Таинственный ген
Таинственный ген
Элементарные представления о механизме наследования имелись еще в эпоху Античности. Передачу признаков от предков к потомкам своеобразно описал Лукреций в поэме «О природе вещей». Признавая сам факт наследования, знаменитый философ отрицал возможность изменения родовых признаков под влиянием внешних условий. Почти через два тысячелетия на основании скрещивания растений различного вида было обнаружено усиление разнообразия в потомстве, преобладание у «детей» признаков одного из «родителей».
Обобщив все ранние предположения, французский биолог П. Люка (1747–1850 годы) собрал обширные сведения о наследовании различных признаков у человека. Все же четких представлений о закономерностях наследования не имелось вплоть до конца XIX века. Появление эволюционных теорий Ламарка, а затем Дарвина увеличило интерес ученых мужей к проблемам изменчивости и наследственности. Французский естествоиспытатель Жан Батист Ламарк (1744–1829 годы), выдвинул теорию об эволюции живой природы, объяснив прогресс от простейших до высших форм существованием особой «силой», действующей непрерывно в отрыве от окружающей среды. Его оппонент, английский биолог Чарлз Роберт Дарвин (1809–1882 годы), представил иной фактор биологической эволюции — естественный отбор. Эта мысль побудила биологов того времени выдвинуть несколько интересных гипотез о механизме наследственности.
К середине XIX столетия ранние догадки перешли в область науки, получившей название «евгеника» (от греч. eugenes — «хорошего рода»). Теория о наследственном здоровье человека и путях его улучшения была предложена в статье «Наследование таланта и характера» (1869). Автор публикации, английский психолог и антрополог Фрэнсис Гальтон (1822–1911 годы), двоюродный брат Ч. Дарвина, настаивал на изучении воздействий способных улучшить родовые качества — такие, как здоровье, умственные возможности, одаренность будущего поколения. Именно ему принадлежит формулировка расовой теории.
Прогрессивные ученые ставили перед евгеникой гуманные цели. Однако теоретическая основа Гальтона, переносившего на человеческое общество некоторые законы природы, например борьбу за существование или естественный отбор, делала ее спорной. Взгляды на порядок наследования переменили исследования австрийского монаха Грегора Иоганна Менделя (1822–1884 годы). Августинской монастырь Святого Фомы, где жил ученый, был тогда центром научной жизни Восточной Чехии. Помимо богатой библиотеки, в обители имелась большая коллекция минералов, опытный садик и гербарий. Будучи убежденным католиком, школьный учитель Мендель получил хорошую физико-математическую подготовку. Кроме того, он обладал глубокими знаниями в биологии, что определило создание фундаментальной системы о наследственности, позже названной менделизмом. Теория, объяснявшая закономерности распределения в потомстве наследственных факторов (генов), включала в себя:
— закон единообразия гибридов первого поколения;
— закон расщепления гибридов второго поколения;
— закон независимого расщепления.
Хотя австрийский естествоиспытатель рассматривал только растения, в основном бобовые, его теория была применима к животным и человеку. Позже идеи Менделя получили подтверждение в хромосомной теории наследственности. Датой рождения евгеники принято называть 1900 год, когда три ботаника — голландец Г. де Фриз, немец К. Корренс и ученый из Австрии Э. Чермак, проводившие эксперименты по гибридизации растений, — независимо друг от друга, натолкнулись на забытую работу Менделя. Они получили сходные результаты, оценили глубину, точность и значение сделанных им выводов. В 1902 году английский медик А. Гаррод обнаружил наследственную природу болезни под названием «алкаптонурия», утверждая, что передача также происходит в соответствии с законами Менделя.
Современный термин «генетика» (от греч. genesis — «происхождение») ввел английский биолог Уильям Бетсон (1861–1926 годы). Отрицая наследование приобретенных признаков, он объяснял возникновение новых свойств, «выпадением тормозящих факторов», в 1906 году выдвинув теорию «присутствия-отсутствия». Бетсон является автором многих генетических терминов и основоположником науки об изменчивости и наследственности организмов. Такие важные генетические понятия, как ген, генотип, фенотип, были предложены в 1909 году датским генетиком В. Л. Иогансеном (1857–1927 годы). Универсальный характер открытых Менделем законов наследования подтвердился на основе опытов, проведенных в разных странах на животных и насекомых: грызунах, курах, бабочках.
В 1890–1930, годах евгеника получила распространение во многих странах мира, особенно быстро развиваясь в США, Германии, Англии, Франции. Разнообразные течения, сохраняя международный характер, приобрели национальные черты. Каждое движение возглавлялось собственным теоретиком, различными были масштабы движений, социальная направленность, виды финансирования. Своеобразие развития евгеники как учения также проявилось в терминологии. В Германии евгенику называли «расовой гигиеной». Фашисты использовали положения новой науки выборочно, оперируя идеями, которые оправдывали расизм. Французы само слово «евгеника» использовали редко, предпочитая словосочетание «гигиена детей младенческого возраста».
Спустя столетие существования правомерность употребления термина «евгеника» остается спорной. Советская традиция отбраковывать капиталистические термины автоматически перешла на евгенику. Сомнения по поводу использования слова «евгеника», характерные для времен застоя, актуальны до сегодняшнего дня. В настоящее время многие проблемы евгеники, в частности борьба с наследственными заболеваниями, являются задачей генетики человека и медицинской генетики.
Менделизм сменился вторым этапом развития генетики, продолжавшимся примерно до 1925 года. Отличительной чертой этого периода стало создание хромосомной теории наследственности. Ведущую роль в этом сыграли экспериментальные работы с дрозофилой, проведенные американским биологом Томасом Хантом Морганом (1866–1945 годы) и его учениками. Труды школы Моргана эмпирически обосновали хромосомную теорию, показали возможность построения хромосомных карт с указанием точного расположения различных генов (генетические карты). На основе данной теории наследственности был выяснен и доказан хромосомный механизм определения пола. Тогда же началось становление генетики в советской России, причем ее быстрое развитие определялось работой трех генетических школ, возглавляемых Н. Кольцовым в Москве, Ю. Филипченко и Н. Вавиловым в Петербурге.
Следующий этап (1925–1940 годы) связан с открытием искусственного мутагенеза — процесса появления в организме наследственных изменений (мутаций). До 1925 года существовало мнение о том, что мутации возникают в организме спонтанно под влиянием неких чисто внутренних факторов, то есть независимо от внешних воздействий. Эту ложную концепцию опровергли в 1925 году биологи Г. А. Надсон и Г. Филиппов, проводившие исследования по искусственному вызыванию мутаций. Влияние внешних воздействий наглядно представили эксперименты Германа Джозефа Меллера (1890–1967 годы). Он смог доказать возможность возникновения искусственных мутаций у дрозофилы под действием рентгеновских лучей. Ученый, в 1933–1937 годах работавший в советской России, стал основоположником радиационной генетики. Впоследствии уже никто не сомневался в том, что мутагенным действием обладают ультрафиолетовые лучи и химические вещества. Первые химические мутагены были открыты именно в России. Работы проводились в 1930-х годах биологами В. В. Сахаровым, М. Е. Лобашевым и С. М. Гершензоном.
В Россию начала XX века евгенические идеи проникали через переводы работ зарубежных авторов и рассказы молодых исследователей, приезжавших из зарубежных командировок с последними новостями науки. Например, знакомство с менделизмом, биометрией и евгеникой состоялось благодаря зоологу Ю. Филипченко (1882–1930 годы), проходившему стажировку в Европе. Российская евгеника также приобрела специфические качества. Основными темами обсуждения в то время являлись рождаемость, вырождение, врожденные дефекты, то есть вопросы, прямо относящиеся к медицине. Оттого врачебная составляющая стала основной частью русской евгеники, постепенно преобразовавшейся в медицинскую генетику. Становлению самостоятельной научной дисциплины также способствовали политические катаклизмы, как известно, сотрясавшие страну почти все столетие.
Другой специфической чертой евгеники в России была ее особенно тесная взаимосвязь с генетикой. Влияние наследственных факторов на здоровье человека первым начал изучать доктор В. М. Флоринский (1834–1899 годы). Его труд «Усовершенствование и вырождение человеческого рода» представлял принципы, развитые намного позже в рамках медицинской генетики. Флоринский обратил внимание читателей на основную роль состояния здоровья отца и матери, предупредив, что о будущем детей необходимо задумываться не после их рождения, а еще до вступления в брак.
В книге содержалась резкая критика многих распространенных суеверий. На протяжении нескольких веков считалось, что зрительные образы родителей прямо влияют на плод. Это заблуждение пришло в медицину из Библии, где приводился разговор Иакова и Лавана: «…отдели от стада всякий скот с крапинами и с пятнами. Такой скот будет наградою мне. Взял тогда Иаков свежих прутьев тополевых, миндальных, ивовых; вырезал на них белые полосы, сняв кору до белизны, которая на прутьях, и положил прутья с нарезкой перед скотом в водопойных корытах. Скот начал приходить пить и зачинал перед прутьями. И рождался скот пестрый, с крапинами и с пятнами. Каждый раз, когда зачинал скот крепкий, Иаков клал прутья в корытах пред глазами скота, чтобы он зачинал пред прутьями. А когда зачинал слабый, тогда он не клал. И доставался слабый скот Лавану, а крепкий Иакову…»
В первые годы советской власти генетические исследования в России проводились только в Петрограде и Москве. Наука развивалась благодаря личной инициативе Ю. Филипченко, создавшего Центр научной евгеники и школу подготовки молодых ученых. Из этого Центра вышли такие всемирно известные генетики, как С. Четвериков, Н. Тимофеев-Ресовский, Ф. Добржанский. Труды генетиков следующего поколения, С. Гершензона, А. Прокофьевой-Бельговской, Ю. Керкиса, П. Рокицкого, М. Лобашева, Н. Дубинина — обеспечили России право называться вторым, после США, генетическим центром мира.
После своего возвращения из заграничной поездки в 1913 году Филипченко начал преподавать первый в России курс генетики в Петербургском университете, а в 1917 году приступил к чтению популярных лекций по евгенике. Спустя год он опубликовал свою первую работу — статью «Евгеника». Через год в журнале «Природа» была представлена одна из двух обширных статей Филипченко с обзором работ школы Моргана. В начале 1920-х годов независимые евгенические союзы автономно работали в Саратове и Одессе, но постепенно они присоединились к центральному обществу. В феврале 1921 года Филипченко учредил Бюро по евгенике при Российской АН, став его заведующим. Со временем Бюро преобразовалось в Институт генетики АН СССР. Евгенические исследования начала столетия не требовали финансирования. Сбор и анализ генеалогических или антропометрических данных проводился посредством опросов и работы в архивах, где были необходимы только ручка, бумага и трудолюбие.
В формировании евгеники, а затем медицинской генетики, наряду с биологами, важную роль играли врачи. Одной из наиболее известных фигур считался В. Бехтерев, основатель и директор Психоневрологического института. Известный психиатр Юдин, опубликовал ряд книг и статей по евгенике, психопатологии и строению человеческого организма. С началом деятельности московского Генетического бюро в 1927 году официально закрепилась связь генетики с психиатрическими учреждениями страны. Ученые сообща разработали программу «медико-евгенических показаний в отношении отдельных нервных и душевных болезней», а также взялись за организацию музея по нервно-психиатрической генетике. Основным вопросом первого заседания бюро стала природа редкого вида известной венерической болезни — врожденного сифилиса.
К другим работам евгенистов советского периода относились исследования по генеалогии талантливых индивидов (академиков, ученых, артистов, музыкантов и писателей), наследственной изменчивости нормальных человеческих признаков (цвет глаз и волос, химический состав крови, группы крови). Ученых занимала тема наследственных факторов, физических и умственных отклонений, например гигантизм, сращение пальцев, шизофрения, алкоголизм и преступность. Отдельно велись статистические исследования относительно воздействия войны, браков, законодательства, образования, традиций и расовых отличий на рождаемость и смертность внутри одной нации.
К началу 1930-х годов в политических кругах России распространилось убеждение в том, что генетика несовместима с идеями Маркса. Теория случайных и непредсказуемых, крайне «вредных» мутаций генов и хромосом, якобы, исключала возможность «полезных» социальных изменений, а главное — не предусматривала контроля над населением. Марксисты предпочитали концепцию целенаправленного формирования желательных качеств, например патриотизма или покорности, через прямое изменение природных или социальных условий.
Нагрудный почетный знак советского врача
Правительство одобрило линию врача-активиста Левита, заявившего: «Советский пролетариат, а вслед за ним и большинство русских медиков уже давно признали возможность наследования приобретенных признаков; от высказываний генетиков веет глубоким пессимизмом и немощью». Выражая мнение коллег, Левит полагал, что существование наследственных болезней противоречит принципам профилактической медицины и тем «обезоруживает врача». Большой популярностью пользовались взгляды австрийского биолога П. Каммерера, утверждавшего: «…тогда как менделевская генетика делает людей „рабами прошлого“, ламаркизм обещает произвести их в „капитаны будущего“. Венский марксист призвал к созданию социалистической евгеники.
С началом культурной революции молодая наука понесла серьезные кадровые потери. Филипченко покинул пост руководителя Центра научной евгеники, а в мае 1930 года умер от менингита. Приблизительно в то же время Кольцова отстранили от преподавания в МГУ и уволили всех сотрудников его кафедры экспериментальной биологии. Собранная с большим трудом группа талантливых генетиков была разогнана. В соответствии с новой партийной идеологией в стране осуждались попытки соединить биологическое и социальное начала. Деятельность ученых, занимавшихся вопросом наследственности, объявили «биологизаторством».
В 1930 году упразднили Бюро по евгенике; затем прекратило существование Русское евгеническое общество. Однако окончательный разгром «буржуазной теории» совпал с возникновением фашизма в Германии. Приход к власти Гитлера создал непреодолимые идеологические проблемы вследствие использования нацистами извращенной евгеники.
Учреждением новой дисциплины, медицинской генетики, предполагалось убить двух зайцев: улучшить здоровье пролетариата и отработать методику идейной борьбы с расистской теорией фашистов. В марте 1935 года Институт генетики АН был переименован в Медико-генетический институт имени М. Горького, который возглавил Левит. В итоге евгеника трансформировалась в идеологически здоровую дисциплину. Новый политический поворот под русским названием «1937 год» или западным «Большой террор», привел к закрытию едва начавшего работу учреждения. В июле 1937 года Левита сняли с поста директора, а через несколько месяцев он был арестован. После короткой ревизии Медико-генетический институт ликвидировали. Таким образом, медицинская генетика просуществовала не дольше почившей евгеники. Возрождение обеих наук состоялось лишь в 1960-х годах.
Характерными чертами четвертого этапа истории генетики (приблизительно 1940–1955 годы) было бурное развитие работ, касавшихся физиологических и биохимических признаков. В сферу генетических опытов вошли новые объекты — микроорганизмы и вирусы. Возможность получения от них огромного по численности потомства, причем за очень короткое время, резко повысила действенность генетического анализа. Это позволило исследовать многие, недоступные ученым ранее формы генетических явлений. В 1944 году состоялось еще одно революционное открытие, сделанное в Америке. Микробиолог Освальд Теодор Эйвери (1877–1955 годы) установил существование специфического вещества, ответственного за иммунологические процессы. Работая совместно с группой коллег, он открыл, что фактором, обеспечивающим генетическую трансформацию, являются молекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты). Представив ее в качестве носителя наследственной информации, американцы заложили основы молекулярной генетики. Наиболее значительным достижением конца этого периода стало доказательство следующего факта: инфекционным элементом вирусов служит их нуклеиновая кислота (ДНК или РНК).
Начало современного этапа истории науки о наследовании, генетики, относится к 1970-м годам, когда наряду со стремительным развитием всех сложившихся направлений вперед выдвинулась молекулярная генетика. Немного раньше группа украинского академика Сергея Михайловича Гершензона (1906–1998 годы), изучая размножение одного из вирусов насекомых, получила новые данные в пользу того, что генетическая информация может передаваться как от ДНК к РНК, так и в обратном направлении. Этот процесс назвали обратной транскрипцией.
Следствием открытия стали успешные разработки принципиально новых форм прикладной генетики, например использование ее в лечении или предотвращении злокачественных опухолей. Однако проблемой возникновения рака еще в середине 1940-х годов занимался советский вирусолог Лев Александрович Зильбер (1894–1966 годы). Замечательный микробиолог и иммунолог, академик АМН, он сформулировал вирусогенетическую теорию происхождения опухолей, заложив основы иммунологии рака. Будучи братом известного писателя В. А. Каверина, Лев Александрович, несомненно, помогал ему в создании романа «Открытая книга», где на примере судьбы главной героини убедительно и ярко рассказывается о становлении российской вирусологии.
Информация обо всех многообразных признаках передается от поколения к поколению, часто реализуясь у потомков в сильно искаженном виде. Генетические исследования помогают в познании закономерностей наследования, следовательно, в изыскании путей практического использования этих закономерностей. Таким образом, генетика призвана рассматривать четыре основных вопроса: хранение и кодирование генетической информации; ее передачу; реализацию и механизм изменения.
Заключения, полученные при изучении фундаментальных проблем наследственности и изменчивости, служат основой решения прикладных задач. Достижения генетиков используются для повышения продуктивности домашних животных, выращивания культурных растений и промышленных микроорганизмов. В сфере медицины эти знания позволяют предупреждать проявление ряда наследственных болезней человека. Современная генетика состоит из множества разделов, представляющих как теоретический, так и практический интерес. Классическими разделами являются: генетический анализ, основы хромосомной теории наследственности, цитогенетика, мутации и модификации. Кроме того, интенсивно развиваются молекулярная и эволюционная генетика, новая отрасль геномика, изучающая процессы становления и эволюции совокупности генов, а также генная инженерия.
Развитие генной инженерии началось в 1972 году, когда группа американских ученых во главе с П. Бергом смогла извлечь из клеток организма ген, кодирующий определенный продукт. В соединении со специальными молекулами ДНК (векторами) гены способны проникать в клетки микроорганизма и размножаться в них. Разработанная американцами технология уже много лет широко используется для промышленного производства высококачественных медицинских биопрепаратов: инсулина человека, интерферона, вакцин против гепатита В. Продукты генной инженерии применяются для диагностики СПИДа. Проводятся перспективные работы по лечению наследственных заболеваний посредством введения в организм пациента здорового гена для замещения гена-мутанта, являющегося причиной заболевания.
Метод хромосомной инженерии позволяет получить потомство, генетически сходное с особью, от которой взята соматическая клетка. Причем число таких потомков неограниченно. Метод получил название «клонирование» (от греч. klon — «ветвь, побег»), обозначая биологическое копирование живого объекта. Понятие «клонирование» подразумевает две формы воспроизведения. Во-первых, получение одинаковых копий фрагментов ДНК, во-вторых, получение группы клеток с единым генотипом. Первая методика применяется в биотехнологии. Ученые выращивали растения заданной формы — квадратные овощи или фрукты, которые удобно складывать в ящики, а также продукты, защищенные от действия вирусов.
Попытки клонирования животных впервые имели место в начале 1950-х годов. Американцы Р. Бриггс и Т. Кинг удалили ядро из яйцеклетки лягушки, пересадив в нее ядро зрелой особи, и получили нормального живого лягушонка. Похожие эксперименты проводились в России ученым Г. Лопашевым и в Англии — биологом Д. Гердоном. Последний сумел вывести целое лягушачье семейство. В 1997 году шотландцы удивили мир сообщением о рождении овцы, выведенной методом клонирования. Эксперименты проводились в Эдинбурге, в лаборатории микробиолога Яна Вильмута. Сначала «искусственная» овечка Долли ничем не отличалась от других животных, но по прошествии некоторого времени были замечены небольшие отклонения, в частности ускорение физического развития.
Метод Яна Вильмута
Вопрос клонирования человека до настоящего времени является предметом ожесточенных дискуссий. Если техническая сторона вопроса практически решена, то моральные проблемы стоят достаточно остро. Нравственные устои большинства народов мира не допускают механического воспроизведения живого организма. Кроме того, развитию генной инженерии препятствуют различные спекуляции. Рассматривая идею клонирования в отрыве от биотехнологии, некоторые политики мечтают о массовом производстве гениев или солдат, подобных голливудскому терминатору. Вскоре после опубликования сенсационных подробностей сотрудникам эдинбургской лаборатории начали поступать заказы от сильных мира сего. Безутешные родители желали нового ребенка взамен недавно умершего; крупные бизнесмены мечтали увидеть собственные копии. Биологи признают возможность создания человека, внешне похожего на донора, но отрицают вероятность точного повторения личности. Для этого потребуется воссоздать условия развития плода, его рождения и воспитания, что является чистой фантазией.
Если по поводу коммерческого использования метода ведутся ожесточенные споры, то в одном люди солидарны с учеными: интеллект человека воспроизвести невозможно. Клонирование человека официально запрещено в США, Франции, Германии и Японии. Во Франции подобные опыты грозят ученому тюремным заключением сроком на 10–20 лет. Однако совершенствование технологии по отношению к животным, возможно, изменит взгляды на эту перспективную сферу науки.
Данный текст является ознакомительным фрагментом.