Близкие горизонты

близкие горизонтыНет ничего более неблагодарного, чем заниматься прогнозами в науке. Особенно трудно поддаются экстраполяции те след­ствия теоретических достижений, которые мы называем — не всегда удачно—практи­ческим выходом.

В 1919 г. Э. Резерфорд открыл рас­щепление ядра. Но, возведя фундамент бу­дущей атомной энергетики, он не верил в возможность практического использования своего открытия. И остался при своем мне­нии до конца своей жизни.

А спустя восемь лет после его смерти была взорвана первая атомная бомба. И спустя еще девять лет — запущена первая атомная электростанция.

Этот казус, ставший теперь классическим примером несбывшегося пророчества, да­леко не единичен. Ошибки не раз происхо­дили и происходят как из-за излишнего пес­симизма, так и из-за чрезмерного оптимиз­ма. И наверное, будут происходить — пото­му что, возводя фундамент, нельзя не пы­таться представить себе, как будет выглядеть все здание. Отдавая должное сегод­няшним успехам, мы невольно задумываем­ся — какое значение они могут иметь для будущего науки, для практической деятель­ности человека. Даст ли нам молекулярная генетика новые методы дальнейшего поко­рения природы, оружие против неизлечи­мых болезней, вооружит ли новыми знания­ми о сущности жизни?

Чтобы представить себе все размеры проблемы, надо увидеть ее целиком — от края и до края. Пусть это дальний край, пусть его очертания еще несколько рас­плывчаты… Когда время приблизит нас к нему, мы, наверное, убедимся, что многое увидели не совсем точно. Но нередко в оценке грядущих событий ошибаются даже очень зоркие.

Альберт Сцент-Дьердьи писал: «Основ­ная ткань исследования — это фантазия, в которую вплетены нити рассуждения, изме­рения и вычисления». Нас не должно пугать слово фантазия. По-гречески это значит — воображение.

Процесс развития

Пунктирные стрелы, проложенные вооб­ражением ученых, уходят во все стороны от сегодняшней стоянки молекулярной генетики. Разумеется, мы не можем проследить путь каждой из них, мы выберем лишь не­которые направления, ясно отдавая себе от­чет в том, что наш выбор в значительной мере произволен…

Землю нашу населяют тысячи и тысячи видов живых организмов. Каждый из них — будь то медуза или человек, обладает строением, вполне приспособленным для существования в среде, в которую постави­ла его природа. Но прежде организация живых существ была более примитивной, чем сейчас, а когда-то на земле и вообще не было жизни.

Наши знания о происхождении жизни и ее эволюции не выходят пока за пределы более или менее правдоподобных дога­док — это неизбежный этап любого иссле­дования. Сегодня мы еще не можем ска­зать, в какой именно момент на земле за­родилась жизнь. Мы даже не можем доста­точно четко представить себе, в результате каких причин это произошло. Можно только строить предположения о некоторых чер­тах первой живой системы. Такая система, по-видимому, состояла из полимерных мо­лекул — только они могли каким-то обра­зом хранить в себе информацию. Эта си­стема должна была обладать способностью к репликации и черпать ресурсы для построения своих копий из окружающей среды.

В тот момент, когда она впервые воз­никла, т. е., когда появился тот минимум организации, на который природа могла влиять — улучшать или ухудшать его в соот­ветствии с окружающей средой, — на земле впервые появилась жизнь.

Зная теперь, что жизнь приводится в движение двумя классами химических ве­ществ — нуклеиновыми кислотами и белка­ми, мы не будем обсуждать, кто из них воз­ник раньше, но мы можем представить в самых общих чертах один из возможных механизмов усложнения организации живых систем.

мишка на шареЕсли две цепи молекулы ДНК перед тем, как разойтись под действием, допустим, космического излучения соединятся хими­ческой связью на одном из концов, моле­кула ДНК после первой же репликации уве­личится в длину в два раза. Информация, заключенная в ней, не увеличится, но вме­сто одной копии станет уже две.

Такое увеличение числа копий сулит из­вестные эволюционные выгоды. В самом деле, если исходный организм, получив му­тацию, мог бы погибнуть, то для нового ор­ганизма, у которого «запас» информации двойной, такая мутация не окажется смер­тельной.

Каким же образом мутации стали дви­гателем эволюции?

Их источниками могут быть и радиоак­тивный фон земли, и некоторые химические вещества, и ошибки при делении, и повы­шение температуры. Даже если взять наибо­лее простой случай — точечную мутацию, затрагивающую лишь один участок гена, одно азотистое основание, то она приве­дет к изменению одной буквы в кодовом «слове». Следовательно, может изменить­ся и смысл всего слова. Вместо одной ами­нокислоты в цепь белка встанет другая — родится новый белок. Причем изменение не исчезнет бесследно после гибели клет­ки, оно сохранится во всех поколениях. Если же мутация затронет половую клетку, приобретенные изменения унаследуются новым организмом и будут передаваться из поколения в поколение.

Разумеется, не каждая мутация приво­дит к изменениям в организме и не каж­дая — к вредным, но полезные, к сожале­нию, возникают крайне редко; один случай на тысячи или даже на десятки тысяч. Одна­ко именно такие случаи, как правило, не проходят незамеченными природой — их закрепляет в последующих поколениях естественный отбор.

Скажем, мутация, приводящая к альби­низму — исчезновению красящих пигментов, окажется смертельной для зеленых расте­ний, так как их существование зависит от деятельности хлорофилла, но она же будет полезной для животных, населяющих Арк­тику: для них белый цвет — это цвет маски­ровки. Поэтому в первом случае мутантные организмы обречены на гибель, а во вто­ром они получат даже преимущества перед немутантными.

Эволюцией, если говорить о свойствах молекул живой материи, движут три таких свойства: способность к самовоспроизведению — репликация, способность к измене­нию — мутации и способность к сохране­нию изменений — наследственность.

Химический мутагенез

То, что природа делает за миллионы лет, ученые научились воспроизводить за меся­цы. Они установили, что частота мутаций увеличивается под действием некоторых химических веществ. Эти вещества были названы химическими мутагенами.

химический мутагенезОткрытие химического, а перед этим и физического мутагенеза дало в руки био­логов мощнейшее оружие для воздействия на природу. Причем, как показали исследо­вания ученых, химические мутагены оказа­лись значительно более эффективными, чем физические, — они меньше разрушают структуру хромосом и вызывают большее число мутаций. Химические мутагены «бьют» в самое уязвимое место клетки, в ее ДНК, вызывают изменение азотистых осно­ваний, меняют смысл генетической инфор­мации.

В каких-то, пусть даже очень редких, случаях это приводит к мобилизации синте­тических возможностей организма, к увели­чению его продуктивности. И как бы ни был редок этот случай, быстрое размножение обрабатываемого организма уже через ко­роткое время дает такое количество изме­ненного материала, что он может стать объектом промышленного производства.

В Научно-исследовательском институте антибиотиков Министерства здравоохране­ния СССР был выведен новый штамм для синтеза пенициллина. Его производитель­ность настолько выше исходного, что это позволило отказаться от строительства мно­гих новых заводов, сэкономило почти де­сять миллионов рублей и помогло на миллионы рублей увеличить выпуск про­дукции (а это эквивалентно десяткам мил­лионов курсов лечения!).

В 1925 г. советские ученые Надсон и Филиппов открыли мутагенное действие радиоактивного излучения. В 1927 г., вы­ступая на V Международном генетиче­ском конгрессе, американский ученый Г. Меллер сообщил о том, что мутации можно получать действием рентгеновских лучей. Позже было установлено, что мута­ции вызывает любое ионизирующее излу­чение. Эти открытия указали исследовате­лям еще один путь, которым природа мог­ла воздействовать на ход эволюции и кото­рым можно искусственно влиять на наслед­ственность организма.

С помощью химического мутагенеза в Институте химической физики АН СССР, в лаборатории, руководимой доктором био­логических наук И. Рапопортом, удалось осуществить переход пшеницы из одного подвида в другой — процесс, который при­рода творит миллионы лет. В лаборатории ученых естественный отбор был заменен искусственным: из многих появившихся в результате мутаций признаков были отобра­ны лишь те, которые полезны человеку.

Вирусные заболевания

В 1892 г. русский ученый Д. Иванов­ский открыл вирусы. Человечество уже не раз ощущало на себе тяжелые последствия их действия, когда эпидемии вирусных забо­леваний уносили тысячи жизней, но только в конце XIX в. ученые узнали своего не­видимого врага, а в середине XX в. смогли понять механизм вирусной агрессии.

вирусные заболеванияПростейший вирус построен довольно просто: нуклеиновая кислота — содержи­мое, белок — оболочка. Когда вирус атакует клетку, он, едва войдя в нее, сбрасывает свою белковую оболочку и обнажает нуклеиновую кислоту. С этого момента клетка оказывается ареной жестокой борь­бы: нуклеиновая кислота вируса против нуклеиновой кислоты клетки. И если по­беждает вирусная информация, белок клетки так и не рождается.

Это может произойти от разных причин. Либо от того, что вирус, строя свои белки из аминокислот клетки, лишает ее ресурсов, либо от того, что нуклеиновая кислота виру­са синтезирует белок, являющийся ядом для нуклеиновой кислоты клетки. Второй меха­низм представляется сейчас более правиль­ным. По-видимому, вирусный белок ложится на ДНК, прерывая информацию жиз­ни. Изучение молекулярных механизмов поединка вируса и клетки помогает ученым в подборе эффективных методов борьбы с вирусом. Группа ученых из Института цито­логии и генетики Сибирского отделения АН СССР под руководством кандидата биоло­гических наук Р. Салганика нашла препа­рат, вылечивающий аденовирусные конъ­юнктивиты. Этим препаратом оказался фермент ДНК-аза, разрушающий нуклеи­новую кислоту вируса в тот момент, когда она не защищена белком.

Злокачественные опухоли

Изучение молекулярных механизмов реализации генетической информации при­вело к новым подходам в изучении еще одного грозного врага человечества — рака. По поводу происхождения злокачест­венных опухолей высказывалось немало теорий. Появление опухоли объяснялось действием канцерогенных веществ, излучений, вирусов. В 1946 г. советский ученый профессор Л. Зильбер предложил вирусо­генетическую теорию. Согласно этой тео­рии, вирус действует на здоровую клетку своей нуклеиновой кислотой. Но она вы­ступает в данном случае не как инфекцион­ный агент, а как новая генетическая инфор­мация, которая включается в ДНК и на­следственно ее изменяет.

Но как объяснить в таком случае, что об­разование похожих опухолей вызывается самыми различными канцерогенными ве­ществами?

Сейчас советские ученые, используя идеи Ж. Жакоба и Д. Моно, трактуют вирусо-генетическую теорию на новом уров­не — на уровне регуляции.

злокачественные опухолиНуклеиновая кислота вируса, включаясь в ДНК клетки, становится ее структурным ге­ном. И, значит, она подчиняется регулятор­ным механизмам, действующим в данной клетке. А канцерогенным веществам отво­дится роль нарушителей клеточной регуля­торной системы. По-видимому, они могут либо вызывать мутацию в гене-регуляторе, либо блокировать действие репрессора. В любом из этих случаев репрессор уже не может подавлять оператор, и весь оперон — структурные гены самой клетки и участок, принадлежащий ДНК вируса, — выходит из-под контроля, перестает быть управляемым. Начинается нерегулируемый синтез бел­ков. Образование вирусных белков способ­ствует тому, что клетка еще дальше уходит из-под влияния регуляторных механизмов, и в конце концов это свойство клетки — способность к безудержному, нерегули­руемому росту — становится доминирую­щим.

Примерно такие же соображения вы­сказывает и известный американский уче­ный Ч. Хайдельбергер. Он также развивает идеи о том, что канцерогенные вещества сами не влияют на генетическую информа­цию клетки, они влияют на ее реализацию. Вот почему самые различные канцерогены могут вызывать похожие опухоли,

Во всяком случае сейчас ученые счи­тают, что в опухолях человека надо искать не вирусы, а вирусную нуклеиновую кис­лоту.

Итак, как только будут закончены раз­работки методик, позволяющих поймать с поличным возбудителя рака, многие спор­ные вопросы перестанут быть спорными.

Память

Достижения молекулярной биологии сде­лали возможными изменения во взглядах на природу многих жизненных процессов и явлений. Например, на природу памяти.

Еще не так давно главенствующей тео­рией памяти была электрическая теория. Предложенная в 1920 г. после открытия электрической активности мозга, она безраз­дельно царила два десятилетия.

Пошатнули ее эксперименты американ­ского ученого К. Лэшли. Он рассекал по­верхность мозга многочисленными разреза­ми, удалял целые участки мозга. Электри­ческие цепи, если они действительно сущест­вовали, должны были при этом уничтожать­ся. Однако память у подопытных организмов сохранялась. Значит, следы запоминания следовало искать в самой клетке.

Лишь три содержащихся в ней вещества удовлетворяли формальным требованиям, предъявляемым к системам запоминания: ДНК, РНК и белок. Но запоминаемые нами, например, номера телефонов не передают­ся по наследству памяти наших детей… Зна­чит, ДНК отпадает. Остаются два вещест­ва — РНК и белок.

В 1959 г. научный мир был взволно­ван сообщением об опытах с планариями — плоскими прудовыми червями, которые об­ладают способностью отращивать при рас­сечении пополам и новый хвост и.. новую голову! Оказалось, что если «обученного» по методу Павлова червя (т. е. червя, при­обретшего новые рефлексы) разрезать по­полам, то обе выросшие вновь части — вы­росшие и из головы, и из хвоста, — помнят то, чему «обучили» их «предка». Эти дан­ные можно было истолковать так, что суще­ствует какой-то химический носитель памя­ти, который способен передвигаться по нервной системе организма планарии.

Но эксперименты были слишком косвен­ны, чтобы сделанные из них выводы можно было отнести к людям. Более убедительные сведения добыл шведский биохимик X. Хиден. На основании ювелирных эксперимен­тов с отдельными нервными клетками — ве­сящими около одной десятимиллионной доли грамма! — он показал, что возможен механизм, с помощью которого нервные импульсы воплощаются в молекулярный код РНК, служащий основой памяти.

Наше восприятие внешнего мира, неза­висимо от того, читаем мы журнал или ню­хаем цветок, превращается, в конечном сче­те, в электрохимические импульсы. Как искра по бикфордову шнуру — но только значительно быстрее — бежит по нервному волокну волна возбуждения, захлестывая все новые и новые клетки, меняя в них рав­новесие ионов. Азотистые основания РНК этих клеток становятся неустойчивыми. Если в какой-то момент одно из них заменится другим, произойдет мутация — след запо­минания начертан. И след глубокий, потому что он тут же фиксируется в измененной структуре белка. Измененная РНК строит из­мененный белок. Этот новый белок, по-ви­димому, реагирует на те же самые нервные импульсы, которые вызвали первоначальную мутацию. И если они вновь возникают, под их воздействием белок разваливается на две части; один из осколков помогает данной нервной клетке передать сообщение сосед­ней и т. д. Белок откликается только на тот импульс, который «запомнила» РНК, — это и вызывает воспоминание.

Разумеется, эта схема еще очень и очень гипотетична, в ней неясны многие детали, в том числе и сам код памяти в РНК. Однако ее центральная часть — участие в работе па­мяти молекул РНК — подтверждается и другими исследователями. В частности, эксперименты на мышах, проведенные в Москве сотрудниками Института медицинской и био­логической химии совместно с сотрудника­ми Института мозга, показывают, что имен­но РНК является тем веществом, которое кодирует память.

Старение

Проблемы старения и долголетия изуча­ются во всем мире очень широко, в разных аспектах — медицинском, генетическом, со­циологическом, а теперь и молекулярном. Ученые пытаются понять молекулярные акты, приводящие к тем необратимым изме­нениям в организме, которые мы называем старением.

Сейчас многие исследователи склонны предполагать, что нарушения нормального строения тканей организма или нормального течения биохимических процессов связаны с некоторыми ошибками при биосинтезе бел­ков. Постепенно накапливаясь, мутации из­меняют ход обмена веществ! Не с этим ли связано ослабление функций организма — силы, памяти, слуха, зрения, эластичности скелета?

Поскольку наследственность записана в молекулах ДНК и именно эта программа определяет рост организма, его развитие, можно предположить, что она же регулиру­ет и его угасание. Он не может быть всегда молодым, его старение и смерть, как это ни прискорбно для каждого из нас, необходи­мы для эволюции, для совершенствования вида. Поэтому не исключено, что программа жизни составлена весьма подробно — от момента первого деления оплодотворенной яйцеклетки до конца жизни организма.

Есть ученые, которые высказывают гипо­тезы о существовании «гормона смерти» — вещества, синтезируемого по приказу ДНК, которое выключает работу всех ферментов организма и тем самым «гасит» огонь жизни.

Эти идеи, несмотря на их кажущийся фа­тальный характер, совершенно не пессими­стичны! Больше того, было бы крайне «удобно», если бы действительно существо­вал гормон смерти. Ибо гормон — это впол­не реальное химическое вещество, на кото­рое можно воздействовать другим химиче­ским веществом. И тогда старение перестанет быть роковой неизбежностью, откроют­ся новые подходы к продлению жизни…

Можно предположить и иной путь реше­ния той же проблемы. Если программа жиз­ни записана в молекулах ДНК, то в принци­пе можно научиться замедлять «считывание» этой программы в некоторых клетках, на­пример в нервных.

Наконец, еще один подход вытекает из того факта, что молекулы ДНК становятся с возрастом более «ломкими». Вывод ясен: надо ограждать ДНК от старческих измене­ний, в частности, от пагубных влияний сво­бодных радикалов. Для этого нужно вво­дить в организм вещества, связывающие свободные радикалы. Такие эксперименты ставятся сейчас, и ученые надеются, что они окажутся достаточно перспективными.

Новые подходы, которые открывает перед человечеством молекулярная генети­ка, лишены пока еще стройности, отличаю­щей законченную картину. Это скорей еще эскизы будущей картины, разрозненные наброски. Мы выбрали наугад некоторые из них, чтобы попытаться показать читателю величественные пути, которые могут от­крыться перед наукой, постигшей тайны жизни.

В. Азерников

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>