"Тайны наших генов. Книга воспоминаний" - читать интересную книгу автора (Дубинин Николай Петрович)
Tayny_nashih_genov.
Николай Петрович ДУБИНИН, Г. МАКСИМОВИЧ
ТАЙНЫ НАШИХ ГЕНОВ
Интервью с лауреатом Ленинской премии, директором
Института общей генетики АН СССР, академиком
НИКОЛАЕМ ПЕТРОВИЧЕМ ДУБИНИНЫМ
— Николай Петрович, сейчас довольно много говорят о проблеме
наследственности. Но суть проблемы знает далеко не каждый...
— Наследственность — это одно из коренных свойств жизни. Генетику
наших дней можно представить в виде гигантской стройки, где уже грохочут
взрывы важнейших открытий. Без преувеличения можно сказать, что сегодня
закладывается фундамент века биологии. И изучение сущности жизни,
управление ею — это самый передний край той великой материалистической
науки, которой обладает современное человечество. Сама, будучи полем
применения комплексных методов, новая биология оказывает глубокое влияние
на физику, химию, математику, кибернетику... Через изменения в медицине, в
сельском хозяйстве и в микробиологии, включаясь в решение задач атомного
века и века космоса, она становится ключевым элементом научно-технической
революции.
Генетику можно смело назвать фундаментом современной биологии. С ее
помощью человек уже в ближайшем будущем сможет новыми могущественными
методами решать такие поистине фантастические задачи, как управление
жизнью, создание новых форм растений, животных и микроорганизмов, сможет
бороться за здоровье живущих людей и их будущих поколений.
Да, все это будет под силу генетике — науке о наследственности.
Конечно, на первый взгляд может показаться, что все мы можем совершенно
спокойно жить, и не зная сущности и секретов наследственности, и что все
это не так уж важно. Но давайте разберемся, так ли это на самом деле.
Сможем ли мы, не зная генетики, объяснить, почему, например, обезьяна
не превращается в белого медведя, если даже ее поселить на Крайнем Севере?
Сумеют ли работники сельского хозяйства в ближайшем будущем получать с
каждого гектара по 100 центнеров пшеницы? Как скажутся через каких-нибудь
50 — 100 лет последствия атомных взрывов на потомках современных жителей
Хиросимы и Нагасаки? Сумеем ли мы уберечь человечество от губительных
воздействий ядерного излучения и применения ядохимикатов? Смогут ли
космонавты в полетах в глубь вселенной управлять жизнью микроорганизмов и
растений, которые будут находиться вместе с ними в кабинах кораблей?
Почему рождаются мальчики или девочки и почему они появляются на свет
примерно в одинаковом количестве? Грозит ли человечеству вымирание или же
мы еще находимся у начала развития земной цивилизации?..
Можно привести еще тысячи подобных вопросов, имеющих очень важное как
общехозяйственное, так и общенародное значение и ответить на которые
нельзя, не познав секреты наследственности и не научившись управлять ею. А
это даст нам очень многое. Человек сможет участвовать в решении
практических задач сельского хозяйства, медицины, научиться управлять
эволюцией на нашей планете в целом.
Задача ученых-генетиков состоит в том, чтобы разработать способы
борьбы за здоровье, долголетие, длительную юность человека. Это потребует
творческого развития проблем общей генетики и генетики человека в союзе с
медициной. Мы должны создать условия для резкого повышения продуктивности
сельского хозяйства, а для этого нужен творческий союз генетики и
селекции. Необходимо разработать методы управления генетическими
процессами, лежащими в основе эволюции видов, проблемы радиационной
генетики, связанные с широким использованием атомной энергии. Или же
возьмите, наконец, проблемы космической генетики для обеспечения
биологической стороны космических полетов.
Так что, как видите, изучение наследственности — это не чисто научная
проблема. Перед этой наукой стоят большие, прямо-таки фантастические по
своей смелости задачи.
Взрыв, изменивший лицо генетики, произошел в 1953 году, когда была
установлена молекулярная природа явлений наследственности. Это открытие
послужило источником, от которого взяла свое начало молекулярная генетика
и молекулярная биология в целом.
В свете данных этих наук многие из сокровенных сторон жизни потеряли
для ученых былую таинственность. Таинственными были основы, на которых
зиждется размножение клетки и передача информации при размножении
организмов. Мы не знали, в чем суть программирования при индивидуальном
развитии, когда от одной клетки в виде оплодотворенного яйца после
целенаправленных процессов возникает взрослая особь.
— Так в чем же, Николай Петрович, суть наследственности? Почему же
дети похожи на своих родителей и в чем, если так можно выразиться,
материально заключена эта поразительная преемственность организмов?
— Теперь уже ученым ясно, что преемственность организмов
осуществляется через одну клетку — оплодотворенное яйцо, которая и несет в
себе все основы развития особи. Весь животный и растительный мир в каждом
поколении проходит такую микроскопическую стадию одной клетки. В этот
период исчезают все признаки и особенности взрослой особи. Через
оплодотворенное яйцо передаются лишь наследственные структуры, связывающие
поколения. Эти структуры обладают возможностью на основе процессов, идущих
в клетке, и при наличии определенных условий среды вновь возродить всю
сложность функций и форм живого, созданную в процессе эволюции.
— Ну а как же устроена клетка?
— Живая клетка, как я уже говорил, является основой всех форм жизни
на Земле. Основные ее элементы — ядро и цитоплазма. Существует два
основных вида клеток — тканевые и половые. Как известно, размножаются они
делением. У человека каждая тканевая клетка содержит набор из 23 пар
хромосом, перед наступлением деления это количество хромосом удваивается,
и поэтому после деления в каждую дочернюю клетку попадают необходимые 46
хромосом. При размножении же половых клеток в дочернюю попадает только по
одной хромосоме из каждой пары, и лишь при оплодотворении
восстанавливается необходимое число хромосом.
Но мы еще не закончили разговор об общем строении клетки. Так вот,
ядро и цитоплазма тесно связаны между собой, цитоплазма не может долгое
время существовать без ядра, а ядро погибнет без цитоплазмы. Если
применить образное сравнение, то клетка — это как бы своеобразное
«государство». Ядро — его «столица», а цитоплазма — «провинция».
Цитоплазма состоит из различных химических и биологических структур. Но
столица остается столицей. Именно здесь находится «правительство», которое
не только управляет «страной», но и «заботится» о грядущих поколениях.
Роль этого «правительства» и выполняют хромосомы. У каждого вида
организмов хромосомы имеют свою форму. Количество их тоже различно.
Я не хочу вдаваться в подробности, так как это довольно сложно да и
представляет интерес разве что только для людей, увлекающихся
естественными науками, но все же постараюсь рассказать, как устроена эта
носительница наследственной информации — хромосома. Ее можно, пожалуй,
сравнить с нитью, на которую нанизаны бусинки. Это гены, обладающие
различными свойствами. Они непохожи друг на друга, и каждый в отдельности
оказывает специфическое влияние на физиологию клетки и развитие организма,
контролирует строго определенный процесс. Комплекс же генов, свойственный
набору хромосом в целом, «управляет» деятельностью клетки.
Когда же тысячи таких элементарных единиц наследственности — генов —
соединяются в цепочку, возникает хромосома. Конструкцию хромосомы можно
наблюдать под микроскопом на клетках слюнных желез плодовой мушки, или,
как ее еще называют, мухи дрозофилы. У них хромосомы достигают гигантских
размеров. В этом одна из причин, почему многие свои опыты и исследования
ученые проводят именно на этой мушке.
Было установлено, что элементы ядра клетки отличаются от элементов
цитоплазмы тем, что в последней структуры многократно дублируются, тогда
как в ядре большинство наследственных структур уникально. Каждая структура
присутствует в виде гомологических генов, один из которых получен от отца,
другой — от матери.
Итак, внешне хромосома похожа на нить с бусинками. Однако кому же
природа доверила такую ответственную задачу, как передача по наследству
признаков и свойств родителей? Эту важную задачу выполняет химическое
соединение, называемое дезоксирибонуклеиновой кислотой или сокращенно ДНК.
Сейчас уже никто из биологов не сомневается, что передача
наследственных признаков связана именно с ДНК. Опыты, доказывающие это,
сегодня исчисляются сотнями. Их проводили во многих лабораториях мира. И
сейчас мы с полной уверенностью можем сказать, что, например, в молекулах
ДНК клеток человека запрограммирована его генетическая информация. Она
касается нормального физического развития, здоровья, продолжительности
жизни, гармоничного развития способностей, появления наследственных
болезней, старости, сердечнососудистых заболеваний, злокачественного
роста, предрасположенности к тем или иным инфекционным болезням и даже
смерти.
Если выделить из ядра одной клетки человека все его генетические
молекулы ДНК и расположить их в линию одна за другой, то общая длина
составит семь с половиной сантиметров. Такова гигантская биохимическая
рабочая поверхность хромосом. Она дрожит от напряженной работы в каждой
клетке человеческого организма. Это сконцентрированное в молекулярной
записи наследие бесконечных веков прошедшей эволюции. Как совершенно
правильно и образно сказал об этом в своем романе «Лезвие бритвы» писатель
Иван Ефремов, «наследственная память человеческого организма — результат
жизненного опыта неисчислимых поколений, от рыбьих наших предков до
человека, от палеозойской эры до наших дней. Эта инстинктивная память
клеток и организма в целом есть тот автопилот, который автоматически ведет
нас через все проявления жизни, борясь с болезнями, заставляя действовать
сложнейшие автоматические системы нервной, химической, электрической и
невесть какой еще регулировки. Чем больше мы узнаем биологию человека, тем
более сложные системы мы в ней открываем». И из всех этих сложнейших
систем природа, характер и развитие наследственности и есть предмет
генетики.
— Николай Петрович, но, коль скоро все или, по крайней мере, основные
секреты наследственности изучены, у ученых появилась возможность
воздействовать на нее. Это значит, что человек может по своему желанию
изменять животный и растительный мир и даже, как это довольно часто
описывают в произведениях писатели-фантасты... самого себя. Не так ли?
— Вы говорите сразу о нескольких проблемах: о возможности воздействия
на наследственность, о селекции сельскохозяйственных растений и животных,
об улучшении генетики человека и борьбе с наследственными заболеваниями.
Как я уже говорил, познание законов наследственности — это не
самоцель ученых-генетиков. Конечно же, все это, необходимо нам для того,
чтобы научиться воздействовать на природу, изменять окружающий нас
животный и растительный мир, и если надо, то и самого человека. И
благодаря открытиям ученых современная генетика уже научилась искусственно
вызывать изменения в наследственных структурах организма. В этом ее
величайшая заслуга. И хотя подчас биологи не могут еще детально
разобраться в процессах, идущих в ядре и цитоплазме клетки, они уже
научились использовать стойкие изменения в наследственном аппарате, если
они полезны, и бороться с вредными.
Чтобы сделать яснее картину достижений генетики, бросим беглый взгляд
на процессы эволюции в природе, те самые процессы, о которых говорится в
учении Дарвина. Для этого воспользуемся нехитрой моделью — аквариумом, где
плавают несколько пар рыбок гуппи. Через какое-то время рядом с родителями
появится потомство первого поколения, затем второго, третьего...
Постепенно гуппи заполнят весь аквариум. И если не увеличить рацион
кормления и не подавать в воду насосом кислород, то выживут лишь самые
сильные рыбки, те, что смогут бороться с невзгодами и захватывать пищу. В
конце концов в живых будут оставаться только наиболее выносливые особи и в
аквариуме установится биологическое равновесие.
Примерно то же самое происходит и в природе. Если бы не было борьбы
за существование, то количество животных одного вида резко увеличилось, и
в конечном итоге их стало бы так много, что они заполнили бы всю планету.
Но мы знаем: число особей каждого вида на Земле ограничено. А это значит,
что в каждом поколении остаются жить только наиболее приспособленные.
Однако для действия естественного отбора перенаселенность
необязательна. В пределах одного вида нет генетически совершенно
одинаковых существ. Некоторые оставляют более выносливое потомство, другие
— хилое. Через несколько поколений преимущество получают потомки более
приспособленных организмов. Вполне понятно, что такой процесс может
происходить лишь в том случае, если полезные признаки передаются по
наследству.
Эволюция предполагает появление новых признаков, и они приобретаются
организмами. А это значит, что в наследственности возможны вариации.
Возникают они в виде так называемых мутаций — стойких изменений в генах и
хромосомах, изменений, которые выделяют организм из остальных, делают его
непохожим, «чужим» среди других, подобных ему.
Для живых существ, как это показывают наблюдения и опыты, эти новые
мутации могут быть полезными, вредными или нейтральными. Генетики и
селекционеры стараются воспользоваться полезными мутациями и нередко сами
создают их. И в то же время стремятся избавиться от вредных или ненужных
изменений в наследственности.
— Из всего вами сказанного явствует, что на современном уровне
генетики человек уже может воздействовать на наследственность, создавать
такие виды животных и растений, которые ему необходимы и которых недостает
в природе. Какими же путями идет генетика и селекция в сельском хозяйстве
и каковы уже достигнутые результаты?
— Ученые-селекционеры, как правило, не ставили перед собой цели
создавать новые виды растений, их основная задача — улучшать уже
существующие, разрабатывать высокоурожайные сорта. Генетика стала научной
основой селекции, многие ее экспериментальные и теоретические разработки
привели к целому ряду скачков в производительности домашних животных и
культурных растений.
В настоящее время выращивается более 4800 сортов и гибридов различных
сельскохозяйственных культур, в том числе почти 2800 сортов различных
полевых культур, в подавляющем большинстве хорошо приспособленных к
возделыванию в местных почвенчо-климатических условиях различных зон. Они
дают высокие урожаи и ценную по качеству продукцию. Многие из этих сортов
— результат работы ученых-генетиков. И можно с полной уверенностью
сказать, что в ближайшем будущем ожидаются более высокие достижения.
Нельзя забывать и такой факт, как изменение агротехники и введение
механизации. Это, как ни покажется вам странным на первый взгляд, тоже
создает новые требования к сортам, такие, как устойчивость против
осыпания, неполегаемость у хлебов, у хлопчатника — определенное
расположение коробочек, у кукурузы — определенная высота прикрепления
початков и многое другое. Учитывать все это при выведении нового сорта —
задача нелегкая, но необходимая.
И сейчас, когда многие законы наследственности уже познаны, ученым
чаще всего не приходится работать на ощупь, как это было раньше. Они уже
заранее видят, какое потомство получат от двух разных родителей. Выведение
нового сорта идет не наугад, а целеустремленно, и вследствие этого
результаты получаются намного быстрее. Короче говоря, человек научился
ускорять процесс эволюции. Природа улучшала какой-либо признак растения за
тысячи лет. Человек сократил этот процесс в сотни раз. Скажите, разве это
не фантастично, что человек научился направлять развитие организма в
нужную для него сторону, «реконструировать» наследственность?
— Скажите, ну а каким же путем получается все это многообразие новых
сортов?
— Еще совсем недавно для выведения нового сорта пшеницы чаще всего
скрещивали различные географически удаленные формы. Сегодня же все чаще
новые сорта получают с помощью мутаций — тех изменений, на которых
строится эволюция. Использование мутационной формы кукурузы, которая резко
повысила в зерне уровень для питания животных аминокислоты — лизина,
привело к новой революции в возделывании этого растения.
Мы являемся свидетелями коренных переделок генетической природы
растений. Эти переделки получили название «зеленых революций». У нас в
стране после знаменитых работ В. Пустовойта с подсолнечником успешно
переживают «зеленую революцию» пшеница, кукуруза, сахарная свекла и другие
растения. По Мексике, Индии, Филиппинам и по ряду других стран триумфально
шествует «зеленая революция» по возделыванию риса и пшеницы. Это было
достигнуто путем использования мутации карликовости, при котором энергия
роста переключается на развитие колоса. В Индии, например, получен
замечательный сорт пшеницы после воздействия на зерно радиацией.
Широкое развитие получили методы искусственного вызывания мутации под
влиянием радиации и химических соединений. Более 100 радиационных сортов
растений уже вошло в производство и стало достоянием сельскохозяйственной
практики. И хотя мы пока еще не всегда можем сказать с полной
определенностью, какой из видов воздействия принесет ожидаемый результат,
то, что уже достигнуто, — большой успех.
Мы уже в состоянии, используя факторы внешней среды, вмешиваться в
химическую структуру генов, можем вызывать в любом нужном нам количестве
мутации генов и хромосом. Этим по-новому решается проблема исходного
материала для селекции. И, лишь пройдя строгую селекцию, а в ряде случаев
и пройдя через скрещивание, они могут положить начало новым сортам особо
высокой урожайности.
И если вспомнить один из вопросов, о которых я говорил в самом начале
нашей беседы, то есть о том, возможно ли будет в ближайшем будущем
получать с одного гектара по 100 центнеров пшеницы, то сегодня мы уже с
уверенностью можем сказать, что такая урожайность — вещь реальная.
До последнего времени среди озимых сортов сильных пшениц выделялся
сорт «безостая-1», полученный после сложной гибридизации с привлечением
русских и аргентинских пшениц. Но не так давно впервые были районированы
новые сорта озимой пшеницы — «аврора» в Краснодарском крае, «кавказ» — для
посева на богаре и при орошении в Краснодарском крае, Николаевской и
Одесской областях, в Дагестанской АССР. Эти сорта выведены дважды Героем
Социалистического Труда академиком П. П. Лукьяненко с коллективом
селекционеров в Краснодарском научно-исследовательском институте сельского
хозяйства. Так вот, эти сорта при возделывании на высоком агротехническом
фоне дают невиданный урожай — до 100 центнеров с гектара.
— Николай Петрович, все, о чем вы сейчас рассказывали, касалось в
первую очередь растений. А как обстоит дело с животноводством? Сегодня
партия и правительство, как известно, уделяют большое внимание развитию
животноводства на промышленной основе. В стране развернуто строительство
крупных животноводческих комплексов. Может ли чем-нибудь помочь в этой
области генетика, ведь, насколько я понимаю, наследственная информация
животных гораздо сложнее, чем у растений?
— Проблема эта действительно не из легких. Однако мы все прекрасно
знаем, что решать ее надо как можно скорее. И, только соединив воедино
генетику и селекцию, можно получить тот сплав наук, который обеспечит
нужный для человечества громадный рост пищевых и технических ресурсов.
Население земного шара растет исключительно интенсивно. Через
каких-нибудь 30 лет на нашей планете будет жить около 7 миллиардов
человек, то есть в два раза больше, чем в наше время. Но, как показывают
современные тенденции развития, количество пахотной земли на человека
уменьшится в 2 раза, да и не увеличится, естественно, и площадь для выгула
скота. Роль же животного белка в пище человека исключительно велика. Общая
потребность в белках за сутки равна примерно 70 граммам, из которых около
половины должно быть животным белком высокой биологической ценности.
И поэтому вполне понятно, что просто необходимо поднять
производительность и качество не только сортов растений, но и пород
животных. Этот фактор сыграет выдающуюся роль при регуляции роста пищевых
ресурсов на нашей планете. И основная задача ближайшего будущего
зоотехники сводится к созданию промышленных гибридов, пород-популяций и
чистых пород, состоящих из животных таких генотипов, которые при
соответствующем кормлении и содержании производили бы больше продуктов. То
есть нам необходимы породы, приспособленные к развитию животноводства на
промышленной основе.
— Значит, если я правильно вас понял, промышленное животноводство и
птицеводство требуют не простых, а специально выведенных для таких условий
пород?
— Да, именно так. Процесс индустриализации таких важных отраслей
животноводства, как птицеводство, молочное скотоводство, свиноводство,
требует селекции на приспособление их к существованию в необычных для них
условиях и на приспособление к ряду новых производственных процессов.
Механизация дойки, например, уже вызвала необходимость селекции по таким
признакам, как скорость молокоотдачи и форма вымени, обеспечивающим
нормальное доение и предотвращение мастита.
Обычно на создание пород сельскохозяйственных животных требуются
десятки лет. Генетика уже нашла пути достижения радикальных результатов в
товарном животноводстве за сравнительно короткое время. Наиболее ярко это
выразилось при использовании генетических методов получения промышленных
гибридов.
Мне кажется, что будущее товарного животноводства в основном будет
состоять в использовании гетерозисных гибридов и гибридов комбинационной
производительности. Генетикам предстоит решить очень трудную задачу —
выбрать из огромного генетического материала наиболее ценные группы
генотипов, чтобы использовать их для прогресса пород и гибридов
сельскохозяйственных животных.
Замечательные перспективы открываются и в решении вопроса о получении
желательного пола у потомков. В этом случае задача состоит в регуляции
хода наследования половых хромосом. Решение вопроса самым решительным
образом скажется на развитии животноводства.
Усилиями генетиков и звероводов за каких-нибудь 10 — 15 лет выведено
около 30 мутантных форм норки, имеющей целую палитру окраски. Не менее
интересных результатов добились и от скрещивания лисиц различной окраски.
Можно привести еще немало примеров, когда человек, взяв на вооружение
достижения генетики, добивался поистине фантастических результатов как в
растениеводстве, так и в опытах с животными. Как-то мне попался на глаза
рассказ Эрика Рассела «Вы вели себя слишком грубо». Не вдаваясь в сюжет
этого рассказа, скажу только, что один из его героев захотел приобрести
«голубого носорога в семнадцать дюймов длиной и весом не больше девяти
фунтов». И, несмотря на то, что рассказ этот фантастический, можно прямо
сказать, описанное в нем очень недалеко от того, что будет возможно через
несколько десятков лет. И я говорю это совершенно не потому, что рассказ
этот понравился мне. Просто я опираюсь на современные достижения генетики
и предвижу на основе этого ее дальнейшее развитие и возможности.
— Николай Петрович, несколько раньше вы говорили о генетике
микроорганизмов. Что это такое и зачем нужно заниматься генетическими
опытами с этими мельчайшими живыми существами?
— Успехи генетики имеют огромное значение и для создания новой
отрасли биологической индустрии, связанной с промышленным использованием
микроорганизмов. Различные микроорганизмы и вирусы встали в центр внимания
фундаментальной генетики, когда наступила эпоха молекулярной биологии.
Наследственность и изменчивость этих форм являются сегодня предметом
глубокого изучения. Используя новые методы, селекция нужных форм
микроорганизмов достигла небывалой высоты. Это облегчено также и тем, что
при селекции микробов можно использовать миллионные и миллиардные
популяции, что резко увеличивает эффективность селекции.
Вот вы спрашиваете, зачем нужно работать с такими мельчайшими
организмами, какая от них польза. А ведь метод получения мутаций с помощью
радиации и химических соединений стал основным в получении
высокоэффективных продуктов целого ряда ценнейших лекарственных, пищевых и
других веществ. Вспомните, когда был открыт пенициллин, его стоимость в
буквальном смысле была выше золота. Теперь, после получения ценных
мутантов, резко повысивших выход пенициллина на единицу питательной среды,
в которой живут грибки, это лекарство стало доступно каждому.
Или же вот другой пример. Аминокислота лизин — важнейший компонент
пищи животных и человека. Сейчас создается крупная микробиологическая
промышленность по производству лизина. И это оказалось возможным только
после работы генетиков, в экспериментах которых была получена форма клеток
бактерий, которая выделяет в среду в пятьсот раз больше лизина по
сравнению с обычными, «дикими» бактериями. Громадные перспективы для
микробиологического синтеза белков открывает использование простых
углеродов нефти и газа. И в этой работе решающую роль также играют методы
новой генетической селекции.
Если немного пофантазировать, то можно увидеть совершенно необычный
путь для приготовления белков. Сейчас для достижения этой цели в ход идет
биомасса всем знакомых дрожжей. Но представьте себе производство будущего,
где в промышленных масштабах налажена «сборка» генов, управляющих синтезом
белков. Тогда столь ценный продукт не трудно будет получать в любых
разновидностях и любых количествах.
Проблема гена, как видите, принимает чисто прикладной характер.
Биологи должны научиться своими руками конструировать то, что принято
называть единицей наследственности. «Заготовками» и «деталями» должны
стать определенные молекулярные группы, а «сборочным цехом» — клетка и ее
ядро. Именно к решению таких задач стремится новое направление
исследований — генетическая инженерия.
— Знаете, слово «инженерия» рядом со словами «ген»,
«наследственность» для непосвященного человека звучит довольно странно.
Как-то даже трудно представить, что бы это могло значить.
— Фактически начало этому новому научному направлению было положено
задолго до того, как столь смелое словосочетание вошло в обиход. Методы
целенаправленного изменения наследственного аппарата — конечно, еще не на
молекулярном уровне — стали известны уже в 1934 — 1936 годах. В то время
мне удалось, действуя рентгеновскими лучами на клеточное ядро мухи
дрозофилы, изменить в нем число хромосом. Ядро с четырьмя парами сначала
превратилось в ядро с тремя, а затем и с пятью парами хромосом. В этой
работе можно увидеть истоки генетической инженерии.
Сегодня исследователи ставят совершенно иные задачи. В различных
лабораториях мира разыскиваются способы выделения, даже «сборки» отдельных
генов и переноса их в живые организмы.
Вспомним снова о бактериях. У них есть ген, ответственный за синтез
витамина В12, которого начисто лишены растения. А между тем известно:
добавка этого витамина резко увеличивает степень усвоения растительного
корма в организме сельскохозяйственных животных. Так почему бы не
попытаться пересадить тот самый бактериальный ген к растению? Каким путем
пойдут ученые, покажет время. Но мне кажется, они будут исходить из того,
что биохимический путь синтеза хлорофилла и витамина В12 имеет общие
начальные стадии. А раз так, то после срабатывания цепочки из четырех-пяти
добавочных ферментных реакций растительная клетка сможет вместо хлорофилла
синтезировать необходимый животным витамин. Правда, из отдельной клетки
надо еще получить целое растение. Но пути решения такой задачи уже
известны. Да что там из клетки. Взрослое растение выращивают даже из
протопласта — клеточной структуры, лишенной оболочки. Опубликован научный
доклад, в котором говорится, как в результате метаморфоз круглого зеленого
протопласта — одевания его оболочкой, деления и дифференцировки —
возникает своего рода искусственное «семечко». Оно дает корни и листья, и
в результате вырастает цветущий табак.
— Николай Петрович, а какие конкретно задачи стоят сегодня перед
генетической инженерией?
— Если детализировать «биолого-инженерные» задачи, то можно
определить среди них несколько наиболее существенных:
— выделение генов и их структур;
— синтез генов химическим или биохимическим путем;
— направленная модификация наследственных комплексов под влиянием
искусственно созданных условий;
— регуляция активности генов;
— их копирование;
— их перенос в наследственный аппарат других организмов.
Первая из перечисленных мною задач — выделение гена — уже решена
сегодня. Можно сказать, что и синтез гена в принципе тоже удался. Успех
этот достигнут был в 1970 году, когда индийскому ученому X. Коране удалось
«собрать» ген дрожжевой клетки, содержащей всего 77 азотистых оснований.
Такой короткий отрезок ДНК с заданной последовательностью оснований
синтезировали химически. Так появился первый ген, созданный человеком.
Конечно, это большой успех, предвещающий начало новой, фантастической
эры генетики, однако он несколько меркнет перед сложностью строения генов
и их комплексов даже у самых простых форм жизни. Ведь даже у простейших
вирусов в состав ДНК входит 5500 азотистых оснований, составляющих
приблизительно 17 генов. Что же касается синтеза единицы жизни — клетки, —
то трудности тут возрастают неимоверно.
Но, как я говорил выше, кроме химического, есть еще и биохимический
синтез. Интересные работы в этом направлении проведены группой сотрудников
нашего Института общей генетики АН СССР и Института молекулярной биологии
и генетики АН СССР. Кратко скажу, как мы решали эту задачу.
Для высших организмов из-за очень сложной организации их
наследственного аппарата создание генов пока возможно с помощью только
одного вида биохимического синтеза — ферментативного. Ибо сейчас уже
открыт и выделен особый фермент — так называемая обратная транскриптаза,
синтезирующая ДНК на РНК как на матрице.
Судя по всему, вам это не совсем понятно, поэтому постараюсь
пояснить. В клетке присутствует целый набор информационных РНК (и-РНК).
Они представляют собой комплементарные копии соответствующих
индивидуальных генов. И если одну из таких индивидуальных РНК использовать
в качестве матрицы для обратной транскрипции, то ДНК — продукт этой
транскрипции — будет соответствующим индивидуальным геном.
Таким образом, решение задачи сводится к выделению из клеток
индивидуальной информационной РНК (и-РНК). Для этого обычно берут клетки,
в которых синтезируется в основном один какой-либо белок. Например, клетки
железы шелкопряда вырабатывают преимущественно фибрин шелка, клетки
хрусталика глаза — кристалины, ретикулоциты — гемоглобин и т. д. В
частности, глобиновая и-РНК была применена в качестве матрицы для синтеза
структурных генов, кодирующих в высших организмах первичную структуру
соответствующих белков.
Работы по синтезу структурного глобинового гена кролика ведутся в
нашем институте не так давно. За это время удалось выделить индивидуальную
глобиновую и-РНК. Принципиальные основы методов нам были известны из
научной литературы. Однако эти методы удалось существенно изменить и
упростить. Так что теперь мы располагаем чистой глобиновой и-РНК в
количествах, достаточных для дальнейших исследований.
На выделенной и-РНК как раз и был синтезирован структурный глобиновый
ген кролика. В нашей стране такая работа проделана впервые. Теперь перед
нами открываются широкие возможности по изучению наследственного аппарата
высших организмов.
— Некоторые ученые иногда заявляют, будто человечество как
биологический вид клонится к угасанию. Чем же вызван такой
пессимистический прогноз?
— Такое мнение действительно встречается. И люди, отстаивающие это
мнение, в основном указывают на якобы ослабленное действие естественного
отбора. Ведь современная медицина сохраняет жизнь миллионам людей, которые
в условиях полудикого существования, конечно, не выжили бы. Поэтому-то и
появились утверждения, что в каждом последующем поколении становится все
больше людей, отягощенных различными наследственными недугами и дефектами.
Накопление вредных генов будто бы и ведет к постепенному вырождению
человеческой расы.
Иные сторонники этой точки зрения идут еще дальше. Они утверждают,
что общество якобы расслаивается на группы генетически «ценных» и
«неполноценных» людей. Носители разных типов генов дают начало разным
классовым группировкам. А раз так, то никакая социальная среда не исправит
биологических пороков «неполноценных» классов. Политическая направленность
подобных утверждений совершенно ясна: они призваны отвлечь людей от борьбы
за лучшую жизнь.
Давайте разберем эти доводы по порядку. Действительно, биологи
оперируют понятием «генетический груз». Он есть у самых различных животных
и растений. В ходе эволюции в наследственном аппарате отдельных особей
могут происходить и нередко происходят отклонения, мутации. Без них ни
один вид, как мы уже выяснили, не смог бы приспосабливаться к меняющимся
условиям существования. Но мутации, как известно, бывают не только
полезными, но и вредными. На свет появляются существа с врожденными
дефектами — это своеобразная плата за сохранение вида в целом.
Обычно уровень генетического груза стабилизируется. Он высок, если
отбор отметает всякую изменчивость, а это чаще всего бывает у диких
животных и растений. У них большая часть мутаций вредна.
В человеческом обществе ситуация иная. Конечно, и люди приносят
генетические жертвы. Наследственные дефекты разной степени есть у 4
процентов детей. Но при сохранении современного темпа мутаций уровень
генетического груза не увеличится ни в одном из будущих поколений. Надо
только охранять генетические структуры от вредных воздействий.
Остальная часть мутаций создает огромное, ни с чем не сравнимое
разнообразие по группе крови, цвету волос и глаз, строению наружного уха,
форме носа и т. д. Изменчивость такого рода людям нисколько не угрожает.
Медицинская генетика сегодня имеет дело с распознаванием и лечением
наследственных болезней, то есть с теми изменениями у человека, которые
входят в состав его генетического груза. В перспективе мы видим
возможность замещения больного гена, подобно тому как ныне пересаживают
здоровую почку на место больной.
Например, несвертываемость крови (гемофилия) вызвана тем, что мутация
у одного из предков дала человеку дефектный ген. Сейчас для предотвращения
сильных кровотечений нужны очень дорогие препараты, полученные из крови
здоровых людей. А если можно было бы ввести в хромосому больного
гемофилией нужный ген, то мы навсегда бы избавили человека от страданий.
Сегодня большинство биологов сходится во взглядах на природу раковой
опухоли. Говоря несколько упрощенно, это масса клеток, образовавшихся из
одной родительской, которая стала аномальной в результате изменений в
одном или нескольких генах. В таком случае вполне понятно, что все
дочерние клетки, пораженные раком, несут одни и те же злополучные гены.
Поэтому не исключена возможность, что в будущем удастся изменить характер
таких больных клеток еще до того, как рак разрастется.
Уже удалось, например, ввести отсутствующий ген в клетки больного
галактоземией — одним из наследственных заболеваний человека. Из-за
генетического дефекта у страдающих этим недугом не образуется фермент,
необходимый для расщепления и вывода из организма особого сахара, который
содержится в молоке и многих других пищевых продуктах. Известна и другая
подобная работа. Эмбриональные клетки мыши заражали вирусом полиомы.
Получался так называемый псевдовирон, который внутри себя содержал ДНК
клетки-хозяина. Этот-то псевдовирон и применяли для переноса ДНК.
Конечно, наследственных заболеваний много, и мы еще не знаем, как
будут вести себя в разных случаях клетки, которыми можно было
воспользоваться для внесения в организм необходимых ему генов. Да и немало
таких наследственных болезней, перед которыми медицина пока практически
бессильна.
— Так, значит, получается, что сторонники ухудшения генетического
фонда человечества все-таки в чем-то и правы?
— Да нет, они не правы, так как не учитывают, что больные люди
оставляют в среднем меньше детей, чем здоровые. При такой тенденции рост
числа вредных структур гена — аллелей, может идти только под влиянием
наследственных изменений. Теоретический расчет показывает, что аллели
будут концентрироваться настолько медленно, что смогут оказать
сколько-нибудь заметное влияние лишь через тысячи поколений.
Вот один из многих возможных примеров. Из 10 тысяч людей один бывает
альбиносом — у него нет пигментации кожи, волос и радужной оболочки глаз,
так что просвечивающие кровеносные сосуды делают глаза розовыми. Удвоение
концентрации аллелей за счет мутаций может произойти лишь через тысячу
поколений, то есть примерно через 25 тысяч лет. По истечении этого срока
на 10 тысяч человек будет приходиться 4 альбиноса. Чтобы все люди переняли
их черты, потребуется время, в сто раз большее — два с половиной миллиона
лет. Да и то лишь теоретически. Ведь на деле мутации распространяются не
только от нормы к альбинизму, но и в обратном направлении. Так что
приведенный выше огромный период надо увеличить еще в неопределенное число
раз.
Так обстоит дело с аллелем, не подверженным действию естественного
отбора. А на носителей вредных генов отбор, как мы видели,
распространяется. Поэтому даже нельзя и говорить о каком-то завоевании
человечества мутантами. Я совершенно уверен: в будущем мы научимся
справляться и с тем минимальным эффектом, который мутации дают через 10 —
20 тысяч лет. Ведь генетика весь этот период не будет стоять на месте. И
для того чтобы научиться бороться с вредными мутациями, ей потребуется
гораздо меньше времени.
Совершенно ясно: ни медицина, ни повышение жизненного уровня не
подтачивают наследственного здоровья рода человеческого.
— Николай Петрович, но раз человек может страдать от вредных мутаций,
вызываемых различными внешними воздействиями, то, значит, если оградить
человеческую наследственность от таких вредных влияний, это положительно
скажется на снижении вредных мутаций?
— Действительно, человек не просто живет на планете. Он изменяет
окружающую среду, воздействует на нее. Особенно интенсивно происходит это
за последние десятилетия. И именно по этой причине со страниц печати не
сходит сегодня проблема биосферы. Ведь человек, внеся свои изменения в
окружающую среду, во многом нарушает исторически сложившиеся связи между
видами на Земле. Ухудшается обстановка для жизни и самого человека. Он сам
вольно или невольно загрязняет атмосферу, почву, реки, моря и даже океаны.
На нашей планете возник и растет добавочный фон радиации, появилось
множество технических и сельскохозяйственных соединений, которые оказывают
вредное влияние, нарушая наследственные структуры у всех форм жизни,
включая человека.
И просто необходимо защитить жизнь, чтобы сохранить и сделать еще
более прекрасным зеленый океан Земли, в котором живет и будет процветать
человек. Нужен разумный контроль над эволюцией жизни со стороны человека.
И в этом плане громадные задачи встают перед эволюционной генетикой,
которая во многом уже проникла во внутренние глубины механизмов, ведущих
историческое преобразование видов и популяций.
Наконец, сам человек, несмотря на то, что он существо социальное,
прикован к царству животных своими биологическими особенностями. Каждый
человек принадлежит к той или иной расе или популяции. Это определяет
важнейшее значение исследований по генетике популяций человека. Как
разумное и физически совершенное существо нормальный человек заслуживает
восхищения. Но если в целом наследственность человека представляет собой
драгоценность Земли, то в отдельных случаях из-за ее порчи путем мутаций,
как я уже говорил, рождаются дети с наследственными болезнями. И для того
чтобы этого не происходило, мы должны очень бережно относиться как к
самому человеку, так и к окружающей его среде.
Борьба с теми факторами, которые повышают уровень мутаций, —
неотложная и важная задача. Мы должны оберегать человека от вредных
влияний радиации, некоторых химических соединений. Известно же, например,
что наличие в среде, окружающей человека, постоянно действующей
дополнительной радиации даже такой малой дозы, как всего один рад, может
привести к очень серьезным последствиям. На каждые три миллиарда человек
может появиться дополнительно 11 миллионов детей, отягощенных тяжелыми
наследственными дефектами психики и физическими уродствами.
— 4 октября 1957 года весь мир облетела весть о том, что в Советском
Союзе запущен первый искусственный спутник Земли. Началась космическая эра
человечества. Но любому человеку даже тогда было ясно, что если посылать в
космос живые организмы, то они подвергнутся там таким факторам, как
невесомость, космическая радиация, ускорение, вибрация... Скажите, велись
ли учеными-генетиками исследования в этом направлении?
— Еще до начала космической эры нам было ясно, что полеты в космос
обещают новые пути для развития биологии и ставят перед нею ряд крупных
задач, решить которые должны полеты человека в космических кораблях. Но
без предварительных экспериментов никто бы из нас не согласился с полной
уверенностью предугадать, не принесет ли все это вред человеческому
организму. Не знали бы мы и то, как перенесет наследственность человека
все эти факторы и что именно с генетической точки зрения наиболее опасно.
Так что космические полеты не только открывали новые пути развития
биологии, но и ставили перед нею немало сложных задач, от решения которых
зависело будущее космоплавания.
Советские ученые заявили о необходимости исследования действия
факторов космического полета на живые организмы задолго до создания первых
космических ракет. Еще в 1939 году в нашей стране состоялась Всесоюзная
конференция по изучению стратосферы, на которой Н. Н. Кольцов, Г. А.
Надсон и Г. Г. Меллер подняли вопрос о необходимости изучения влияния
космической радиации на наследственность. Участник этой конференции Сергей
Павлович Королев горячо поддержал выступления биологов. И с тех пор он
всегда придерживался этого мнения. В 1934 году с одной из его первых ракет
впервые в мире ушли в полет в скромных пробирках живые организмы.
Это внимание к работе биологов-генетиков со стороны исследователей
космоса мы ощущали и позже. Даже тогда, когда Королев, как Главный
конструктор, берег каждый квадратный сантиметр пространства и каждый грамм
веса внутри корабля, для наших биологических объектов место находилось
всегда, и они регулярно летали в космос. Так что и космонавтика, и
космическая генетика развивались почти параллельно.
Уже в 1935 году на стратостате «СССР-1-бис» в стратосферу, к нижней
границе космоса, были отправлены мухи дрозофилы. Позже уже в космос, кроме
мух, отправились мыши, семена растений, микроорганизмы. Мы хотели
выяснить, как влияет космическая радиация, невесомость, ускорение и другие
факторы космического полета на наследственные структуры в клетках
организма. Проведенные исследования продемонстрировали, что при
кратковременном полете сколько-нибудь заметного нарушения в генетической
информации, записанной в молекулах ДНК в хромосомах клеток, не происходит.
Как только начались первые опыты по исследованию влияния факторов
космического полета на наследственность, ученым стало ясно, что в этих
работах выкристаллизовывается совершенно новая отрасль науки. Вскоре она
получила и свое название — космическая генетика. В дальнейшем было
проведено немало опытов на собаках. С их помощью медики и физиологи
получили подтверждение безопасности космического полета для живых существ.
Прошло еще немного времени, и мы, генетики, вместе с медиками и
физиологами, волнуясь, поставили свои подписи под документом, который, с
медикобиологической точки зрения, открывал дорогу в космос Юрию
Алексеевичу Гагарину, а затем Герману Степановичу Титову и другим
космонавтам.
Так что, как видите, даже такая, казалось бы, и земная наука, как
генетика, тоже прокладывала человеку путь в космические дали. На
состоявшемся в 1968 году в Токио первом международном симпозиуме по
космической генетике, где выступали советские делегаты и представители
американского космического центра, было окончательно принято название
новой дисциплины. Приоритет советских ученых в этой области был признан
всеми.
— Николай Петрович, но я думаю, что с первыми полетами советских
космонавтов дальнейшее исследование влияний космических полетов на
наследственность не прекратилось?
— Полеты наших космонавтов не только не прекратили экспериментов, а,
наоборот, поставили их на новую ступень. Наши объекты летали на
«Востоках», «Восходах», «Союзах», «Космосах». Они несколько раз облетали
Луну на станциях серии «Зонд». Так, например, на корабле «Восток» вместе с
Ю. А. Гагариным летала дрозофила и другие объекты, на «Востоке-3» А. Г.
Николаев проводил опыты с дрозофилой, а П. Р. Попович экспериментировал на
«Востоке-4» также и с растениями. Проводились и другие интересные опыты.
А. Г. Николаев во время своего полета на «Союзе-9» в 1970 году регулировал
доступ света к опытным посевам одноклеточной водоросли хлореллы.
Конечно, может возникнуть вопрос: а при чем же здесь опять эта
плодовая мушка дрозофила? Дело в том, что уровень мутации у этого хорошо
изученного генетиками организма служит тончайшим дозиметром, оценивающим
действие факторов космического полета на наследственность. Особая методика
позволяет накопить мутации, возникшие за все поколения в космосе, и потом
изучить их на Земле.
— Ну и что же, показали все эти многочисленные эксперименты
безопасность космических полетов? Или же какая-то опасность все же
существует?
— Исследования наших ученых, которые, кстати говоря, подтверждены и
опытами американских исследователей, позволили нам сделать вывод, что
условия космического полета все же оказывают некоторое генетическое
влияние. Может, например, несколько повыситься частота появления мутаций.
А это, естественно, способно привести к скачкообразному изменению
какого-либо признака и перестройке хромосом, также влияющих на
наследственность.
Эти данные получены в экспериментах при кратковременных полетах. Но
ведь не за горами и то время, когда человек будет находиться вдали от
Земли недели, месяцы. Работа на орбитальных станциях будущего, полеты
человека к Венере, Марсу будут длиться довольно долго. Все это заставляет
нас внимательнейшим образом продолжать изучать влияние космических условий
на генетическую информацию в клетках самих космонавтов. Современные методы
исследования позволяют нам вести эту работу, изучая хромосомы лейкоцитов
до и после полета.
Я привел этот пример, показывающий совместную работу наших генетиков
с учеными других специальностей, как наиболее показательный. Подобные
работы ведем мы и в других областях, где возможно ожидать вредное
воздействие внешних условий на такое бесценное сокровище, каким является
наследственность человека. И эти исследования показывают, что генетикам
необходимо не только давать советы о различных способах защиты
наследственности, но и разрабатывать методы химического контроля над
протеканием самого процесса мутаций путем введения в организм человека
антимутагенных соединений, которые не допускают или снимают повреждения с
молекул ДНК, и путем усиления работы восстановительных ферментов,
защищающих молекулы ДНК от повреждений.
— Если я правильно вас понял, то выходит, что совсем недалеко то
время, когда для того, чтобы обезопасить себя от губительного влияния
космических лучей или радиации, достаточно будет просто принять пару
каких-то таблеток. Но такая перспектива скорее напоминает фантастику, чем
реальность.
— И все же, несмотря на всю фантастичность такой перспективы, все это
вполне возможно. Конечно, я был бы утопистом, если бы стал уверять вас,
что такие таблетки появятся на прилавках аптек чуть ли не завтра. Но в то,
что они все-таки рано или поздно появятся, я искренне верю.
— Но если мы опять вернемся к космическим полетам, о которых мы
только что говорили, то невольно возникает такой вопрос. При длительной
работе на околоземных космических станциях или же при полетах человека к
другим планетам космонавту необходимо питаться. Но набрать столько
продуктов, чтобы их хватило на весь путь, современные космические корабли
практически не в силах. Они просто не смогут оторваться от Земли. Как же
быть? Писатели-фантасты уже нашли выход из этого трудного положения. Одни
из них предполагают, что космонавты будут питаться какими-то
суперкалорийными продуктами, которые при маленькой площади и объеме дадут
человеку все необходимое. Другие же считают, что гораздо проще выращивать
все необходимое прямо на корабле. Какое же из предположений вы считаете
наиболее правильным и что в этом направлении может сделать генетика?
— Предугадывать мне трудно. Я не специалист ни по космической
технике, ни по космическому питанию. Но предположить я все-таки могу. Мне
кажется, что в более или менее длительных космических полетах ближайшего
будущего будет использоваться комбинированный способ питания. То есть те
продукты, которые нельзя вырастить или синтезировать на борту космического
корабля, будут браться с Земли в готовом виде. Ну а остальное будет
производиться прямо во время полета.
Вы помните, я несколько раньше говорил, что генетическая инженерия
может создавать бактерии, необходимые для синтеза белков, пригодных для
питания из отходов. Кроме того, с помощью генетики можно будет создать и
специальные сорта растений, приспособленных для жизни на борту
космического корабля. На корабле, держащем путь в просторы вселенной,
будут находиться отобранные и специально выведенные растения, вода, то
есть на нем образуется самостоятельная экологическая система, как бы
условия нашей родной планеты в миниатюре, обеспечивающие нормальную
жизнедеятельность как экипажа, так и растений. И генетика должна
обеспечить защиту этих спутников человека. Притом, дабы не увеличивать вес
корабля, необходимо, чтобы защита эта действовала без физических средств —
различных экранов.
Возможно ли это? Давайте возьмем ту самую хлореллу, которая уже
побывала в космосе с А. Г. Николаевым. Популяция хлореллы — это несколько
миллиардов особей. Какие генетические законы действуют здесь? Что касается
наследственности отдельных организмов, то такие законы, как мы уже
говорили, известны. А в отношении популяции клеток эти законы только
открываются.
В популяции хлореллы, как и в других организмах, под действием
радиации возникают мутации. И задача ученых — правильно оценить эффект
этих изменений и разработать соответствующие меры защиты. Конечно,
наиболее простым способом было бы добавить в среду, где живет хлорелла,
специальные химические препараты. Однако я не совсем уверен, что такая
защита будет полностью эффективной. Значит, необходимо создать такие формы
хлореллы, которые бы не боялись радиации. И это не просто идея. Опыты,
доказывающие такую возможность, уже проводятся, так что можно с полной
уверенностью сказать, что ко времени длительных полетов человека в
космическом пространстве не боящаяся радиации хлорелла будет создана.
Такая мутантная хлорелла, устойчивая к радиации, будет давать
кислород и наверняка окажется необходимым «блюдом» как для животных,
которые тоже могут быть на корабле, так и для человека. Конечно, одной
хлореллой сыт не будешь. Необходимо искать и создавать другие, пригодные
для космических полетов растения. Известно, что почти все семена хорошо
переносят облучение. О растениях же этого не скажешь. И главная задача на
сегодняшний день — отобрать и оценить с точки зрения радиационной
устойчивости существующие растения. Когда же они будут найдены, нужно
будет создать их новые формы для полноценного участия в экологической
системе космического корабля.
Так что, как видите, исследования ученых-генетиков необходимы не
только для того, чтобы обезопасить наследственность человека, штурмующего
просторы вселенной, но и для того, чтобы сделать такое длительное
путешествие возможным.
Беседу вел Г. МАКСИМОВИЧ
__________________________________________________________________________
Текст подготовил Ершов В. Г. Дата последней редакции: 11/09/2000
|
Tayny_nashih_genov.
Николай Петрович ДУБИНИН, Г. МАКСИМОВИЧ
ТАЙНЫ НАШИХ ГЕНОВ
Интервью с лауреатом Ленинской премии, директором
Института общей генетики АН СССР, академиком
НИКОЛАЕМ ПЕТРОВИЧЕМ ДУБИНИНЫМ
— Николай Петрович, сейчас довольно много говорят о проблеме
наследственности. Но суть проблемы знает далеко не каждый...
— Наследственность — это одно из коренных свойств жизни. Генетику
наших дней можно представить в виде гигантской стройки, где уже грохочут
взрывы важнейших открытий. Без преувеличения можно сказать, что сегодня
закладывается фундамент века биологии. И изучение сущности жизни,
управление ею — это самый передний край той великой материалистической
науки, которой обладает современное человечество. Сама, будучи полем
применения комплексных методов, новая биология оказывает глубокое влияние
на физику, химию, математику, кибернетику... Через изменения в медицине, в
сельском хозяйстве и в микробиологии, включаясь в решение задач атомного
века и века космоса, она становится ключевым элементом научно-технической
революции.
Генетику можно смело назвать фундаментом современной биологии. С ее
помощью человек уже в ближайшем будущем сможет новыми могущественными
методами решать такие поистине фантастические задачи, как управление
жизнью, создание новых форм растений, животных и микроорганизмов, сможет
бороться за здоровье живущих людей и их будущих поколений.
Да, все это будет под силу генетике — науке о наследственности.
Конечно, на первый взгляд может показаться, что все мы можем совершенно
спокойно жить, и не зная сущности и секретов наследственности, и что все
это не так уж важно. Но давайте разберемся, так ли это на самом деле.
Сможем ли мы, не зная генетики, объяснить, почему, например, обезьяна
не превращается в белого медведя, если даже ее поселить на Крайнем Севере?
Сумеют ли работники сельского хозяйства в ближайшем будущем получать с
каждого гектара по 100 центнеров пшеницы? Как скажутся через каких-нибудь
50 — 100 лет последствия атомных взрывов на потомках современных жителей
Хиросимы и Нагасаки? Сумеем ли мы уберечь человечество от губительных
воздействий ядерного излучения и применения ядохимикатов? Смогут ли
космонавты в полетах в глубь вселенной управлять жизнью микроорганизмов и
растений, которые будут находиться вместе с ними в кабинах кораблей?
Почему рождаются мальчики или девочки и почему они появляются на свет
примерно в одинаковом количестве? Грозит ли человечеству вымирание или же
мы еще находимся у начала развития земной цивилизации?..
Можно привести еще тысячи подобных вопросов, имеющих очень важное как
общехозяйственное, так и общенародное значение и ответить на которые
нельзя, не познав секреты наследственности и не научившись управлять ею. А
это даст нам очень многое. Человек сможет участвовать в решении
практических задач сельского хозяйства, медицины, научиться управлять
эволюцией на нашей планете в целом.
Задача ученых-генетиков состоит в том, чтобы разработать способы
борьбы за здоровье, долголетие, длительную юность человека. Это потребует
творческого развития проблем общей генетики и генетики человека в союзе с
медициной. Мы должны создать условия для резкого повышения продуктивности
сельского хозяйства, а для этого нужен творческий союз генетики и
селекции. Необходимо разработать методы управления генетическими
процессами, лежащими в основе эволюции видов, проблемы радиационной
генетики, связанные с широким использованием атомной энергии. Или же
возьмите, наконец, проблемы космической генетики для обеспечения
биологической стороны космических полетов.
Так что, как видите, изучение наследственности — это не чисто научная
проблема. Перед этой наукой стоят большие, прямо-таки фантастические по
своей смелости задачи.
Взрыв, изменивший лицо генетики, произошел в 1953 году, когда была
установлена молекулярная природа явлений наследственности. Это открытие
послужило источником, от которого взяла свое начало молекулярная генетика
и молекулярная биология в целом.
В свете данных этих наук многие из сокровенных сторон жизни потеряли
для ученых былую таинственность. Таинственными были основы, на которых
зиждется размножение клетки и передача информации при размножении
организмов. Мы не знали, в чем суть программирования при индивидуальном
развитии, когда от одной клетки в виде оплодотворенного яйца после
целенаправленных процессов возникает взрослая особь.
— Так в чем же, Николай Петрович, суть наследственности? Почему же
дети похожи на своих родителей и в чем, если так можно выразиться,
материально заключена эта поразительная преемственность организмов?
— Теперь уже ученым ясно, что преемственность организмов
осуществляется через одну клетку — оплодотворенное яйцо, которая и несет в
себе все основы развития особи. Весь животный и растительный мир в каждом
поколении проходит такую микроскопическую стадию одной клетки. В этот
период исчезают все признаки и особенности взрослой особи. Через
оплодотворенное яйцо передаются лишь наследственные структуры, связывающие
поколения. Эти структуры обладают возможностью на основе процессов, идущих
в клетке, и при наличии определенных условий среды вновь возродить всю
сложность функций и форм живого, созданную в процессе эволюции.
— Ну а как же устроена клетка?
— Живая клетка, как я уже говорил, является основой всех форм жизни
на Земле. Основные ее элементы — ядро и цитоплазма. Существует два
основных вида клеток — тканевые и половые. Как известно, размножаются они
делением. У человека каждая тканевая клетка содержит набор из 23 пар
хромосом, перед наступлением деления это количество хромосом удваивается,
и поэтому после деления в каждую дочернюю клетку попадают необходимые 46
хромосом. При размножении же половых клеток в дочернюю попадает только по
одной хромосоме из каждой пары, и лишь при оплодотворении
восстанавливается необходимое число хромосом.
Но мы еще не закончили разговор об общем строении клетки. Так вот,
ядро и цитоплазма тесно связаны между собой, цитоплазма не может долгое
время существовать без ядра, а ядро погибнет без цитоплазмы. Если
применить образное сравнение, то клетка — это как бы своеобразное
«государство». Ядро — его «столица», а цитоплазма — «провинция».
Цитоплазма состоит из различных химических и биологических структур. Но
столица остается столицей. Именно здесь находится «правительство», которое
не только управляет «страной», но и «заботится» о грядущих поколениях.
Роль этого «правительства» и выполняют хромосомы. У каждого вида
организмов хромосомы имеют свою форму. Количество их тоже различно.
Я не хочу вдаваться в подробности, так как это довольно сложно да и
представляет интерес разве что только для людей, увлекающихся
естественными науками, но все же постараюсь рассказать, как устроена эта
носительница наследственной информации — хромосома. Ее можно, пожалуй,
сравнить с нитью, на которую нанизаны бусинки. Это гены, обладающие
различными свойствами. Они непохожи друг на друга, и каждый в отдельности
оказывает специфическое влияние на физиологию клетки и развитие организма,
контролирует строго определенный процесс. Комплекс же генов, свойственный
набору хромосом в целом, «управляет» деятельностью клетки.
Когда же тысячи таких элементарных единиц наследственности — генов —
соединяются в цепочку, возникает хромосома. Конструкцию хромосомы можно
наблюдать под микроскопом на клетках слюнных желез плодовой мушки, или,
как ее еще называют, мухи дрозофилы. У них хромосомы достигают гигантских
размеров. В этом одна из причин, почему многие свои опыты и исследования
ученые проводят именно на этой мушке.
Было установлено, что элементы ядра клетки отличаются от элементов
цитоплазмы тем, что в последней структуры многократно дублируются, тогда
как в ядре большинство наследственных структур уникально. Каждая структура
присутствует в виде гомологических генов, один из которых получен от отца,
другой — от матери.
Итак, внешне хромосома похожа на нить с бусинками. Однако кому же
природа доверила такую ответственную задачу, как передача по наследству
признаков и свойств родителей? Эту важную задачу выполняет химическое
соединение, называемое дезоксирибонуклеиновой кислотой или сокращенно ДНК.
Сейчас уже никто из биологов не сомневается, что передача
наследственных признаков связана именно с ДНК. Опыты, доказывающие это,
сегодня исчисляются сотнями. Их проводили во многих лабораториях мира. И
сейчас мы с полной уверенностью можем сказать, что, например, в молекулах
ДНК клеток человека запрограммирована его генетическая информация. Она
касается нормального физического развития, здоровья, продолжительности
жизни, гармоничного развития способностей, появления наследственных
болезней, старости, сердечнососудистых заболеваний, злокачественного
роста, предрасположенности к тем или иным инфекционным болезням и даже
смерти.
Если выделить из ядра одной клетки человека все его генетические
молекулы ДНК и расположить их в линию одна за другой, то общая длина
составит семь с половиной сантиметров. Такова гигантская биохимическая
рабочая поверхность хромосом. Она дрожит от напряженной работы в каждой
клетке человеческого организма. Это сконцентрированное в молекулярной
записи наследие бесконечных веков прошедшей эволюции. Как совершенно
правильно и образно сказал об этом в своем романе «Лезвие бритвы» писатель
Иван Ефремов, «наследственная память человеческого организма — результат
жизненного опыта неисчислимых поколений, от рыбьих наших предков до
человека, от палеозойской эры до наших дней. Эта инстинктивная память
клеток и организма в целом есть тот автопилот, который автоматически ведет
нас через все проявления жизни, борясь с болезнями, заставляя действовать
сложнейшие автоматические системы нервной, химической, электрической и
невесть какой еще регулировки. Чем больше мы узнаем биологию человека, тем
более сложные системы мы в ней открываем». И из всех этих сложнейших
систем природа, характер и развитие наследственности и есть предмет
генетики.
— Николай Петрович, но, коль скоро все или, по крайней мере, основные
секреты наследственности изучены, у ученых появилась возможность
воздействовать на нее. Это значит, что человек может по своему желанию
изменять животный и растительный мир и даже, как это довольно часто
описывают в произведениях писатели-фантасты... самого себя. Не так ли?
— Вы говорите сразу о нескольких проблемах: о возможности воздействия
на наследственность, о селекции сельскохозяйственных растений и животных,
об улучшении генетики человека и борьбе с наследственными заболеваниями.
Как я уже говорил, познание законов наследственности — это не
самоцель ученых-генетиков. Конечно же, все это, необходимо нам для того,
чтобы научиться воздействовать на природу, изменять окружающий нас
животный и растительный мир, и если надо, то и самого человека. И
благодаря открытиям ученых современная генетика уже научилась искусственно
вызывать изменения в наследственных структурах организма. В этом ее
величайшая заслуга. И хотя подчас биологи не могут еще детально
разобраться в процессах, идущих в ядре и цитоплазме клетки, они уже
научились использовать стойкие изменения в наследственном аппарате, если
они полезны, и бороться с вредными.
Чтобы сделать яснее картину достижений генетики, бросим беглый взгляд
на процессы эволюции в природе, те самые процессы, о которых говорится в
учении Дарвина. Для этого воспользуемся нехитрой моделью — аквариумом, где
плавают несколько пар рыбок гуппи. Через какое-то время рядом с родителями
появится потомство первого поколения, затем второго, третьего...
Постепенно гуппи заполнят весь аквариум. И если не увеличить рацион
кормления и не подавать в воду насосом кислород, то выживут лишь самые
сильные рыбки, те, что смогут бороться с невзгодами и захватывать пищу. В
конце концов в живых будут оставаться только наиболее выносливые особи и в
аквариуме установится биологическое равновесие.
Примерно то же самое происходит и в природе. Если бы не было борьбы
за существование, то количество животных одного вида резко увеличилось, и
в конечном итоге их стало бы так много, что они заполнили бы всю планету.
Но мы знаем: число особей каждого вида на Земле ограничено. А это значит,
что в каждом поколении остаются жить только наиболее приспособленные.
Однако для действия естественного отбора перенаселенность
необязательна. В пределах одного вида нет генетически совершенно
одинаковых существ. Некоторые оставляют более выносливое потомство, другие
— хилое. Через несколько поколений преимущество получают потомки более
приспособленных организмов. Вполне понятно, что такой процесс может
происходить лишь в том случае, если полезные признаки передаются по
наследству.
Эволюция предполагает появление новых признаков, и они приобретаются
организмами. А это значит, что в наследственности возможны вариации.
Возникают они в виде так называемых мутаций — стойких изменений в генах и
хромосомах, изменений, которые выделяют организм из остальных, делают его
непохожим, «чужим» среди других, подобных ему.
Для живых существ, как это показывают наблюдения и опыты, эти новые
мутации могут быть полезными, вредными или нейтральными. Генетики и
селекционеры стараются воспользоваться полезными мутациями и нередко сами
создают их. И в то же время стремятся избавиться от вредных или ненужных
изменений в наследственности.
— Из всего вами сказанного явствует, что на современном уровне
генетики человек уже может воздействовать на наследственность, создавать
такие виды животных и растений, которые ему необходимы и которых недостает
в природе. Какими же путями идет генетика и селекция в сельском хозяйстве
и каковы уже достигнутые результаты?
— Ученые-селекционеры, как правило, не ставили перед собой цели
создавать новые виды растений, их основная задача — улучшать уже
существующие, разрабатывать высокоурожайные сорта. Генетика стала научной
основой селекции, многие ее экспериментальные и теоретические разработки
привели к целому ряду скачков в производительности домашних животных и
культурных растений.
В настоящее время выращивается более 4800 сортов и гибридов различных
сельскохозяйственных культур, в том числе почти 2800 сортов различных
полевых культур, в подавляющем большинстве хорошо приспособленных к
возделыванию в местных почвенчо-климатических условиях различных зон. Они
дают высокие урожаи и ценную по качеству продукцию. Многие из этих сортов
— результат работы ученых-генетиков. И можно с полной уверенностью
сказать, что в ближайшем будущем ожидаются более высокие достижения.
Нельзя забывать и такой факт, как изменение агротехники и введение
механизации. Это, как ни покажется вам странным на первый взгляд, тоже
создает новые требования к сортам, такие, как устойчивость против
осыпания, неполегаемость у хлебов, у хлопчатника — определенное
расположение коробочек, у кукурузы — определенная высота прикрепления
початков и многое другое. Учитывать все это при выведении нового сорта —
задача нелегкая, но необходимая.
И сейчас, когда многие законы наследственности уже познаны, ученым
чаще всего не приходится работать на ощупь, как это было раньше. Они уже
заранее видят, какое потомство получат от двух разных родителей. Выведение
нового сорта идет не наугад, а целеустремленно, и вследствие этого
результаты получаются намного быстрее. Короче говоря, человек научился
ускорять процесс эволюции. Природа улучшала какой-либо признак растения за
тысячи лет. Человек сократил этот процесс в сотни раз. Скажите, разве это
не фантастично, что человек научился направлять развитие организма в
нужную для него сторону, «реконструировать» наследственность?
— Скажите, ну а каким же путем получается все это многообразие новых
сортов?
— Еще совсем недавно для выведения нового сорта пшеницы чаще всего
скрещивали различные географически удаленные формы. Сегодня же все чаще
новые сорта получают с помощью мутаций — тех изменений, на которых
строится эволюция. Использование мутационной формы кукурузы, которая резко
повысила в зерне уровень для питания животных аминокислоты — лизина,
привело к новой революции в возделывании этого растения.
Мы являемся свидетелями коренных переделок генетической природы
растений. Эти переделки получили название «зеленых революций». У нас в
стране после знаменитых работ В. Пустовойта с подсолнечником успешно
переживают «зеленую революцию» пшеница, кукуруза, сахарная свекла и другие
растения. По Мексике, Индии, Филиппинам и по ряду других стран триумфально
шествует «зеленая революция» по возделыванию риса и пшеницы. Это было
достигнуто путем использования мутации карликовости, при котором энергия
роста переключается на развитие колоса. В Индии, например, получен
замечательный сорт пшеницы после воздействия на зерно радиацией.
Широкое развитие получили методы искусственного вызывания мутации под
влиянием радиации и химических соединений. Более 100 радиационных сортов
растений уже вошло в производство и стало достоянием сельскохозяйственной
практики. И хотя мы пока еще не всегда можем сказать с полной
определенностью, какой из видов воздействия принесет ожидаемый результат,
то, что уже достигнуто, — большой успех.
Мы уже в состоянии, используя факторы внешней среды, вмешиваться в
химическую структуру генов, можем вызывать в любом нужном нам количестве
мутации генов и хромосом. Этим по-новому решается проблема исходного
материала для селекции. И, лишь пройдя строгую селекцию, а в ряде случаев
и пройдя через скрещивание, они могут положить начало новым сортам особо
высокой урожайности.
И если вспомнить один из вопросов, о которых я говорил в самом начале
нашей беседы, то есть о том, возможно ли будет в ближайшем будущем
получать с одного гектара по 100 центнеров пшеницы, то сегодня мы уже с
уверенностью можем сказать, что такая урожайность — вещь реальная.
До последнего времени среди озимых сортов сильных пшениц выделялся
сорт «безостая-1», полученный после сложной гибридизации с привлечением
русских и аргентинских пшениц. Но не так давно впервые были районированы
новые сорта озимой пшеницы — «аврора» в Краснодарском крае, «кавказ» — для
посева на богаре и при орошении в Краснодарском крае, Николаевской и
Одесской областях, в Дагестанской АССР. Эти сорта выведены дважды Героем
Социалистического Труда академиком П. П. Лукьяненко с коллективом
селекционеров в Краснодарском научно-исследовательском институте сельского
хозяйства. Так вот, эти сорта при возделывании на высоком агротехническом
фоне дают невиданный урожай — до 100 центнеров с гектара.
— Николай Петрович, все, о чем вы сейчас рассказывали, касалось в
первую очередь растений. А как обстоит дело с животноводством? Сегодня
партия и правительство, как известно, уделяют большое внимание развитию
животноводства на промышленной основе. В стране развернуто строительство
крупных животноводческих комплексов. Может ли чем-нибудь помочь в этой
области генетика, ведь, насколько я понимаю, наследственная информация
животных гораздо сложнее, чем у растений?
— Проблема эта действительно не из легких. Однако мы все прекрасно
знаем, что решать ее надо как можно скорее. И, только соединив воедино
генетику и селекцию, можно получить тот сплав наук, который обеспечит
нужный для человечества громадный рост пищевых и технических ресурсов.
Население земного шара растет исключительно интенсивно. Через
каких-нибудь 30 лет на нашей планете будет жить около 7 миллиардов
человек, то есть в два раза больше, чем в наше время. Но, как показывают
современные тенденции развития, количество пахотной земли на человека
уменьшится в 2 раза, да и не увеличится, естественно, и площадь для выгула
скота. Роль же животного белка в пище человека исключительно велика. Общая
потребность в белках за сутки равна примерно 70 граммам, из которых около
половины должно быть животным белком высокой биологической ценности.
И поэтому вполне понятно, что просто необходимо поднять
производительность и качество не только сортов растений, но и пород
животных. Этот фактор сыграет выдающуюся роль при регуляции роста пищевых
ресурсов на нашей планете. И основная задача ближайшего будущего
зоотехники сводится к созданию промышленных гибридов, пород-популяций и
чистых пород, состоящих из животных таких генотипов, которые при
соответствующем кормлении и содержании производили бы больше продуктов. То
есть нам необходимы породы, приспособленные к развитию животноводства на
промышленной основе.
— Значит, если я правильно вас понял, промышленное животноводство и
птицеводство требуют не простых, а специально выведенных для таких условий
пород?
— Да, именно так. Процесс индустриализации таких важных отраслей
животноводства, как птицеводство, молочное скотоводство, свиноводство,
требует селекции на приспособление их к существованию в необычных для них
условиях и на приспособление к ряду новых производственных процессов.
Механизация дойки, например, уже вызвала необходимость селекции по таким
признакам, как скорость молокоотдачи и форма вымени, обеспечивающим
нормальное доение и предотвращение мастита.
Обычно на создание пород сельскохозяйственных животных требуются
десятки лет. Генетика уже нашла пути достижения радикальных результатов в
товарном животноводстве за сравнительно короткое время. Наиболее ярко это
выразилось при использовании генетических методов получения промышленных
гибридов.
Мне кажется, что будущее товарного животноводства в основном будет
состоять в использовании гетерозисных гибридов и гибридов комбинационной
производительности. Генетикам предстоит решить очень трудную задачу —
выбрать из огромного генетического материала наиболее ценные группы
генотипов, чтобы использовать их для прогресса пород и гибридов
сельскохозяйственных животных.
Замечательные перспективы открываются и в решении вопроса о получении
желательного пола у потомков. В этом случае задача состоит в регуляции
хода наследования половых хромосом. Решение вопроса самым решительным
образом скажется на развитии животноводства.
Усилиями генетиков и звероводов за каких-нибудь 10 — 15 лет выведено
около 30 мутантных форм норки, имеющей целую палитру окраски. Не менее
интересных результатов добились и от скрещивания лисиц различной окраски.
Можно привести еще немало примеров, когда человек, взяв на вооружение
достижения генетики, добивался поистине фантастических результатов как в
растениеводстве, так и в опытах с животными. Как-то мне попался на глаза
рассказ Эрика Рассела «Вы вели себя слишком грубо». Не вдаваясь в сюжет
этого рассказа, скажу только, что один из его героев захотел приобрести
«голубого носорога в семнадцать дюймов длиной и весом не больше девяти
фунтов». И, несмотря на то, что рассказ этот фантастический, можно прямо
сказать, описанное в нем очень недалеко от того, что будет возможно через
несколько десятков лет. И я говорю это совершенно не потому, что рассказ
этот понравился мне. Просто я опираюсь на современные достижения генетики
и предвижу на основе этого ее дальнейшее развитие и возможности.
— Николай Петрович, несколько раньше вы говорили о генетике
микроорганизмов. Что это такое и зачем нужно заниматься генетическими
опытами с этими мельчайшими живыми существами?
— Успехи генетики имеют огромное значение и для создания новой
отрасли биологической индустрии, связанной с промышленным использованием
микроорганизмов. Различные микроорганизмы и вирусы встали в центр внимания
фундаментальной генетики, когда наступила эпоха молекулярной биологии.
Наследственность и изменчивость этих форм являются сегодня предметом
глубокого изучения. Используя новые методы, селекция нужных форм
микроорганизмов достигла небывалой высоты. Это облегчено также и тем, что
при селекции микробов можно использовать миллионные и миллиардные
популяции, что резко увеличивает эффективность селекции.
Вот вы спрашиваете, зачем нужно работать с такими мельчайшими
организмами, какая от них польза. А ведь метод получения мутаций с помощью
радиации и химических соединений стал основным в получении
высокоэффективных продуктов целого ряда ценнейших лекарственных, пищевых и
других веществ. Вспомните, когда был открыт пенициллин, его стоимость в
буквальном смысле была выше золота. Теперь, после получения ценных
мутантов, резко повысивших выход пенициллина на единицу питательной среды,
в которой живут грибки, это лекарство стало доступно каждому.
Или же вот другой пример. Аминокислота лизин — важнейший компонент
пищи животных и человека. Сейчас создается крупная микробиологическая
промышленность по производству лизина. И это оказалось возможным только
после работы генетиков, в экспериментах которых была получена форма клеток
бактерий, которая выделяет в среду в пятьсот раз больше лизина по
сравнению с обычными, «дикими» бактериями. Громадные перспективы для
микробиологического синтеза белков открывает использование простых
углеродов нефти и газа. И в этой работе решающую роль также играют методы
новой генетической селекции.
Если немного пофантазировать, то можно увидеть совершенно необычный
путь для приготовления белков. Сейчас для достижения этой цели в ход идет
биомасса всем знакомых дрожжей. Но представьте себе производство будущего,
где в промышленных масштабах налажена «сборка» генов, управляющих синтезом
белков. Тогда столь ценный продукт не трудно будет получать в любых
разновидностях и любых количествах.
Проблема гена, как видите, принимает чисто прикладной характер.
Биологи должны научиться своими руками конструировать то, что принято
называть единицей наследственности. «Заготовками» и «деталями» должны
стать определенные молекулярные группы, а «сборочным цехом» — клетка и ее
ядро. Именно к решению таких задач стремится новое направление
исследований — генетическая инженерия.
— Знаете, слово «инженерия» рядом со словами «ген»,
«наследственность» для непосвященного человека звучит довольно странно.
Как-то даже трудно представить, что бы это могло значить.
— Фактически начало этому новому научному направлению было положено
задолго до того, как столь смелое словосочетание вошло в обиход. Методы
целенаправленного изменения наследственного аппарата — конечно, еще не на
молекулярном уровне — стали известны уже в 1934 — 1936 годах. В то время
мне удалось, действуя рентгеновскими лучами на клеточное ядро мухи
дрозофилы, изменить в нем число хромосом. Ядро с четырьмя парами сначала
превратилось в ядро с тремя, а затем и с пятью парами хромосом. В этой
работе можно увидеть истоки генетической инженерии.
Сегодня исследователи ставят совершенно иные задачи. В различных
лабораториях мира разыскиваются способы выделения, даже «сборки» отдельных
генов и переноса их в живые организмы.
Вспомним снова о бактериях. У них есть ген, ответственный за синтез
витамина В12, которого начисто лишены растения. А между тем известно:
добавка этого витамина резко увеличивает степень усвоения растительного
корма в организме сельскохозяйственных животных. Так почему бы не
попытаться пересадить тот самый бактериальный ген к растению? Каким путем
пойдут ученые, покажет время. Но мне кажется, они будут исходить из того,
что биохимический путь синтеза хлорофилла и витамина В12 имеет общие
начальные стадии. А раз так, то после срабатывания цепочки из четырех-пяти
добавочных ферментных реакций растительная клетка сможет вместо хлорофилла
синтезировать необходимый животным витамин. Правда, из отдельной клетки
надо еще получить целое растение. Но пути решения такой задачи уже
известны. Да что там из клетки. Взрослое растение выращивают даже из
протопласта — клеточной структуры, лишенной оболочки. Опубликован научный
доклад, в котором говорится, как в результате метаморфоз круглого зеленого
протопласта — одевания его оболочкой, деления и дифференцировки —
возникает своего рода искусственное «семечко». Оно дает корни и листья, и
в результате вырастает цветущий табак.
— Николай Петрович, а какие конкретно задачи стоят сегодня перед
генетической инженерией?
— Если детализировать «биолого-инженерные» задачи, то можно
определить среди них несколько наиболее существенных:
— выделение генов и их структур;
— синтез генов химическим или биохимическим путем;
— направленная модификация наследственных комплексов под влиянием
искусственно созданных условий;
— регуляция активности генов;
— их копирование;
— их перенос в наследственный аппарат других организмов.
Первая из перечисленных мною задач — выделение гена — уже решена
сегодня. Можно сказать, что и синтез гена в принципе тоже удался. Успех
этот достигнут был в 1970 году, когда индийскому ученому X. Коране удалось
«собрать» ген дрожжевой клетки, содержащей всего 77 азотистых оснований.
Такой короткий отрезок ДНК с заданной последовательностью оснований
синтезировали химически. Так появился первый ген, созданный человеком.
Конечно, это большой успех, предвещающий начало новой, фантастической
эры генетики, однако он несколько меркнет перед сложностью строения генов
и их комплексов даже у самых простых форм жизни. Ведь даже у простейших
вирусов в состав ДНК входит 5500 азотистых оснований, составляющих
приблизительно 17 генов. Что же касается синтеза единицы жизни — клетки, —
то трудности тут возрастают неимоверно.
Но, как я говорил выше, кроме химического, есть еще и биохимический
синтез. Интересные работы в этом направлении проведены группой сотрудников
нашего Института общей генетики АН СССР и Института молекулярной биологии
и генетики АН СССР. Кратко скажу, как мы решали эту задачу.
Для высших организмов из-за очень сложной организации их
наследственного аппарата создание генов пока возможно с помощью только
одного вида биохимического синтеза — ферментативного. Ибо сейчас уже
открыт и выделен особый фермент — так называемая обратная транскриптаза,
синтезирующая ДНК на РНК как на матрице.
Судя по всему, вам это не совсем понятно, поэтому постараюсь
пояснить. В клетке присутствует целый набор информационных РНК (и-РНК).
Они представляют собой комплементарные копии соответствующих
индивидуальных генов. И если одну из таких индивидуальных РНК использовать
в качестве матрицы для обратной транскрипции, то ДНК — продукт этой
транскрипции — будет соответствующим индивидуальным геном.
Таким образом, решение задачи сводится к выделению из клеток
индивидуальной информационной РНК (и-РНК). Для этого обычно берут клетки,
в которых синтезируется в основном один какой-либо белок. Например, клетки
железы шелкопряда вырабатывают преимущественно фибрин шелка, клетки
хрусталика глаза — кристалины, ретикулоциты — гемоглобин и т. д. В
частности, глобиновая и-РНК была применена в качестве матрицы для синтеза
структурных генов, кодирующих в высших организмах первичную структуру
соответствующих белков.
Работы по синтезу структурного глобинового гена кролика ведутся в
нашем институте не так давно. За это время удалось выделить индивидуальную
глобиновую и-РНК. Принципиальные основы методов нам были известны из
научной литературы. Однако эти методы удалось существенно изменить и
упростить. Так что теперь мы располагаем чистой глобиновой и-РНК в
количествах, достаточных для дальнейших исследований.
На выделенной и-РНК как раз и был синтезирован структурный глобиновый
ген кролика. В нашей стране такая работа проделана впервые. Теперь перед
нами открываются широкие возможности по изучению наследственного аппарата
высших организмов.
— Некоторые ученые иногда заявляют, будто человечество как
биологический вид клонится к угасанию. Чем же вызван такой
пессимистический прогноз?
— Такое мнение действительно встречается. И люди, отстаивающие это
мнение, в основном указывают на якобы ослабленное действие естественного
отбора. Ведь современная медицина сохраняет жизнь миллионам людей, которые
в условиях полудикого существования, конечно, не выжили бы. Поэтому-то и
появились утверждения, что в каждом последующем поколении становится все
больше людей, отягощенных различными наследственными недугами и дефектами.
Накопление вредных генов будто бы и ведет к постепенному вырождению
человеческой расы.
Иные сторонники этой точки зрения идут еще дальше. Они утверждают,
что общество якобы расслаивается на группы генетически «ценных» и
«неполноценных» людей. Носители разных типов генов дают начало разным
классовым группировкам. А раз так, то никакая социальная среда не исправит
биологических пороков «неполноценных» классов. Политическая направленность
подобных утверждений совершенно ясна: они призваны отвлечь людей от борьбы
за лучшую жизнь.
Давайте разберем эти доводы по порядку. Действительно, биологи
оперируют понятием «генетический груз». Он есть у самых различных животных
и растений. В ходе эволюции в наследственном аппарате отдельных особей
могут происходить и нередко происходят отклонения, мутации. Без них ни
один вид, как мы уже выяснили, не смог бы приспосабливаться к меняющимся
условиям существования. Но мутации, как известно, бывают не только
полезными, но и вредными. На свет появляются существа с врожденными
дефектами — это своеобразная плата за сохранение вида в целом.
Обычно уровень генетического груза стабилизируется. Он высок, если
отбор отметает всякую изменчивость, а это чаще всего бывает у диких
животных и растений. У них большая часть мутаций вредна.
В человеческом обществе ситуация иная. Конечно, и люди приносят
генетические жертвы. Наследственные дефекты разной степени есть у 4
процентов детей. Но при сохранении современного темпа мутаций уровень
генетического груза не увеличится ни в одном из будущих поколений. Надо
только охранять генетические структуры от вредных воздействий.
Остальная часть мутаций создает огромное, ни с чем не сравнимое
разнообразие по группе крови, цвету волос и глаз, строению наружного уха,
форме носа и т. д. Изменчивость такого рода людям нисколько не угрожает.
Медицинская генетика сегодня имеет дело с распознаванием и лечением
наследственных болезней, то есть с теми изменениями у человека, которые
входят в состав его генетического груза. В перспективе мы видим
возможность замещения больного гена, подобно тому как ныне пересаживают
здоровую почку на место больной.
Например, несвертываемость крови (гемофилия) вызвана тем, что мутация
у одного из предков дала человеку дефектный ген. Сейчас для предотвращения
сильных кровотечений нужны очень дорогие препараты, полученные из крови
здоровых людей. А если можно было бы ввести в хромосому больного
гемофилией нужный ген, то мы навсегда бы избавили человека от страданий.
Сегодня большинство биологов сходится во взглядах на природу раковой
опухоли. Говоря несколько упрощенно, это масса клеток, образовавшихся из
одной родительской, которая стала аномальной в результате изменений в
одном или нескольких генах. В таком случае вполне понятно, что все
дочерние клетки, пораженные раком, несут одни и те же злополучные гены.
Поэтому не исключена возможность, что в будущем удастся изменить характер
таких больных клеток еще до того, как рак разрастется.
Уже удалось, например, ввести отсутствующий ген в клетки больного
галактоземией — одним из наследственных заболеваний человека. Из-за
генетического дефекта у страдающих этим недугом не образуется фермент,
необходимый для расщепления и вывода из организма особого сахара, который
содержится в молоке и многих других пищевых продуктах. Известна и другая
подобная работа. Эмбриональные клетки мыши заражали вирусом полиомы.
Получался так называемый псевдовирон, который внутри себя содержал ДНК
клетки-хозяина. Этот-то псевдовирон и применяли для переноса ДНК.
Конечно, наследственных заболеваний много, и мы еще не знаем, как
будут вести себя в разных случаях клетки, которыми можно было
воспользоваться для внесения в организм необходимых ему генов. Да и немало
таких наследственных болезней, перед которыми медицина пока практически
бессильна.
— Так, значит, получается, что сторонники ухудшения генетического
фонда человечества все-таки в чем-то и правы?
— Да нет, они не правы, так как не учитывают, что больные люди
оставляют в среднем меньше детей, чем здоровые. При такой тенденции рост
числа вредных структур гена — аллелей, может идти только под влиянием
наследственных изменений. Теоретический расчет показывает, что аллели
будут концентрироваться настолько медленно, что смогут оказать
сколько-нибудь заметное влияние лишь через тысячи поколений.
Вот один из многих возможных примеров. Из 10 тысяч людей один бывает
альбиносом — у него нет пигментации кожи, волос и радужной оболочки глаз,
так что просвечивающие кровеносные сосуды делают глаза розовыми. Удвоение
концентрации аллелей за счет мутаций может произойти лишь через тысячу
поколений, то есть примерно через 25 тысяч лет. По истечении этого срока
на 10 тысяч человек будет приходиться 4 альбиноса. Чтобы все люди переняли
их черты, потребуется время, в сто раз большее — два с половиной миллиона
лет. Да и то лишь теоретически. Ведь на деле мутации распространяются не
только от нормы к альбинизму, но и в обратном направлении. Так что
приведенный выше огромный период надо увеличить еще в неопределенное число
раз.
Так обстоит дело с аллелем, не подверженным действию естественного
отбора. А на носителей вредных генов отбор, как мы видели,
распространяется. Поэтому даже нельзя и говорить о каком-то завоевании
человечества мутантами. Я совершенно уверен: в будущем мы научимся
справляться и с тем минимальным эффектом, который мутации дают через 10 —
20 тысяч лет. Ведь генетика весь этот период не будет стоять на месте. И
для того чтобы научиться бороться с вредными мутациями, ей потребуется
гораздо меньше времени.
Совершенно ясно: ни медицина, ни повышение жизненного уровня не
подтачивают наследственного здоровья рода человеческого.
— Николай Петрович, но раз человек может страдать от вредных мутаций,
вызываемых различными внешними воздействиями, то, значит, если оградить
человеческую наследственность от таких вредных влияний, это положительно
скажется на снижении вредных мутаций?
— Действительно, человек не просто живет на планете. Он изменяет
окружающую среду, воздействует на нее. Особенно интенсивно происходит это
за последние десятилетия. И именно по этой причине со страниц печати не
сходит сегодня проблема биосферы. Ведь человек, внеся свои изменения в
окружающую среду, во многом нарушает исторически сложившиеся связи между
видами на Земле. Ухудшается обстановка для жизни и самого человека. Он сам
вольно или невольно загрязняет атмосферу, почву, реки, моря и даже океаны.
На нашей планете возник и растет добавочный фон радиации, появилось
множество технических и сельскохозяйственных соединений, которые оказывают
вредное влияние, нарушая наследственные структуры у всех форм жизни,
включая человека.
И просто необходимо защитить жизнь, чтобы сохранить и сделать еще
более прекрасным зеленый океан Земли, в котором живет и будет процветать
человек. Нужен разумный контроль над эволюцией жизни со стороны человека.
И в этом плане громадные задачи встают перед эволюционной генетикой,
которая во многом уже проникла во внутренние глубины механизмов, ведущих
историческое преобразование видов и популяций.
Наконец, сам человек, несмотря на то, что он существо социальное,
прикован к царству животных своими биологическими особенностями. Каждый
человек принадлежит к той или иной расе или популяции. Это определяет
важнейшее значение исследований по генетике популяций человека. Как
разумное и физически совершенное существо нормальный человек заслуживает
восхищения. Но если в целом наследственность человека представляет собой
драгоценность Земли, то в отдельных случаях из-за ее порчи путем мутаций,
как я уже говорил, рождаются дети с наследственными болезнями. И для того
чтобы этого не происходило, мы должны очень бережно относиться как к
самому человеку, так и к окружающей его среде.
Борьба с теми факторами, которые повышают уровень мутаций, —
неотложная и важная задача. Мы должны оберегать человека от вредных
влияний радиации, некоторых химических соединений. Известно же, например,
что наличие в среде, окружающей человека, постоянно действующей
дополнительной радиации даже такой малой дозы, как всего один рад, может
привести к очень серьезным последствиям. На каждые три миллиарда человек
может появиться дополнительно 11 миллионов детей, отягощенных тяжелыми
наследственными дефектами психики и физическими уродствами.
— 4 октября 1957 года весь мир облетела весть о том, что в Советском
Союзе запущен первый искусственный спутник Земли. Началась космическая эра
человечества. Но любому человеку даже тогда было ясно, что если посылать в
космос живые организмы, то они подвергнутся там таким факторам, как
невесомость, космическая радиация, ускорение, вибрация... Скажите, велись
ли учеными-генетиками исследования в этом направлении?
— Еще до начала космической эры нам было ясно, что полеты в космос
обещают новые пути для развития биологии и ставят перед нею ряд крупных
задач, решить которые должны полеты человека в космических кораблях. Но
без предварительных экспериментов никто бы из нас не согласился с полной
уверенностью предугадать, не принесет ли все это вред человеческому
организму. Не знали бы мы и то, как перенесет наследственность человека
все эти факторы и что именно с генетической точки зрения наиболее опасно.
Так что космические полеты не только открывали новые пути развития
биологии, но и ставили перед нею немало сложных задач, от решения которых
зависело будущее космоплавания.
Советские ученые заявили о необходимости исследования действия
факторов космического полета на живые организмы задолго до создания первых
космических ракет. Еще в 1939 году в нашей стране состоялась Всесоюзная
конференция по изучению стратосферы, на которой Н. Н. Кольцов, Г. А.
Надсон и Г. Г. Меллер подняли вопрос о необходимости изучения влияния
космической радиации на наследственность. Участник этой конференции Сергей
Павлович Королев горячо поддержал выступления биологов. И с тех пор он
всегда придерживался этого мнения. В 1934 году с одной из его первых ракет
впервые в мире ушли в полет в скромных пробирках живые организмы.
Это внимание к работе биологов-генетиков со стороны исследователей
космоса мы ощущали и позже. Даже тогда, когда Королев, как Главный
конструктор, берег каждый квадратный сантиметр пространства и каждый грамм
веса внутри корабля, для наших биологических объектов место находилось
всегда, и они регулярно летали в космос. Так что и космонавтика, и
космическая генетика развивались почти параллельно.
Уже в 1935 году на стратостате «СССР-1-бис» в стратосферу, к нижней
границе космоса, были отправлены мухи дрозофилы. Позже уже в космос, кроме
мух, отправились мыши, семена растений, микроорганизмы. Мы хотели
выяснить, как влияет космическая радиация, невесомость, ускорение и другие
факторы космического полета на наследственные структуры в клетках
организма. Проведенные исследования продемонстрировали, что при
кратковременном полете сколько-нибудь заметного нарушения в генетической
информации, записанной в молекулах ДНК в хромосомах клеток, не происходит.
Как только начались первые опыты по исследованию влияния факторов
космического полета на наследственность, ученым стало ясно, что в этих
работах выкристаллизовывается совершенно новая отрасль науки. Вскоре она
получила и свое название — космическая генетика. В дальнейшем было
проведено немало опытов на собаках. С их помощью медики и физиологи
получили подтверждение безопасности космического полета для живых существ.
Прошло еще немного времени, и мы, генетики, вместе с медиками и
физиологами, волнуясь, поставили свои подписи под документом, который, с
медикобиологической точки зрения, открывал дорогу в космос Юрию
Алексеевичу Гагарину, а затем Герману Степановичу Титову и другим
космонавтам.
Так что, как видите, даже такая, казалось бы, и земная наука, как
генетика, тоже прокладывала человеку путь в космические дали. На
состоявшемся в 1968 году в Токио первом международном симпозиуме по
космической генетике, где выступали советские делегаты и представители
американского космического центра, было окончательно принято название
новой дисциплины. Приоритет советских ученых в этой области был признан
всеми.
— Николай Петрович, но я думаю, что с первыми полетами советских
космонавтов дальнейшее исследование влияний космических полетов на
наследственность не прекратилось?
— Полеты наших космонавтов не только не прекратили экспериментов, а,
наоборот, поставили их на новую ступень. Наши объекты летали на
«Востоках», «Восходах», «Союзах», «Космосах». Они несколько раз облетали
Луну на станциях серии «Зонд». Так, например, на корабле «Восток» вместе с
Ю. А. Гагариным летала дрозофила и другие объекты, на «Востоке-3» А. Г.
Николаев проводил опыты с дрозофилой, а П. Р. Попович экспериментировал на
«Востоке-4» также и с растениями. Проводились и другие интересные опыты.
А. Г. Николаев во время своего полета на «Союзе-9» в 1970 году регулировал
доступ света к опытным посевам одноклеточной водоросли хлореллы.
Конечно, может возникнуть вопрос: а при чем же здесь опять эта
плодовая мушка дрозофила? Дело в том, что уровень мутации у этого хорошо
изученного генетиками организма служит тончайшим дозиметром, оценивающим
действие факторов космического полета на наследственность. Особая методика
позволяет накопить мутации, возникшие за все поколения в космосе, и потом
изучить их на Земле.
— Ну и что же, показали все эти многочисленные эксперименты
безопасность космических полетов? Или же какая-то опасность все же
существует?
— Исследования наших ученых, которые, кстати говоря, подтверждены и
опытами американских исследователей, позволили нам сделать вывод, что
условия космического полета все же оказывают некоторое генетическое
влияние. Может, например, несколько повыситься частота появления мутаций.
А это, естественно, способно привести к скачкообразному изменению
какого-либо признака и перестройке хромосом, также влияющих на
наследственность.
Эти данные получены в экспериментах при кратковременных полетах. Но
ведь не за горами и то время, когда человек будет находиться вдали от
Земли недели, месяцы. Работа на орбитальных станциях будущего, полеты
человека к Венере, Марсу будут длиться довольно долго. Все это заставляет
нас внимательнейшим образом продолжать изучать влияние космических условий
на генетическую информацию в клетках самих космонавтов. Современные методы
исследования позволяют нам вести эту работу, изучая хромосомы лейкоцитов
до и после полета.
Я привел этот пример, показывающий совместную работу наших генетиков
с учеными других специальностей, как наиболее показательный. Подобные
работы ведем мы и в других областях, где возможно ожидать вредное
воздействие внешних условий на такое бесценное сокровище, каким является
наследственность человека. И эти исследования показывают, что генетикам
необходимо не только давать советы о различных способах защиты
наследственности, но и разрабатывать методы химического контроля над
протеканием самого процесса мутаций путем введения в организм человека
антимутагенных соединений, которые не допускают или снимают повреждения с
молекул ДНК, и путем усиления работы восстановительных ферментов,
защищающих молекулы ДНК от повреждений.
— Если я правильно вас понял, то выходит, что совсем недалеко то
время, когда для того, чтобы обезопасить себя от губительного влияния
космических лучей или радиации, достаточно будет просто принять пару
каких-то таблеток. Но такая перспектива скорее напоминает фантастику, чем
реальность.
— И все же, несмотря на всю фантастичность такой перспективы, все это
вполне возможно. Конечно, я был бы утопистом, если бы стал уверять вас,
что такие таблетки появятся на прилавках аптек чуть ли не завтра. Но в то,
что они все-таки рано или поздно появятся, я искренне верю.
— Но если мы опять вернемся к космическим полетам, о которых мы
только что говорили, то невольно возникает такой вопрос. При длительной
работе на околоземных космических станциях или же при полетах человека к
другим планетам космонавту необходимо питаться. Но набрать столько
продуктов, чтобы их хватило на весь путь, современные космические корабли
практически не в силах. Они просто не смогут оторваться от Земли. Как же
быть? Писатели-фантасты уже нашли выход из этого трудного положения. Одни
из них предполагают, что космонавты будут питаться какими-то
суперкалорийными продуктами, которые при маленькой площади и объеме дадут
человеку все необходимое. Другие же считают, что гораздо проще выращивать
все необходимое прямо на корабле. Какое же из предположений вы считаете
наиболее правильным и что в этом направлении может сделать генетика?
— Предугадывать мне трудно. Я не специалист ни по космической
технике, ни по космическому питанию. Но предположить я все-таки могу. Мне
кажется, что в более или менее длительных космических полетах ближайшего
будущего будет использоваться комбинированный способ питания. То есть те
продукты, которые нельзя вырастить или синтезировать на борту космического
корабля, будут браться с Земли в готовом виде. Ну а остальное будет
производиться прямо во время полета.
Вы помните, я несколько раньше говорил, что генетическая инженерия
может создавать бактерии, необходимые для синтеза белков, пригодных для
питания из отходов. Кроме того, с помощью генетики можно будет создать и
специальные сорта растений, приспособленных для жизни на борту
космического корабля. На корабле, держащем путь в просторы вселенной,
будут находиться отобранные и специально выведенные растения, вода, то
есть на нем образуется самостоятельная экологическая система, как бы
условия нашей родной планеты в миниатюре, обеспечивающие нормальную
жизнедеятельность как экипажа, так и растений. И генетика должна
обеспечить защиту этих спутников человека. Притом, дабы не увеличивать вес
корабля, необходимо, чтобы защита эта действовала без физических средств —
различных экранов.
Возможно ли это? Давайте возьмем ту самую хлореллу, которая уже
побывала в космосе с А. Г. Николаевым. Популяция хлореллы — это несколько
миллиардов особей. Какие генетические законы действуют здесь? Что касается
наследственности отдельных организмов, то такие законы, как мы уже
говорили, известны. А в отношении популяции клеток эти законы только
открываются.
В популяции хлореллы, как и в других организмах, под действием
радиации возникают мутации. И задача ученых — правильно оценить эффект
этих изменений и разработать соответствующие меры защиты. Конечно,
наиболее простым способом было бы добавить в среду, где живет хлорелла,
специальные химические препараты. Однако я не совсем уверен, что такая
защита будет полностью эффективной. Значит, необходимо создать такие формы
хлореллы, которые бы не боялись радиации. И это не просто идея. Опыты,
доказывающие такую возможность, уже проводятся, так что можно с полной
уверенностью сказать, что ко времени длительных полетов человека в
космическом пространстве не боящаяся радиации хлорелла будет создана.
Такая мутантная хлорелла, устойчивая к радиации, будет давать
кислород и наверняка окажется необходимым «блюдом» как для животных,
которые тоже могут быть на корабле, так и для человека. Конечно, одной
хлореллой сыт не будешь. Необходимо искать и создавать другие, пригодные
для космических полетов растения. Известно, что почти все семена хорошо
переносят облучение. О растениях же этого не скажешь. И главная задача на
сегодняшний день — отобрать и оценить с точки зрения радиационной
устойчивости существующие растения. Когда же они будут найдены, нужно
будет создать их новые формы для полноценного участия в экологической
системе космического корабля.
Так что, как видите, исследования ученых-генетиков необходимы не
только для того, чтобы обезопасить наследственность человека, штурмующего
просторы вселенной, но и для того, чтобы сделать такое длительное
путешествие возможным.
Беседу вел Г. МАКСИМОВИЧ
__________________________________________________________________________
Текст подготовил Ершов В. Г. Дата последней редакции: 11/09/2000
|
|