Нет 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.
Если 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.
Открытие 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.
Простейший 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.
Нуклеиновая 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