Страницы истории науки и техники
Шрифт:
Важным событием в развитии генетики стало открытие мутаций — возникающих внезапно изменений в наследственной системе организмов и потому могущих привести к устойчивому изменению свойств гибридов, передаваемых и далее по наследству. Своим возникновением мутации обязаны либо случайным в развитии организма событиям (их обычно называют естественными или спонтанными мутациями), либо искусственно вызываемым воздействиям (такие мутации часто именуют индуцированными). Все виды живых организмов (как растительных, так и животных) способны мутировать, т. е. давать мутации. Это явление — внезапное возникновение новых, передающихся по наследству свойств — известно в биологии давно. Однако систематическое изучение мутаций было начато уже известным читателю голландским ученым Хуго де Фризом, установившим и сам термин «мутации».
Следует отметить первооткрывателей всего того, что связано с мутациями. Советский ученый-микробиолог Георгий Адамович Надсон (1867–1940) вместе со своими коллегами и учениками установил в 1925 г. воздействие радиоизлучения на наследственную изменчивость у грибов. Известный американский генетик, один из основоположников радиационной генетики, Герман Джозеф Мёллер (1890–1967), работавший в течение 1933–1937 гг. в СССР, обнаружил в 1927 г. в опытах с дрозофилами сильное мутагенное действие рентгеновских лучей. В дальнейшем было установлено, что не только рентгеновское, но н любое ионизированное облучение вызывает мутации.
Советские ученые-генетики Максим Николаевич Мейсель (р. 1901), Владимир Владимирович Сахаров (1902–1969), Михаил Ефимович Лобашев (1907–1971) обнаружили в период 1928–1934 гг. мутагенное воздействие на организмы некоторых химических веществ. Эти работы были успешно продолжены советским учеиым-генетиком Иосифом Абрамовичем Рапопортом (р. 1912) и другими советскими и иностранными учеными.
Уместно теперь задать такой вопрос: нужно ли с учетом установленных законов генетики и особенно открытия мутаций вносить какие-либо уточнения или изменения в теорию эволюции Дарвина, и если нужно, то какие именно?
Мы слегка касались этого вопроса раньше, но теперь требуется дать на него обстоятельный ответ. Современная паука, во всяком случае большинство биологов, как думает автор настоящей книги, дали бы на этот вопрос следующий ответ. Да, конечно, требуется. Достижения генетики (и биологии в целом) за прошедшее после выхода в свет книги Дарвина «Происхождение видов» время так значительны, что было бы удивительно, если бы все это никак не повлияло на дарвиновскую теорию эволюции. Два фактора: изменчивость и наследственность, — которым Дарвин придавал большое значение, получили более глубокое толкование.
Изменчивость растительного или животного организма может быть достигнута двумя путями: либо непосредственным воздействием внешней среды, в результате которого наследственный аппарат организма не изменяется, либо посредством мутаций, характерных тем, что они вызывают изменения наследственного аппарата (генов, хромосом), и поэтому происходящие в этом случае изменения организма являются уже наследственными.
Итак, дальнейшее развитие биологии и входящей в нее составной частью генетики, во-первых, еще более укрепило дарвиновскую теорию эволюции живого мира и, во-вторых, дало более глубокое толкование (соответствующее достигнутым успехам в биологии) понятиям изменчивость и наследственность, а следовательно, всему процессу эволюции живого мира. Более того, можно сказать, что успехи биологии выдвинули эту науку в ряды лидеров естествознания, причем наиболее поразительные ее достижения связаны с изучением процессов, происходящих на молекулярном уровне.
Прогресс в области изучения макромолекул до второй половины нашего века был сравнительно медленным, но благодаря, как уже говорилось, технике физических методов анализа скорость его резко возросла. На основе полученных данных о структуре вещества удалось воссоздать строение ряда белков и полипептидных гормонов, а также синтезировать некоторые менее сложные вещества. Химия белков, которая несколько лет назад казалась малообещающей областью, сегодня выдвинулась на передний край науки, а раскрытие структуры дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) послужило началом интенсивных исследований в химии и биологии. Являясь носителем и передатчиком наследственных качеств и играя основную роль в синтезе клеточных белков, нуклеиновые кислоты образуют группы веществ, важность которых трудно переоценить.
Уже к началу 40-х годов в распоряжении ученых имелись надежные методы выделения и фракционирования биополимеров, в том числе метод фракционирования белков, предложенный А. Тизелиусом, и методы очистки нуклеиновых кислот, разработанные Е. Кей, А. Даунсом и др. Методы рентгеноструктурного анализа были разработаны в основном благодаря усилиям английских ученых, среди которых можно назвать Л. Брегга, У. Бергга, Д. Бернала и др. К этой группе принадлежит также и У. Астбери, который ввел в науку и сам термин «молекулярная биология» и провел основополагающие исследования белков и ДНК. Хотя в 40-е годы почти повсеместно господствовало мнение, что гены представляют собой особый тип белковых молекул, в 1944 г. О. Эвери, К. Маклеод и М. Маккарти показали, что генетические функции в клетке выполняет не белок, а ДНК. Установление генетической роли нуклеиновых кислот имело решающее значение для дальнейшего развития молекулярной биологии, причем было показано, что эта роль принадлежит не только ДНК, но и РНК (рибонуклеиновой кислоте). В 1956 г. Г. Шрамм (ФРГ) и X. Френкель-Конрат (США) независимо друг от друга выделили РНК из вируса табачной мозаики и показали, что при заражении табака этой РНК в нем происходит развитие вируса. Таким образом, было убедительно доказано, что РНК содержит всю необходимую информацию для синтеза вирусного белка. Год спустя Френкель-Конрат осуществил реконструкцию вируса табачной мозаики с помощью РНК и белка.
40-е годы ознаменовались коренным изменением взгляда на структуру нуклеиновых кислот; до этого предполагалось, что все кислоты построены из одинаковых тетрануклеотидных блоков и потому лишены специфичности. Отказ от этого представления произошел в результате детального исследования структуры нуклеиновых кислот, в которых первые крупные достижения принадлежали Д. Гуланду (Англия) и Э. Чаргаффу (США). Чаргаффу в 1949–1951 гг. удалось показать, что нуклеиновые кислоты обладают специфичностью, т. е. что кислоты, полученные из разных биологических источников, различаются по своему составу. Кроме того, Чаргафф установил важное правило относительно содержания пуриновых и пиримидиновых оснований в молекуле ДНК. Изучая различные ДНК, он открыл, что во всех ДНК независимо от происхождения количество пуринов (аденина и гуанина) равно количеству пиримндинов (цитозина и тимина), что является следствием равенства количества аденина и тимина (А = Т) и равенства количества гуанина и цитозина (Г — Ц), в то время как специфичность ДНК определяется величиной отношения А + Т/Г+Ц. Результаты, полученные Чаргаффом, создали предпосылку расшифровки молекулы ДЙК, которую произвели в 1953 г. Ф. Крик (Англия) и Д. Уотсон (США).
Уотсону и Крику удалось построить модель молекулы ДНК, напоминающую двойную спираль. Если эту спираль развернуть в плоскость, то полученная структура будет напоминать лестницу, у которой перекладины представляют собой пурино-пиримидиновые пары, а направляющие — чередование молекул сахара и фосфатных групп. Правила Чергаффа ограничили число возможных комбинаций пар оснований, поскольку аденин всегда должен соединяться с тимином, а гуанин — с цитозином. Таким образом, оказалось, что строение одной ветви молекулы ДНК целиком определяет строение другой ветви, поскольку последовательность оснований, примыкающих к одной из направляющих, однозначно определяет последовательность оснований, примыкающих к другой направляющей. Это важное свойство молекулы ДНК, названное комплементарностыо (дополнительностью), определяет генетическую функцию молекулы.
Для дальнейшего процесса становления молекулярной биологии большое значение имела работа по расшифровке механизмов репликации ДНК и транскрипции, Уотсон и Крик предположили, что репликация (воспроизведение) молекулы происходит следующим образом: двойная спираль раскручивается и составляющие ее нити расходятся, разделяясь в местах соединения оснований. Затем на каждой из нитей в соответствии с правилами комплементарности образуется новая молекула. В 1957 г. американский биохимик А. Кронберг провел биосинтез ДНК с помощью репликации, подтвердив тем самым гипотезу Крика и Уотсона. Для того чтобы осуществить этот процесс, Кроибергу понадобилось выделить фермент, катализирующий его. За открытие этого фермента — полимеразы — и синтез ДНК Кропберг в 1959 г. получил Нобелевскую премию по медицине (он разделил ее с С. Очоа, который провел биосинтез РНК).