New light on heredity

Новое понимание наследственности

(Более подробно тема механизма наследственности представлена в книге этого же автора Эволюция: современный синтез (1942))
Широкомасштабный научный прогресс зависит прежде всего от нахождения натуралистического объяснения того или иного природного процесса или совокупности фактов. Обычно важна материальная основа процесса; как только это было обнаружено, объяснение становится очевидным. Так, Галилей и Ньютон дали натуралистическое объяснение движения небесных тел; в то время как вся современная химия берет свое начало с открытия атомной основы вещества. Конечно, научный прогресс зависит и от открытия новых фактов. Подумайте об открытиях, подобных открытию Гальвани, о сокращении мышц под действием электрического раздражителя; или Рентгена, нового вида излучения, настолько загадочного, что его следует называть рентгеновскими лучами; Флеминга, что рост плесени может препятствовать росту бактерий. Но такие открытия фактов, какими бы новыми и захватывающими они ни были, важны главным образом потому, что они заставляют людей ломать голову над новыми объяснениями старых процессов или идти по следу нового и неожиданного процесса, который нужно объяснить.
Генетика не является исключением. Пятьдесят лет назад она вообще не была наукой – просто ряд спекуляций, отягощенных суевериями и заквашенных несколькими предопытными научными исследованиями. Тем не менее, в наши дни она быстро становится самой центральной и самой фундаментальной из всех наук о жизни. И если мы зададимся вопросом, каким образом был достигнут этот впечатляющий прогресс, ответ прост: через открытие материальной основы наследственности.
В 1859 году, когда Дарвин опубликовал «Происхождение видов», практически ничего не было известно с научной точки зрения ни о наследственности, ни о размножении. Пастер еще не доказал, что вся жизнь происходит от ранее существовавшей жизни; хромосомы даже не были обнаружены; и только сейчас стало ясно, что половое размножение включает в себя соединение двух клеток: крошечного мужского сперматозоида и объемной женской яйцеклетки. Только в 1880-х годах было установлено, что существенной частью этого процесса является соединение в одном ядре двух наборов хромосом из ядер мужских и женских клеток, причем хромосомы являются видимыми нитями, постоянными по количеству для любого одного вида. В действительности, очевидно, что хромосомы должны иметь главное значение в наследственности, так как они являются единственными, которые оба родителя в равной степени вносят в новую жизнь, и мы уже знаем, что потомки берут от своих отцов столько же, сколько и от своих матерей. Столь же важен и тот факт, что нормальным комплектом клеток тела являются два полных пакета или набора хромосом, но до полового размножения эти два пакета отделяются друг от друга, так что каждая половая клетка, будь то яйцеклетка или сперматозоид, получает только одну половую клетку. Нормальное двойное число – две упаковки – конечно, восстанавливается путем соединения яйцеклетки и сперматозоида при оплодотворении.
Но действительный способ наследования отдельных видимых признаков оставался неясным, и были распространены всевозможные домыслы. Возможно, главный источник путаницы заключался в том, что никто не проводил четкого различия между тем, как выглядит животное или растение – его видимыми и измеримыми признаками – и тем, что оно может передать будущим поколениям – его генетической конституцией. Немецкий зоолог Вейсман положил хорошее начало, указав, что совершенно разные на вид особи могут быть похожи друг на друга по своим наследственным способностям. Некоторые вариации, которые мы находим в любом собрании животных или растений, обусловлены различиями в условиях жизни (например, мясистость растений, выращенных в соленых условиях, или превращение постоянно водного аксолотля в наземную саламандру путем питания щитовидной железы) или с использованием или неупотреблением (например, большие мышцы рук кузнеца). Мы называем их модификациями, и теперь мы знаем, как утверждал Вейсман на теоретических основаниях, что они не наследуются. Но если вы воспитаете всю свою экспериментальную группу в одинаковых условиях, то особи все равно будут несколько отличаться между собой, и эта часть вариации обусловлена внутренними различиями и передается по наследству.
Неспособность провести различие между этими принципиально различными источниками изменчивости привела к распространению всевозможных ошибочных взглядов, в частности суеверия Ламарка о том, что так называемые приобретенные признаки могут передаваться по наследству. Тем не менее, работа Вейсмана очень мало или вообще ничего, чтобы опровергнуть другую, в корне ошибочную точку зрения: что наследственность включает в себя смешение родительских признаков – а также смешение того, что было в наследственной конституции, которая определяла эти признаки. Сам Дарвин предполагал, что это правда, хотя результаты этого предположения сильно озадачили его. И к концу столетия этот взгляд все еще искажал выводы школы биометристов, таких как Гальтон и Карл Пирсон, которые пытались понять наследственность чисто математическими методами. Менделю было предоставлено право сделать еще одно решающее открытие, дополняющее открытие Вейсмана, о том, что похожие на друг друга индивидуумы могут быть совершенно разными по своим наследственным способностям. Например, классическое скрещивание Менделя между высоким и карликовым горохом дало соотношение трех высоких к одному карликовому во втором поколении. Но когда скрещивали получившихся высокорослых, оказалось, что в среднем только один из каждых трех пород будет давать тоже высокое потомство; два других при скрещивании снова дали 25 процентов карликов. Это, конечно, зависит от факта, достаточно известного сегодня, доминирования, еще одного открытия Менделя. Ген высокого роста называется доминантным, но его партнер, который в двойной дозе дает карликовость – другими словами, когда он получен от обоих родителей – является рецессивным, то есть не проявляется, не производит никакого видимого эффекта, когда присутствует вместе с доминантным геном высокого роста.
Однако самое фундаментальное открытие Менделя, на котором, по сути, зиждется вся современная генетика, состояло в том, что основу наследственности составляют материальные единицы в репродуктивных клетках; что эти единицы являются самовоспроизводящимися и самокопирующимися, не смешиваются и не разбавляются при скрещивании, и что они могут быть рекомбинированы чтобы получить новые, истинно селекционные комбинации. Таким образом, когда Мендель скрестил свои высокие и карликовые сорта садового гороха, хотя карликовый признак исчез в первом поколении, которое было все высокое, то, что определило этот признак, не было затронуто, поскольку совершенно нормальные карлики снова появились, составив четверть следующего поколения. То же самое произошло и с зелеными сортами в скрещивании сортов, обладающих желтыми и зелеными семенами. Мендель справедливо пришел к выводу, что должны существовать постоянные материальные единицы, или факторы, ответственные за определение высоты, карликовости, а также желтых семян по сравнению с зелеными семенами; что они существовали парами в теле индивидуума, но только один или другой из каждой пары присутствовал в репродуктивных клетках. Юнит-факторы теперь имеют более удобное название генов, и каждый ген может существовать в различных формах или аллелях, например, желтый и зеленый, определяющий цвет у гороха. Затем Мендель провел скрещивание двух пар аллелей – между одним штаммом, который был высоким с зелеными семенами, и другим, который был карликовым с желтыми семенами. Рецессивные признаки, зеленый и карликовый, снова исчезли в первом поколении, которое всё было высоким и имело желтые семена; но во втором поколении не только восстановились два исходных типа, но и получились две новинки: высокий желтый и зеленый карлик – рекомбинации, как мы их называем. И некоторые из них прижились на самом деле.
Странная печальная история Менделя хорошо известна – о том, что когда он опубликовал свои результаты еще в 1865 году, никто из ведущих биологов того времени не обратил на него или на них никакого внимания; и как через шестнадцать лет после его смерти, разочарованным человеком, они были независимо друг от друга обнаружены тремя биологами в 1900 году и справедливо провозглашены эпохальными. Следующие десять лет исследований под руководством Бейтсона в Англии установили тот факт, что менделевская наследственность существует у всех видов животных и растений, и сделали много подробных открытий о ее работе. Десятилетие, закончившееся в 1920 году, ознаменовалось тем, что лидерство перешло к Америке. Здесь Морган и его группа молодых людей, используя идеальный исследовательский материал, предоставленный плодовой мухой дрозофилой, и опираясь на результаты многих исследователей, изучавших сами хромосомы под микроскопом, доказали раз и навсегда, что хромосомы являются главным органом наследственности. Они содержат материальную основу наследственности в виде сотен или даже тысяч отдельных генов, расположенных из конца в конец в определенном порядке. И законы Менделя, помимо многих других фактов и правил наследственности, обусловлены просто видимыми маневрами хромосом – тем, как они ведут себя при обычном делении клеток до образования половых клеток и при оплодотворении.
Другим большим достижением этого периода было открытие того, как возникают наследственные вариации. Школа Моргана обнаружила, что новые менделизирующие признаки – признаки, которые наследуются по закону Менделя – возникают в результате мутации: внезапного, но постоянного изменения в гене, вызывающего эффект определенной степени. Например, один ген, участвующий в приобретении обычного красного цвета глаз плодовой мушки, в ряде отдельных случаев спонтанно мутировал в другое состояние, в котором он производил или определял белые глаза. Этот же ген в других случаях мутировал в несколько других мутантных аллелей, которые производили различные оттенки розового в глазу. В течение следующих десяти лет была измерена частота спонтанных мутаций и обнаружены другие виды мутаций, например, мутации, вызванные добавлением или вычитанием целых хромосом или участков хромосом, и в конце концов стало ясно, что везде, где существовало менделизирующее различие признаков, оно должно было возникнуть в результате мутации.
Затем в 1927 году Мюллер обнаружил, как производить мутации искусственно, с помощью рентгеновских лучей, причем со скоростью, в несколько сотен раз превышающей те, которые встречаются в природе. Теперь мы знаем, что другие излучения также могут вызывать мутационные изменения в генах, так же как и некоторые химические вещества и, возможно, другие факторы. Почти всегда природа мутации, в том числе эффект, который она оказывает на своего владельца, не имеет особого отношения к средству, которое ее вызвало: похоже, что большинство мутаций происходит в результате физического или химического шока, который вызывает небольшое изменение или перестройку структуры гена.
Позвольте мне теперь отметить, что менделизм немедленно объяснил различные повседневные факты, которые в противном случае оставались бы загадкой для любой другой теории. Как, например, можно объяснить огромные различия, многие из которых явно имеют генетическое происхождение, которые часто можно наблюдать между братьями и сестрами одной человеческой семьи? Менделевский ответ прост: путем рекомбинации – рекомбинации, которая перетасовывает и перераспределяет гены родителей во всех видах новых структур.
Это также проясняет пропуск поколения некоторыми характерами, кажущееся отсутствие наследования гениальности и вообще случаи, когда дети не наследуют некоторые ярко выраженные характеристики, которыми обладают их родители. Такие случаи вызывают недоумение только потому, что до того, как Мендель научил нас смотреть на материальную основу наследственности, люди путали наследование в народном смысле этого слова – повторное появление у детей признаков, обнаруженных у их родителей, – с генетикой в научном смысле – передачей и распределением материальных единиц наследственности в потоке поколений. Ген признака, который пропускает поколение, передается хорошо, но он рецессивный, так что сам признак не может появиться до второго поколения. Гениальность, в собственном смысле слова экстраординарного дара, почти всегда должна быть обусловлена рекомбинацией генов, которая, с статистической точки зрения, крайне маловероятна. Это автоматически разрушается на части до того, как гений размножается, так что, хотя составляющие его гены передаются, их повторное появление в той же особой комбинации еще более астрономически маловероятно, чем его первоначальное возникновение. И это, конечно, всего лишь частный случай общего менделевского принципа, согласно которому в наследственности передаются не конкретные генные наряды родителей, а новые перестройки генов, составляющих эти наряды.
В течение того же периода было обнаружено, что каждое животное или растение, которое было должным образом исследовано, содержало запас мутировавших генов в своих хромосомах. Они представляют собой резервный запас изменчивости, который может быть использован для адаптации вида к изменившимся обстоятельствам, если это необходимо. Тем временем великий дарвиновский принцип естественного отбора наконец вступил в свои права. В естественном отборе нет ничего таинственного. Это сокращенная фраза для описания результатов автоматического и очевидного процесса дифференциального выживания; Дело в том, что в среднем выживает больше особей, имеющих благоприятные по условиям жизни вариации, чем особей с менее благоприятными вариациями. Если вы посадите равное количество холодостойких и восприимчивых к холоду растений в холодном климате, следующее поколение будет содержать больше первых и меньше вторых: это очень простой пример естественного отбора в действии. Затем была привлечена математика, которая доказала, что мутация, которая дает ее обладателям лишь небольшое преимущество в каждом поколении – скажем, 1 процент, что означает, что в среднем выживет сотня мутировавших форм против девяноста девяти представителей старого типа, – заменит старый ген и станет нормальным типом в очень короткий промежуток времени. с биологической точки зрения. И в принципе стало ясно, что мутации плюс естественный отбор могут объяснить факты эволюции.
Следующим шагом стало открытие того, что уровень наследственной изменчивости сам по себе находится под определенным генетическим контролем. Мутация обеспечивает основное сырье для эволюции; Менделевская рекомбинация распределяет это сырье изменений во всех возможных вариантах, многие из которых являются новыми и ценными. С точки зрения вида очевидно, что темпы производства и перераспределения этих единиц изменений не должны быть ни слишком низкими, чтобы они могли быть застигнуты врасплох, если изменения потребуются, ни слишком высокими, чтобы помешать стабильности вида и его адаптации к текущим условиям. Было обнаружено, что существуют гены, которые регулируют скорость мутаций других генов, что неизбежно приводит к тому, что в ходе эволюции скорость мутаций в значительной степени приспосабливается естественным отбором к эволюционным потребностям. Тогда очевидно, что различные типы систем размножения допускают разную степень менделевской рекомбинации. Таким образом, когда имеет место принудительный инбридинг, как у растений или животных с самооплодотворением или с полным подавлением полового размножения, то не может быть никакой рекомбинации; В то время как с обязательными широкими перекрестками, как, например, в кукурузе, их будет очень много. Некоторые виды и группы, сократив степень ауткроссинга, воспользовались краткосрочными преимуществами стабильности и полноты адаптации. Но многие из них, вероятно, вымрут, если какое-либо заметное изменение условий, такое как резкое изменение климата, потребует новых адаптаций. Большинство живых растений и растений достигли некоторой степени баланса между стабильностью и пластичностью, приняв системы ауткроссинга, которые, однако, включают в себя определенную степень инбридинга.
До сих пор все открытия, о которых я упоминал, были связаны с очевидными менделевскими генами – генами, отвечающими за легко различимые характерные различия и распределенными в соответствии с законами Менделя. Однако две загадки оставались нерешенными. Одной из них было существование наследственных различий в признаках, которые не являются резко выраженными, а перетекают друг в друга, например, так называемых непрерывных признаков, таких как человеческий рост. Однако совсем недавно, с помощью довольно сложных экспериментов с исключительно благоприятным материалом, предоставленным дрозофилами, было показано, что факторы, ответственные за такие признаки, являются менделевскими в том смысле, что они расположены в хромосомах, но что они действуют в сотрудничающих группах, причем каждый член группы прилагает небольшое количественное усилие, большее или меньшее, на какой-нибудь непрерывный или количественный признак, как, например, размер, или пропорции, или плодородие. Поскольку в группе всегда работает много похожих единиц, их назвали полигенами. Единичные факторы в какой-либо группе полигенов не могут быть выделены обычными менделевскими методами. Однако знание о том, что они заложены в хромосомах и поэтому должны подчиняться менделевским принципам при их передаче, позволяет использовать математические методы, изобретенные биометристами полвека назад, для гораздо более точных оценок их распределения и поведения в наследственности. И это открытие оказывается имеющим некоторое практическое значение.
Вторая загадка – методов наследования, которые никак не могли быть вписаны в менделевскую схему, – также совсем недавно была в принципе решена. Они обусловлены существованием генов вне ядра, в общей протоплазме клетки, и поэтому называются плазмагенами. Поскольку плазмагены свободно присутствуют в клетке, не соединяются друг с другом для формирования сверхединиц точного состава, как гены в хромосомах, их количество в каждой клетке может варьироваться, и их распределение среди последующих поколений не подчиняется закономерностям законов Менделя. Пожалуй, наиболее яркими примерами плазмагенов являются те, которые связаны с органами (телами, bodies), содержащими зеленый хлорофилл растений – пластидами. Они являются самокопирующимися и иногда мутируют, и поэтому явно являются генными по своей природе, хотя и подвержены определенному контролю со стороны основного корпуса генов в хромосомах. Хотя плазмагены играют лишь небольшую и вспомогательную роль в наследственности в целом, открытие их существования позволяет нам вписать различные, ранее загадочные факты в современную расширенную генную теорию генетики.
Очень впечатляющим недавним шагом в прогрессе генетики стало открытие химической природы генов. Благодаря рентгеновскому анализу, спектрографии под микроскопом и микрохимическим методам мы теперь знаем, что гены состоят из определенных видов белков в ассоциации с определенными видами нуклеиновых кислот; для краткости мы называем их нуклеопротеинами. Нуклеиновая кислота является необходимой частью механизма, с помощью которого происходит копирование. Дарлингтон называет ее молекулой акушеркой для рождения новых генов. Кажется, что она действует как своего рода химический шаблон, плотно прилагаемый к удлиненной молекуле белка и каким-то образом помогающий ей собирать новые атомы в ту же форму и схему, что и она сама. Частицы очищенных экстрактов нуклеиновых кислот могут проникать даже внутрь некоторых видов бактерий и там навсегда заменять некоторые из их генов – генетическая трансформация, осуществляемая химическим путем. Более того, нуклеиновые кислоты того или иного рода составляют основную основу вирусов. Некоторые растительные вирусы могут быть получены в виде чистых кристаллических нуклеопротеинов; белковая составляющая, по-видимому, является лишь защитной, в то время как заражение и дальнейшее размножение зависят только от нуклеиновой кислоты. Наши знания о материальной основе наследственности проникли ниже (глубже) биологического на более фундаментальный химический уровень. Очевидно, что для научных исследований открылась почти неограниченная новая область. В самом деле, прогресс генетики привел нас к центральной тайне самой жизни, ибо, в конце концов, существенным свойством жизни, отличающим ее от не-жизни, является обладание организацией, способной воспроизводить или копировать себя.
Пятьдесят лет назад мы не знали ничего стоящего о материальной основе наследственности. В настоящее время она представляется как обширная система самокопирующихся единиц нуклеопротеина, большинство из которых тщательно (искусно) интегрированы в высокоорганизованные структуры, называемые хромосомами.