток, десятков тысяч белков, целесообразнейшим образом связанных между собой. Возникает чудо природы – мыслящий мозг, совершенство оптики – глаза, высший уровень акустики – слуховой аппарат и много других систем живого тела, всегда поражающих своей целесообразней организацией. Появление целесообразности в природе было объяснено дарвиновской теорией эволюции и естественного отбора. При этом эволюция, особенно прогрессивная, может происходить и при отсутствии резких измнений внешней среды, так как любое изменение прежде всего проходит свою проверку по отношению к существующим условиям среды. При этом важное значение для отбора имеет не столько географическая среда, сколько внутри‑ и межвидовые взаимоотношения, преимущества и недостатки изменившихся особей по отношению к другим особям данного вида (внутривидовая конкуренция). Миллионы, миллиарды лет благодаря естественному отбору идет накопление изменений в том или друз ом направлении. Борьба за существование и отбор неумолимы. По ничтожным уклонениям, по мелочам, различные, в большинстве случаев ненаправленные, изменения наследственности накапливаются в миллионах поколений, и в результате мы наблюдаем возникновение новой целесообразной системы. Мы живем в мире, состоящем из целесообразно организованных живых существ. Но ведь каждое из этих существ не вечно, каждая особь, как бы совершенна она ни была, стареет и умирает. Она не может передать своему потомству свой мозг, свою печень, свои глаза, все те совершенные системы, которые возникали в филогенезе многие миллионы лет. Индивидуум передает своему потомству ничтожно малую крупицу своего тела – яйцеклетку или спермий, в которых нет ничего, кроме ядра с хромосомами и цитоплазмы. Поверхностному наблюдателю кажется, что эти микроскопические половые клетки не имеют ничего общего со сложностью взрослого организма, что мозг, мышцы, кровь породившего их тела – все это бесследно исчезло и их развитие начинается каждый раз сначала. Обывательски мыслящего ученого смущает ничтожный размер и кажущаяся простота половой клетки – он сравнивает ее и совершенный, бесконечно сложный организм и восклицает: между ними нет ничего общего! Ему кажется нелепостью, что в ничтожно малых хромосомах клетки, видимых лишь в микроскоп, может содержаться полный запас сведений о строении и функциях, например, слона или кита. Но он не может понять того, что еще большей нелепостью было бы возникновение этого слона, как чего‑то действительно нового, за те месяцы, которые уходят на эмбриогенез, если в процессе эволюции слон, как биологический вид, возникал в течение сотен миллионов лет. Развитие совершенной и сложной системы, например млекопитающих, за несколько месяцев эмбрионального развития без признания реальности наследственно фиксированного «проекта развития», вероятно, не более чем библейская легенда о сотворении мира. Признание такого «проекта развития», зафиксированного каким‑то образом в хромосомах клетки, критиковалось еще в дискуссии 1929–1931 годов, но, как правило, с весьма таиденциозных и малокомпетентных теоретических позиций. Некоторые скептики объявляли эту концепцию «дуализмом», утверждая, что две формы одной и той же системы (фенотип и генотип) невозможны. Между тем давно известно, что одна и та же материальная система может быть выражена самыми различными средствами. Точный чертеж сложной машины содержит, по существу, всю информацию об этой машине, по этому чертежу машина может быть воспроизведена. Более того – воспроизвести машину по чертежу легче и проще, чем по готовому образцу. Но машина весит иногда десятки тонн, а чертеж умещается на нескольких кадрах кинопленки, его можно сделать и микроскопическим. Чертеж – это не функционирующая машина, но он содержит точный проект, по которому машина может быть воспроизведена. Если бы не создавались чертежные эквиваленты машин, развитие техники было бы невозможно.

Нечто подобное имеет место и в живой природе – любой организм при процессах репродукции передает своим потомкам точную миниатюрную, необычайно экономную генетическую запись, регулирующую развитие его структур и свойств. Эта запись и сосредоточена, по мнению генетиков, в хромосомах, предположительно обладавших исключительно сложной молекулярной структурой. В четырех хромосомах плодовой мушки‑дрозофилы – основного лабораторного объекта генетики – были экспериментально установлены несколько тысяч генов. Предполагалось, что их общее число может достигать десятков тысяч, и прогресс генетики в этом направлении в изучении многих животных и растений был исключительно быстрым. Этот процесс не был связан только с зарубежной наукой, советская генетика быстро набирала силы после революции и вышла к 1936 году на самые передовые позиции, занимая по ряду теоретических и особенно практических проблем ведущее место в мировой науке.