Наука о живом. Современные концепции в биологии

Медавар Питер

Наличие наружного скелета имеет для насекомых, и вообще для членистоногих, и другое важное следствие. У позвоночных закрытые костные коробки вроде черепа могут увеличиваться в размерах в результате нарастания костной ткани на их внешней поверхности, сопровождаемого ее исчезновением с внутренней. У членистоногих подобный процесс невозможен, а потому рост их тела обязательно должен сопровождаться периодическим сбрасыванием твердого хитинового покрова — линькой.

Многие насекомые проходят через личиночную стадию, которая занимает значительную часть их жизненного цикла. У этих личинок — например, у гусениц бабочек — в процессе их превращения во взрослую форму происходит глубокая перестройка всего организма (окукливание).

У некоторых насекомых личиночная стадия занимает почти весь их жизненный цикл, и короткоживущие взрослые формы у поденок, например, вообще не питаются и практически представляют собой крылатые органы воспроизведения.

Принято считать, что насекомые развились из организмов, родственных кольчатым червям, и что из {35} современных форм насекомых ближе всего к их эволюционному прототипу стоят те, которые обладают наиболее «обобщенным» строением, в частности прямокрылые (Orthoptera), включающие тараканов и кузнечиков*. Во времена расцвета эволюционной биологии считалось, что энтомологи обязаны как можно дальше проследить все эволюционные линии насекомых, но почти все современные энтомологи оставили эти изыскания, в сущности скучные и бесплодные: какое, собственно, имеет значение, произошло ли данное насекомое от этих предков или от других?

Изучение насекомых затрагивает множество

интересных и важных биологических проблем, связанных с наследственностью, развитием, поведением и с действием гормонов. Например, газовый обмен у них осуществляется через очень тонкие воздушные трубочки, трахеи, ведущие от поверхности тела прямо к внутренним органам. Врожденные физические ограничения дыхательной системы насекомых в сочетании с необходимостью линять ставят предел их размерам, причем гораздо более жестко, чем, например, у ракообразных. Поэтому заселение мира огромными насекомыми-фашистами представляет собой одну из самых нелепых идей среди всех мрачных нелепостей научной фантастики; более того, вероятность развития из насекомых какой бы то ни было другой формы животных можно отбросить как бесконечно малую. Насекомые — это специализированный конечной продукт эволюции. Утверждалось, что внутри этой группы новые виды возникают едва ли не быстрее, чем их удается опознать и дать им наименование. Это трудно проверить, потому что современные энтомологи больше не предаются чистой систематизации с прежним пылом. Но вот что можно сказать совершенно твердо: живущие и ископаемые виды насекомых описаны и наименованы отнюдь не все, хотя их известно уже около миллиона. И мы можем быть также уверены, что изощренные формы приспособления, обеспечивающие насекомым их успех, в то же время закрыли перед ними дверь новых эволюционных возможностей.

Глава 3 Биологическая наследственность, нуклеиновые кислоты, генетический код

В повседневной жизни мы наследуем (или — что гораздо чаще — не наследуем) богатство, имения, титулы и всякую собственность. В биологической же наследственности мы наследуем химически закодированное сообщение, закодированный набор инструкций, чрезвычайно точно определяющий тот путь, по которому пойдет развитие следующего поколения организмов. Молекулы, в которых закодирована генетическая информация, — это гигантские молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (сокращенно ДНК). Способность молекул нуклеиновой кислоты нести информацию определяется практически неисчерпаемыми возможностями перестановок и комбинаций тех четырех различных типов нуклеотидов, из которых слагается такая молекула (см. гл. 10 и 12). Эта переносящая информацию система похожа на азбуку Морзе, но только с четырьмя различными символами вместо привычных нам двух — точки и тире. Нуклеиновые кислоты переносятся в хромосомах, главную часть которых они и составляют и в которых нейтрализованы белками, имеющими щелочные свойства. Хромосомы — это те материальные объекты, которые через сперматозоиды и яйцеклетки передаются от одного поколения другому; хромосома неоднородна по длине, и каждое особое расположение нуклеотидов, которое отличает один ее отрезок от остальных, носит название ген. Хромосому можно увидеть в обычный оптический микроскоп, а особенности ее строения, которые и представляют собой гены, в последнее время удается обнаруживать при помощи электронных микроскопов с достаточно высокой разрешающей способностью. Следует, однако, подчеркнуть, что если бы микроскоп так и не был изобретен и биолог не {37} располагал бы никакими увеличительными приборами, мы все равно установили бы существование хромосом и генов путем рассуждений, сходных с теми, которые в свое время заставили нас поверить в реальность молекул и атомов; правда, на сей раз рассуждения были бы чисто генетическими, т. е. строились бы на результатах опытов по скрещиванию. Собственно, только благодаря этим опытам мы и знаем о существовании большинства генов. Некоторые пуристы-генетики старой школы, стараясь доказать самостоятельность генетики и как-то защититься от претензий молекулярной биологии, любят подчеркивать, насколько глубоко и точно смогли бы они открывать и исследовать материальную основу наследственности, вовсе не прибегая к помощи физических и химических методов анализа. Более того, генетики поколения Уильяма Бейтсона (1861–1926), так много сделавшие для пропаганды и подтверждения менделевских законов наследственности, нередко весьма раздражительно относились ко всем тогдашним разговорам о хромосомах. Приведенный ниже краткий очерк менделевской теории в основе своей вполне совпадает со взглядами Бейтсона, хотя и несколько переделан, с тем чтобы ввести в рассказ хромосомы. Хромосомы оплодотворенной яйцеклетки составляют пары (так называемое диплоидное состояние), причем одна хромосома в каждой паре происходит от одного родителя, а вторая — от другого. Поскольку все обычные соматические клетки тела возникают путем последовательного симметричного деления, копии этих пар хромосом представлены во всех клетках тела. Однако в процессе образования гамет (или репродуктивных клеток, т. е. сперматозоидов и яйцеклеток) хромосомы разделяются таким образом, что в гамету попадает только одна хромосома из каждой пары, поэтому число хромосом в каждой гамете составляет половину от их числа в обычной клетке тела — так называемое гаплоидное состояние. Когда происходит оплодотворение, т. е. слияние гамет, происшедших от особей разного пола, диплоидное число хромосом восстанавливается и все хромосомы соединяются в пары с соответствующим числом хромосом второго родителя. Следует подчеркнуть, что после разделения пар хромосомы распределяются по {38} гаметам совершенно случайным образом: абсолютно невозможно заранее предсказать, какая из хромосом данной пары попадет в ту или иную гамету, и вероятность того, что данная хромосома попадет в данную гамету, точно равна вероятности того, что в эту гамету попадет парная ей хромосома. Оплодотворение с генетической точки зрения — также процесс, полностью подчиняющийся законам случайности, однако механизм деления и соединения хромосом обеспечивает определенную статистическую правильность распределения наследуемых черт. Эта правильность воплощена в знаменитом менделевском законе расщепления (3:1, 9:3:3:1), краткое изложение которого можно найти в любом учебнике генетики или биологии. И только в начале нашего столетия биологи начали отдавать себе отчет, что наблюдаемое по» ведение хромосом совершенно точно совпадает с тем, которого следовало бы ожидать от любого материального агента, передающего менделевские «наследственные факторы». Хромосомы соответствуют группам сцепления, т. е. группам генетических детерминантов, которые наследуются все вместе (если вообще наследуются), и после блестящих исследований Томаса Ханта Моргана и его генетической школы в Колумбийском университете, с очевидностью показавших, что хромосомы по длине неоднородны, материальная основа самих «наследственных факторов» получила название «гены». Благодаря школе Моргана был открыт новый и чрезвычайно важный источник мелких генетических отклонений, в огромной степени расширяющий комбинаторные вариации генов, которые можно найти у различных особей, принадлежащих к одному виду*. Это перекрестный обмен (кроссинговер) — процесс, при котором хромосомы, входящие в пару, обмениваются наследственным материалом, причем обмен этот сопровождается разрушением обычных групп сцепления. И точно так же, как существование сцепления можно считать ограничением принципа свободного распределения генов, кроссинговер можно считать ограничением принципа сцепления. {39} Перекрестный обмен, свободное распределение генов и случайные рекомбинации гамет и создают тот неимоверно широкий спектр генетических различий, которым характеризуются организмы каждого отдельного вида.

Важнейшая характерная особенность открытых Менделем законов наследственности заключается в том, что генетические детерминанты сохраняют свою целостность на протяжении многих поколений: генетический детерминант, временно утерянный в результате кроссинговера, может опять проявиться много поколений спустя в исходной форме со всеми своими прежними свойствами. Это — генетическое проявление необыкновенной устойчивости молекул нуклеиновых кислот, т. е. их относительной невосприимчивости к тем разрушающим воздействиям, которым не могут не подвергаться такие огромные молекулы. Первым привлек внимание к важнейшим следствиям устойчивости хромосом Эрвин Шредингер*, знаменитый австрийский физик-теоретик, и он же первый описал хромосомы как средство переноса генетического кода; однако описание гена как сообщения в противоположность описанию фермента как агента совершенно иного рода было впервые использовано Гансом Кальмусом**.

Английский математик и генетик Р. А. Фишер указывал, что Мендель фактически разработал всю свою теорию на основе априорных предположений еще до того, как он задумал опыты по скрещиванию, из чего следует, что его эксперименты, по существу, принадлежали к тому типу, который можно назвать «аристотелевским»***, т. е. предназначались для иллюстрации ранее уже известного принципа, а не для получения качественно новой информации или проверки какой-либо гипотезы. Фишер, собственно говоря, хотел показать нелепость предположения, будто законы Менделя были «выведены» из экспериментальных {40} наблюдений за скрещиванием растений, а не разработаны гипотетико-дедуктивным методом, в котором заранее составленное представление о том, что может оказаться истиной, предшествует попытке экспериментально проверить, соответствует ли это заранее составленное представление действительности.

Несомненно, в аргументации Фишера что-то есть, так как числовое выражение результатов, полученных Менделем при скрещивании растений, слишком уж хорошо, чтобы быть правдой, т. е. настолько близко к теоретическим соотношениям 3:1 и 9:3:3:1, что вступает в противоречие с теорией вероятности. Не исключено, что садовники и помощники Менделя из самых лучших побуждений сообщали досточтимому учёному те результаты, которые, по их мнению, ему было бы особенно приятно услышать*.

Одним из наиболее блистательных достижений Менделя было то, что он осознал и в пределах своей теории определил явление доминантности. Ген называется доминантным, если его действие проявляется даже в том случае, когда он унаследован только от одного родителя, т. е. находится в гетерозиготном положении, и, наоборот, гены, действие которых проявляется только в гомозиготном положении (в том случае, когда они унаследованы от обоих родителей), называются рецессивными. Доминантность и рецессивность — это не характеристики самих генов, но форма, в которой проявляется их действие и на которую могут повлиять многие другие гены того же генома. В простейшем примере пары доминантного и рецессивного генов — скажем, генов, определяющих нашу способность или неспособность чувствовать вкус химического вещества фенилтиомочевины, — доминантный ген полностью маскирует действие рецессивного гена, так как способность ощущать вкус фенилтиомочевины уже не оставляет места для проявления способности его не ощущать. Однако гены группы крови, например, считаются кодоминантными. Действие кодоминантного гена проявляется, даже если он соединяется в пару с геном другого типа. Именно этим объясняется существование людей с группой крови {41} АВ. Будь наши методы анализа достаточно чувствительными, мы могли бы обнаруживать рецессивный ген и в гетерозиготном положении, когда его действие полностью маскируется действием доминантного аллеля. Для евгеники (см. гл. 7) возможность в определенных случаях распознавать носителей вредных рецессивных генов имеет очень большое значение. Простейшая и самая ранняя формулировка законов Менделя о наследственности строилась на предположении, что все определяющие наследственность факторы существуют в альтернативной, бинарной форме аллелей. Их альтернативное проявление было иногда предельно простым и выражалось в наличии или отсутствии определенной характерной черты, например в способности или неспособности человека ощущать вкус фенилтиомочевины или в альтернативных формах, ставших знаменитыми после ранних опытов Менделя, — зеленых или желтых горошин, круглых или морщинистых. Если субъект унаследовал от обоих родителей генетические детерминанты одной и той же формы, его по отношению к этому детерминанту называют гомозиготным. Особи, гомозиготные по какой-то характерной черте, производят гаметы, в которых относящиеся к этой черте детерминанты одинаковы. Если же субъект унаследовал от родителей разные генетические детерминанты, его по отношению к этой черте называют гетерозиготным. Гетерозиготная особь производит гаметы различного вида, так как парные хромосомы, несущие разные детерминанты, разделяются и попадают в разные гаметы. Лены обычной естественной популяции, где нет близкородственного скрещивания, большинством характерных черт не похожи друг на друга: они гибридны, или гетерозиготны. Поэтому весьма маловероятно, чтобы в условиях естественной популяции могла возникнуть полная гомозиготность по отношению ко всем генетическим детерминантам, хотя с помощью длительного систематического инбридинга можно приблизиться к такому положению.

Инбридинг и жизнестойкость гибридов. Генетические системы большинства животных — а у людей, кроме того, обычаи и законы — обеспечивают аутбридинг, т. е. скрещивание неродственных особей. Инбридингом же называется систематическое, на {42} протяжении многих поколений скрещивание генетически близких или — в крайней форме, если она возможна*, — самооплодотворение гермафродитных организмов.

Длительный инбридинг приводит к изменениям генетического состава популяции в сторону увеличения гомозиготности и в конечном счете к генетическому единообразию: чистые линии мышей, используемые во многих онкологических исследованиях и в иммунологических лабораториях, были получены по программе инбридинга, включавшей спаривание братьев и сестер или родителей и их потомства на протяжении более двадцати последовательных поколений. У таких мышей пары генов в большинстве своем гомозиготны, и их генетическая однородность подтверждается, в частности, тем, что кожа, пересаженная от одной особи к другой, не отторгается. В процессе приближения к гомозиготности в пары нередко объединяются вредные рецессивные гены — подчас с роковым результатом. Вот почему неоднократно предпринимавшиеся попытки вывести инбредную линию у млекопитающих, у которых в естественных условиях всегда происходит аутбоидинг, неизменно кончались провалом. В человеческом обществе, как известно, редкие отклонения рецессивного характера проявляются гораздо чаще у потомков, родившихся в кровосмесительных браках, в частности между двоюродными братьями и сестрами, и, чем реже встречается такое отклонение в обычных условиях, тем больше возрастает частота его проявления среди потомков близкородственных пар. Приходится считать, что сообщества, в какой-то мере практикующие инбридинг, уже изъяли из своего генофонда особенно вредоносные гены — иначе говоря, что злополучные люди, у которых проявлялось их действие, умирали, не дав потомства.

Если скрестить мышей двух инбредных линий, их гибридное потомство будет более сильным и жизнеспособным, будет расти быстрее, достигнет более крупных размеров и окажется гораздо более устойчивым {43} к болезням и другим видам стрессов, чем те инбредные линии, к которым принадлежали оба родителя. Это проявление повышенной жизнестойкости гибридов первого поколения, или гетерозиса, — явление, хорошо известное всем, кто занимается выведением новых пород сельскохозяйственных животных. Его можно объяснить подавлением действия неблагоприятных рецессивных генов их нормальными аллелями — кроме, конечно, тех случаев, когда одни и те же вредные гены имеются в обеих линиях. Есть и более общее объяснение: обычная, не подвергающаяся близкородственному скрещиванию популяция животных по своему составу чрезвычайно гетерозиготна, так что действие каждого гена складывается в существенно гетерозиготной ситуации, которую и обеспечивают гибриды.

Опыт животноводов породил очень распространенное заблуждение, будто люди, произошедшие от скрещивания разных рас, особенно одарены физической силой, красотой, умом и сексуальной мощью — но только не благородством, поскольку та же система мифов утверждает, что подлинное благородство, а вместе с ним такие моральные достоинства, как честность, храбрость и сила духа, передаются лишь с «чистой кровью». Однако оба эти убеждения совершенно неосновательны, ибо все естественные популяции, в том числе и человеческие, гетерозиготны и разнородны и генофонд каждой из них наилучшим образом приспосабливается к той среде, в которой они живут. А потому нет никаких оснований ожидать, чтобы потомство от скрещивания членов двух таких различных популяций оказалось особенно одаренным.