Страница:
Дубинин Николай Петрович
Тайны наших генов
Интервью с лауреатом Ленинской премии, директором Института общей
генетики АН СССР, академиком НИКОЛАЕМ ПЕТРОВИЧЕМ ДУБИНИНЫМ
Тайны наших генов
- Николай Петрович, сейчас довольно много говорят о проблеме наследственности. Но суть проблемы знает далеко не каждый...
- Наследственность - это одно из коренных свойств жизни.
Генетику наших дней можно представить в виде гигантской стройки, где уже грохочут взрывы важнейших открытий. Без преувеличения можно сказать, что сегодня закладывается фундамент века биологии. И изучение сущности жизни, управление ею - это самый передний край той великой материалистической науки, которой обладает современное человечество. Сама, будучи полем применения комплексных методов, новая биология оказывает глубокое влияние на физику, химию, математику, кибернетику... Через изменения в медицине, в сельском хозяйстве и в микробиологии, включаясь в решение задач атомного века и века космоса, она становится ключевым элементом научно-технической революции.
Генетику можно смело назвать фундаментом современной биологии. С ее помощью человек уже в ближайшем будущем сможет новыми могущественными методами решать такие поистине фантастические задачи, как управление жизнью, создание новых форм растений, животных и микроорганизмов, сможет бороться за здоровье живущих людей и их будущих поколений.
Да, все это будет под силу генетике - науке о наследственности. Конечно, на первый взгляд может показаться, что все мы можем совершенно спокойно жить, и не зная сущности и секретов наследственности, и что все это не так уж важно.
Но давайте разберемся, так ли это на самом деле.
Сможем ли мы, не зная генетики, объяснить, почему, например, обезьяна не превращается в белого медведя, если даже ее поселить на Крайнем Севере? Сумеют ли работники сельского хозяйства в ближайшем будущем получать с каждого гектара по 100 центнеров пшеницы? Как скажутся через каких-нибудь 50-100 лет последствия атомных взрывов на потомках современных жителей Хиросимы и Нагасаки? Сумеем ли мы уберечь человечество от губительных воздействий ядерного излучения и применения ядохимикатов? Смогут ли космонавты в полетах в глубь вселенной управлять жизнью микроорганизмов и растений, которые будут находиться вместе с ними в кабинах кораблей? Почему рождаются мальчики или девочки и почему они появляются на свет примерно в одинаковом количестве? Грозит ли человечеству вымирание или же мы еще находимся у начала развития земной цивилизации?..
Можно привести еще тысячи подобных вопросов, имеющих очень важное как общехозяйственное, гак и общенародное значение и ответить на которые нельзя, не познав секреты наследственности и не научившись управлять ею. А это даст нам очень многое. Человек сможет участвовать в решении практических задач сельского хозяйства, медицины, научиться управлять эволюцией на нашей планете в целом.
Задача ученых-генетиков состоит в том, чтобы разработать способы борьбы за здоровье, долголетие, длительную юность человека. Это потребует творческого развития проблем общей генетики и генетики человека в союзе с медициной. Мы должны создать условия для резкого повышения продуктивности сельского хозяйства, а для этого нужен творческий союз генетики и селекции. Необходимо разработать методы управления генетическими процессами, лежащими в основе эволюции видов, проблемы радиационной генетики, связанные с широким использованием атомной энергии. Или же возьмите, наконец, проблемы космической генетики для обеспечения биологической стороны космических полетов.
Так что, как видите, изучение наследственности - это не чисто научная проблема. Перед этой наукой стоят большие, прямо-таки фантастические по своей смелости задачи.
Взрыв, изменивший лицо генетики, произошел в 1953 году, когда была установлена молекулярная природа явлений наследственности. Это открытие послужило источником, от которого взяла свое начало молекулярная генетика и молекулярная биология в целом.
В свете данных этих наук многие из сокровенных сторон жизни потеряли для ученых былую таинственность. Таинственными были основы, на которых зиждется размножение клетки и передача информации при размножении организмов. Мы не знали, в чем суть программирования при индивидуальном развитии, когда от одной клетки в виде оплодотворенного яйца после целенаправленных процессов возникает взрослая особь.
- Так в чем же, Николай Петрович, суть наследственности?
Почему же дети похожи на своих родителей и в чем, если так можно выразиться, материально заключена эта поразительная преемственность организмов?
- Теперь уже ученым ясно, что преемственность организмов осуществляется через одну клетку - оплодотворенное яйпо, которая и несет в себе все основы развития особи. Весь животный и растительный мир в каждом поколении проходит такую микроскопическую стадию одной клетки. В этот период исчезают все признаки и особенности взрослой особи. Через оплодотворенное яйцо передаются лишь наследственные структуры, связывающие поколения. Эти структуры обладают возможностью на основе процессов, идущих в клетке, и при наличии определенных условий среды вновь возродить всю сложность функций и форм живого, созданную в процессе эволюции.
- Ну а как же устроена клетка?
- Живая клетка, как я уже говорил, является основой всех форм жизни на Земле. Основные ее элементы - ядро и цитоплазма. Существует два основных вида клеток - тканевые и половые. Как известно, размножаются они делением. У человека каждая тканевая клетка содержит набор из 23 пар хромосом, перед наступлением деления это количество хромосом удваивается, и поэтому после деления в каждую дочернюю клетку попадают необходимые 46 хромосом. При размножении же половых клеток в дочернюю попадает только по одной хромосоме из каждой пары, и лишь при оплодотворении восстанавливается необходимое число хромосом.
Но мы еще не закончили разговор об общем строении клетки. Так вот, ядро и цитоплазма тесно связаны между собой, цитоплазма не может долгое время существовать без ядра, а ядро погибнет без цитоплазмы. Если применить образное сравнение, то клетка - это как бы своеобразное "государство".
Ядро - его "столица", а цитоплазма - "провинция". Цитоплазма состоит из различных химических и биологических структур.
Но столица остается столицей. Именно здесь находится "правительство", которое не только управляет "страной", но и "заботится" о грядущих поколениях. Роль этого "правительства." и выполняют хромосомы. У каждого вида организмов хромосомы имеют свою форму. Количество их тоже различно.
Я не хочу вдаваться в подробности, так как это довольно сложно да и представляет интерес разве что только для людей, увлекающихся естественными науками, но все же постараюсь рассказать, как устроена эта носительница наследственной информации - хромосома. Ее можно, пожалуй, сравнить с нитью, на которую нанизаны бусинки. Это гены, обладающие различными свойствами. Они непохожи друг на друга, и каждый в отдельности оказывает специфическое влияние на физиологию клетки и развитие организма, контролирует строго определенный процесс. Комплекс же генов, свойственный набору хромосом в целом, "управляет" деятельностью клетки.
Когда же тысячи таких элементарных единиц наследственности - генов соединяются в цепочку, возникает хромосома.
Конструкцию хромосомы можно наблюдать под микроскопом на клетках слюнных желез плодовой мушки, или, как ее еще называют, мухи дрозофилы. У них хромосомы достигают гигантских размеров. В этом одна из причин, почему многие свои опыты и исследования ученые проводят именно на этой мушке.
Было установлено, что элементы ядра клетки отличаются от элементов цитоплазмы тем, что в последней структуры многократно дублируются, тогда как в ядре большинство наследственных структур уникально. Каждая структура присутствует в виде гомологических генов, один из которых получен от отца, другой - от матери.
Итак, внешне хромосома похожа на нить с бусинками. Однако кому же природа доверила такую ответственную задачу, как передача по наследству признаков и свойств родителей? Эту важную задачу выполняет химическое соединение, называемое дезоксирибонуклеиновой кислотой или сокращенно ДНК.
Сейчас уже никто из биологов не сомневается, что передача наследственных признаков связана именно с ДНК. Опыты, доказывающие это, сегодня исчисляются сотнями. Их проводили во многих лабораториях мира. И сейчас мы с полной уверенностью можем сказать, что, например, в молекулах ДНК клеток человека запрограммирована его генетическая информация.
Она касается нормального физического развития, здоровья, продолжительности жизни, гармоничного развития способностей, появления наследственных болезней, старости, сердечнососудистых заболеваний, злокачественного роста, предрасположенности к тем или иным инфекционным болезням и даже смерти.
Если выделить из ядра одной клетки человека все его генетические молекулы ДНК и расположить их в линию одна за другой, то общая длина составит семь с половиной сантиметров. Такова гигантская биохимическая рабочая поверхность хромосом. Она дрожит от напряженной работы в каждой клетке человеческого организма. Это сконцентрированное в молекулярной записи наследие бесконечных веков прошедшей эволюции.
Как совершенно правильно и образно сказал об этом в своем романе "Лезвие бритвы" писатель Иван Ефремов, "наследственная память человеческого организма - результат жизненного опыта неисчислимых поколений, от рыбьих наших предков до человека, от палеозойской эры до наших дней. Эта инстинктивная память клеток и организма в целом есть тот автопилот, который автоматически ведет нас через все проявления жизни, борясь с болезнями, заставляя действовать сложнейшие автоматические системы нервной, химической, электрической и невесть какой еще регулировки. Чем больше мы узнаем биологию человека, тем более сложные системы мы в ней открываем".
И из всех этих сложнейших систем природа, характер и развитие наследственности и есть предмет генетики.
- Николай Петрович, но, коль скоро все или, по крайней мере, основные секреты наследственности изучены, у ученых появилась возможность воздействовать на нее. Это значит, что человек может по своему желанию изменять животный и растительный мир и даже, как это довольно часто описывают в произведениях писатели-фантасты... самого себя. Не так ли?
- Вы говорите сразу о нескольких проблемах: о возможности воздействия на наследственность, о селекции сельскохозяйственных растений и животных, об улучшении генетики человека и борьбе с наследственными заболеваниями.
Как я уже говорил, познание законов наследственности - это не самоцель ученых-генетиков. Конечно же, все это необходимо нам для того, чтобы научиться воздействовать на природу, изменять окружающий нас животный и растительный мир, и если надо, то и самого человека. И благодаря открытиям ученых современная генетика уже научилась искусственно вызывать изменения в наследственных структурах организма. В этом ее величайшая заслуга. И хотя подчас биологи не могут еще детально разобраться в процессах, идущих в ядре и цитоплазме клетки, они уже научились использовать стойкие изменения в наследственном аппарате, если они полезны, и бороться с вредными.
Чтобы сделать яснее картину достижений генетики, бросим беглый взгляд на процессы эволюции в природе, те самые процессы, о которых говорится в учении Дарвина. Для этого воспользуемся нехитрой моделью - аквариумом, где плавают несколько пар рыбок гуппи. Через какое-то время рядом с родителями появится потомство первого поколения, затем второ,го, третьего... Постепенно гуппи заполнят весь аквариум. И если не увеличить рацион кормления и не подавать в воду насосом кислород, то выживут лишь самые сильные рыбки, те, что смогут бороться с невзгодами и захватывать пищу. В конце концов в живых будут оставаться только наиболее выносливые особи и в аквариуме установится биологическое равновесие.
Примерно то же самое происходит и в природе. Если бы не было борьбы за существование, то количество животных одного вида резко увеличилось, и в конечном итоге их стало бы так много, что они заполнили бы всю планету. Но мы знаем: число особей каждого вида на Земле ограничено. А это значит, что в каждом поколении остаются жить только наиболее приспособленные.
Однако для действия естественного отбора перенаселенность необязательна. В пределах одного вида нет генетически совершенно одинаковых существ. Некоторые оставляют более выносливое потомство, другие - хилое. Через несколько поколений преимущество получают потомки более приспособленных организмов. Вполне понятно, что такой процесс может происходить лишь в том случае, если полезные признаки передаются по наследству.
Эволюция предполагает появление новых признаков, и они приобретаются организмами. А это значит, что в наследственности возможны вариации. Возникают они в виде так называемых мутаций - стойких изменений в генах и хромосомах, изменений, которые выделяют организм из остальных, делают его непохожим, "чужим" среди других, подобных ему.
Для живых существ, как это показывают наблюдения и опыты, эти новые мутации могут быть полезными, вредными или нейтральными. Генетики и селекционеры стараются воспользоваться полезными мутациями и нередко сами создают их. И в то же время стремятся избавиться от вредных или ненужных изменений в наследственности.
- Из всего вами сказанного явствует, что на современном уровне генетики человек уже может воздействовать на наследственность, создавать такие виды животных и растений, которые ему необходимы и которых недостает в природе. Какими же путями идет генетика и селекция в сельском хозяйстве и каковы уже достигнутые результаты?
- Ученые-селекционеры, как правило, не ставили перед собой цели создавать новые виды растений, их основная задача - улучшать уже существующие, разрабатывать высокоурожайные сорта. Генетика стала научной основой селекции, многие ее экспериментальные и теоретические разработки привели к целому ряду скачков в производительности домашних животных и культурных растений.
В настоящее время выращивается более 4800 сортов и гибридов различных сельскохозяйственных культур, в том числе почти 2800 сортов различных полевых культур, в подавляющем большинстве хорошо приспособленных к возделыванию в местных почвенно-климатических условиях различных зон.
Они дают высокие урожаи и ценную по качеству продукцию.
Многие из этих сортов - результат работы ученых-генетиков.
И можно с полной уверенностью сказать, что в ближайшем будущем ожидаются более высокие достижения.
Нельзя забывать и такой факт, как изменение агротехники и введение механизации. Это, как ни покажется вам странным на первый взгляд, тоже создает новые требования к сортам, такие, как устойчивость против осыпания, неполегаемость у хлебов, у хлопчатника - определенное расположение коробочек, у кукурузы - определенная высота прикрепления початков и многое другое. Учитывать все это при выведении нового сорта - задача нелегкая, но необходимая.
И сейчас, когда многие законы наследственности уже познаны, ученым чаще всего не приходится работать на ощупь, как это было раньше. Они уже заранее видят, какое потомство получат от двух разных родителей. Выведение нового сорта идет 351 не наугад, а целеустремленно, и вследствие этого результаты получаются намного быстрее. Короче говоря, человек научился ускорять процесс эволюции. Природа улучшала какой-либо признак растения за тысячи лет. Человек сократил этот процесс в сотни раз. Скажите, разве это не фантастично, что человек научился направлять развитие организма в нужную для него сторону, "реконструировать" наследственность?
- Скажите, ну а каким же путем получается все это многообразие новых сортов?
- Еще совсем недавно для выведения нового сорта пшеницы чаще всего скрещивали различные географически удаленные формы. Сегодня же все чаще новые сорта получают с помощью мутаций - тех изменений, на которых строится эволюция. Использование мутационной формы кукурузы, которая резко повысила в зерне уровень для питания животных аминокислоты - лизина, привело к новой революции в возделывании этого растения.
Мы являемся свидетелями коренных переделок генетической природы растений. Эти переделки получили название "зеленых революций". У нас в стране после знаменитых работ В. Пустовойта с подсолнечником успешно переживают "зеленую революцию" пшеница, кукуруза, сахарная свекла и другие растения. По Мексике, Индии, Филиппинам и по ряду других стран триумфально шествует "зеленая революция" по возделыванию риса и пшеницы. Это было достигнуто путем использования мутации карликовости, при котором энергия роста переключается на развитие колоса. В Индии, например, получен замечательный сорт пшеницы после воздействия на зерно радиацией.
Широкое развитие получили методы искусственного вызывания мутации под влиянием радиации и химических соединений. Более 100 радиационных сортов растений уже вошло в производство и стало достоянием сельскохозяйственной практики. И хотя мы пока еще не всегда можем сказать с полной определенностью, какой из видов воздействия принесет ожидаемый результат, то, что уже достигнуто, - большой успех.
Мы уже в состоянии, используя факторы внешней среды, вмешиваться в химическую структуру генов, можем вызывать в любом нужном нам количестве мутации генов и хромосом.
Этим по-новому решается проблема исходного материала для селекции. И, лишь пройдя строгую селекцию, а в ряде случаев и пройдя через скрещивание, они могут положить начало новым сортам особо высокой урожайности.
И если вспомнить один из вопросов, о которых я говорил в самом начале нашей беседы, то есть о том, возможно ли будет в ближайшем будущем получать с одного гектара по 100 центнеров пшеницы, то сегодня мы уже с уверенностью можем сказать, что такая урожайность - вещь реальная.
До последнего времени среди озимых сортов сильных пшениц выделялся сорт "безостая-1", полученный после сложной гибридизации с привлечением русских и аргентинских пшениц.
Но не так давно впервые были районированы новые сорта озимой пшеницы "аврора" в Краснодарском крае, "кавказ" - для посева на богаре и при орошении в Краснодарском крае, Николаевской и Одесской областях, в Дагестанской АССР.
Эти сорта выведены дважды Героем Социалистического Труда академиком П. П. Лукьяненко с коллективом селекционеров в Краснодарском научно-исследовательском институте сельского хозяйства. Так вот, эти сорта при возделывании на высоком агротехническом фоне дают невиданный урожай до 100 цент; неров с гектара.
- Николай Петрович, все, о чем вы сейчас рассказывали, касалось в первую очередь растений. А как обстоит дело с животноводством? Сегодня партия и правительство, как известно, уделяют большое внимание развитию животноводства на промышленной основе. В стране развернуто строительство крупных животноводческих комплексов. Может ли чем-нибудь помочь в этой области генетика, ведь, насколько я понимаю, наследственная информация животных гораздо сложнее, чем у растений?
- Проблема эта действительно не из легких. Однако мы все прекрасно знаем, что решать ее надо как можно скорее.
И, только соединив воедино генетику и селекцию, можно получить тот сплав наук, который обеспечит нужный для человечества громадный рост пищевых и технических ресурсов.
Население земного шара растет исключительно интенсивно.
Через каких-нибудь 30 лет на нашей планете будет жить около 7 миллиардов человек, то есть в два раза больше, чем в наше время. Но, как показывают современные тенденции развития, количество пахотной земли на человека уменьшится в 2 раза, да и не увеличится, естественно, и площадь для выгула скота. Роль же животного белка в пище человека исключительно велика. Общая потребность в белках за сутки равна примерно 70 граммам, из которых около половины должно быть животным белком высокой биологической ценности.
И поэтому вполне понятно, что просто необходимо поднять производительность и качество не только сортов растений, но и пород животных. Этот фактор сыграет выдающуюся роль при регуляции роста пищевых ресурсов на нашей планете. И основная задача ближайшего будущего зоотехники сводится к созданию промышленных гибридов, пород-популяций и чистых пород, состоящих из животных таких генотипов, которые при соответствующем кормлении и содержании производили бы больше продуктов. То есть нам необходимы породы, приспособленные к развитию животноводства на промышленной основе.
- Значит, если я правильно вас понял, промышленное животноводство и птицеводство требуют не простых, а специально выведенных для таких условий пород?
- Да, именно так. Процесс индустриализации таких важных отраслей животноводства, как птицеводство, молочное скотоводство, свиноводство, требует селекции на приспособление их к существованию в необычных для них условиях и на приспособление к ряду новых производственных процессов. Механизация дойки, например, уже вызвала необходимость селекции по таким признакам, как скорость молокоотдачи и форма вымени, обеспечивающим нормальное доение и предотвращение мастита.
Обычно на создание пород сельскохозяйственных животных требуются десятки лет. Генетика уже нашла пути достижения радикальных результатов в товарном животноводстве за сравнительно короткое время. Наиболее ярко это выразилось при использовании генетических методов получения промышленных гибридов.
Мне кажется, что будущее товарного животноводства в основном будет состоять в использовании гетерозисных гибридов и гибридов комбинационной производительности. Генетикам предстоит решить очень трудную задачу выбрать из огромного генетического материала наиболее ценные группы генотипов, чтобы использовать их для прогресса пород и гибридов сельскохозяйственных животных.
Замечательные перспективы открываются и в решении вопроса о получении желательного пола у потомков. В этом случае задача состоит в регуляции хода наследования половых хромосом. Решение вопроса самым решительным образом скажется на развитии животноводства.
Усилиями генетиков и звероводов за каких-нибудь 10-15 лет выведено около 30 мутантных форм норки, имеющей целую палитру окраски. Не менее интересных результатов добились и от скрещивания лисиц различной окраски.
Можно привести еще немало примеров, когда человек, взяв на вооружение достижения генетики, добивался поистине фантастических результатов как в растениеводстве, так и в опытах с животными. Как-то мне попался на глаза рассказ Эрика Рассела "Вы вели себя слишком грубо"! Не вдаваясь в сюжет этого рассказа, скажу только, что один из его героев, захотел приобрести "голубого носорога в семнадцать дюймов длиной и весом не больше девяти фунтов". И, несмотря на то, что рассказ этот фантастический, можно прямо сказать, описанное в нем очень недалеко от того, что будет возможно через несколько десятков лет. И я говорю это совершенно не потому, что рассказ этот понравился мне. Просто я опираюсь на современные достижения генетики и предвижу на основе этого ее дальнейшее развитие и возможности.
- Николаи Петрович, несколько раньше вы говорили о генетике микроорганизмов. Что это такое и зачем нужно заниматься генетическими опытами с этими мельчайшими живыми существами?
- Успехи генетики имеют огромное значение и для создания новой отрасли биологической индустрии, связанной с промышленным использованием микроорганизмов. Различные микроорганизмы и вирусы встали в центр внимания фундаментальной генетики, когда наступила эпоха молекулярной биологии.
Наследственность и изменчивость этих форм являются сегодня предметом глубокого изучения. Используя новые методы, селекция нужных форм микроорганизмов достигла небывалой высоты. Это облегчено также и тем, что при селекции микробов можно использовать миллионные и миллиардные популяции, что резко увеличивает эффективность селекции.
Вот вы спрашиваете, зачем нужно работать с такими мельчайшими организмами, какая от них польза. А ведь метод получения мутаций с помощью радиации и химических соединений стал основным в получении высокоэффективных продуктов целого ряда ценнейших лекарственных, пищевых и других веществ. Вспомните, когда был открыт пенициллин, его стоимость в буквальном смысле была выше золота. Теперь, после получения ценных мутантов, резко повысивших выход пенициллина на единицу питательной среды, в которой живут грибки, это лекарство стало доступно каждому.
Или же вот другой пример. Аминокислота лизин - важнейший компонент пищи животных и человека. Сейчас создается крупная микробиологическая промышленность по производству лизина. И это оказалось возможным только после работы генетиков, в экспериментах которых была получена форма клеток бактерий, которая выделяет в среду в пятьсот раз больше лизина по сравнению с обычными, "дикими" бактериями. Громадные перспективы для микробиологического синтеза белков открывает использование простых углеродов нефти и газа. И в этой работе решающую роль также играют методы новой генетической селекции.
Если немного пофантазировать, то можно увидеть совершенно необычный путь для приготовления белков. Сейчас для достижения этой цели в ход идет биомасса всем знакомых дрожжей. Но представьте себе производство будущего, где в промышленных масштабах налажена "сборка" генов, управляющих синтезом белков. Тогда столь ценный продукт не трудно будет получать в любых разновидностях и любых количествах.
генетики АН СССР, академиком НИКОЛАЕМ ПЕТРОВИЧЕМ ДУБИНИНЫМ
Тайны наших генов
- Николай Петрович, сейчас довольно много говорят о проблеме наследственности. Но суть проблемы знает далеко не каждый...
- Наследственность - это одно из коренных свойств жизни.
Генетику наших дней можно представить в виде гигантской стройки, где уже грохочут взрывы важнейших открытий. Без преувеличения можно сказать, что сегодня закладывается фундамент века биологии. И изучение сущности жизни, управление ею - это самый передний край той великой материалистической науки, которой обладает современное человечество. Сама, будучи полем применения комплексных методов, новая биология оказывает глубокое влияние на физику, химию, математику, кибернетику... Через изменения в медицине, в сельском хозяйстве и в микробиологии, включаясь в решение задач атомного века и века космоса, она становится ключевым элементом научно-технической революции.
Генетику можно смело назвать фундаментом современной биологии. С ее помощью человек уже в ближайшем будущем сможет новыми могущественными методами решать такие поистине фантастические задачи, как управление жизнью, создание новых форм растений, животных и микроорганизмов, сможет бороться за здоровье живущих людей и их будущих поколений.
Да, все это будет под силу генетике - науке о наследственности. Конечно, на первый взгляд может показаться, что все мы можем совершенно спокойно жить, и не зная сущности и секретов наследственности, и что все это не так уж важно.
Но давайте разберемся, так ли это на самом деле.
Сможем ли мы, не зная генетики, объяснить, почему, например, обезьяна не превращается в белого медведя, если даже ее поселить на Крайнем Севере? Сумеют ли работники сельского хозяйства в ближайшем будущем получать с каждого гектара по 100 центнеров пшеницы? Как скажутся через каких-нибудь 50-100 лет последствия атомных взрывов на потомках современных жителей Хиросимы и Нагасаки? Сумеем ли мы уберечь человечество от губительных воздействий ядерного излучения и применения ядохимикатов? Смогут ли космонавты в полетах в глубь вселенной управлять жизнью микроорганизмов и растений, которые будут находиться вместе с ними в кабинах кораблей? Почему рождаются мальчики или девочки и почему они появляются на свет примерно в одинаковом количестве? Грозит ли человечеству вымирание или же мы еще находимся у начала развития земной цивилизации?..
Можно привести еще тысячи подобных вопросов, имеющих очень важное как общехозяйственное, гак и общенародное значение и ответить на которые нельзя, не познав секреты наследственности и не научившись управлять ею. А это даст нам очень многое. Человек сможет участвовать в решении практических задач сельского хозяйства, медицины, научиться управлять эволюцией на нашей планете в целом.
Задача ученых-генетиков состоит в том, чтобы разработать способы борьбы за здоровье, долголетие, длительную юность человека. Это потребует творческого развития проблем общей генетики и генетики человека в союзе с медициной. Мы должны создать условия для резкого повышения продуктивности сельского хозяйства, а для этого нужен творческий союз генетики и селекции. Необходимо разработать методы управления генетическими процессами, лежащими в основе эволюции видов, проблемы радиационной генетики, связанные с широким использованием атомной энергии. Или же возьмите, наконец, проблемы космической генетики для обеспечения биологической стороны космических полетов.
Так что, как видите, изучение наследственности - это не чисто научная проблема. Перед этой наукой стоят большие, прямо-таки фантастические по своей смелости задачи.
Взрыв, изменивший лицо генетики, произошел в 1953 году, когда была установлена молекулярная природа явлений наследственности. Это открытие послужило источником, от которого взяла свое начало молекулярная генетика и молекулярная биология в целом.
В свете данных этих наук многие из сокровенных сторон жизни потеряли для ученых былую таинственность. Таинственными были основы, на которых зиждется размножение клетки и передача информации при размножении организмов. Мы не знали, в чем суть программирования при индивидуальном развитии, когда от одной клетки в виде оплодотворенного яйца после целенаправленных процессов возникает взрослая особь.
- Так в чем же, Николай Петрович, суть наследственности?
Почему же дети похожи на своих родителей и в чем, если так можно выразиться, материально заключена эта поразительная преемственность организмов?
- Теперь уже ученым ясно, что преемственность организмов осуществляется через одну клетку - оплодотворенное яйпо, которая и несет в себе все основы развития особи. Весь животный и растительный мир в каждом поколении проходит такую микроскопическую стадию одной клетки. В этот период исчезают все признаки и особенности взрослой особи. Через оплодотворенное яйцо передаются лишь наследственные структуры, связывающие поколения. Эти структуры обладают возможностью на основе процессов, идущих в клетке, и при наличии определенных условий среды вновь возродить всю сложность функций и форм живого, созданную в процессе эволюции.
- Ну а как же устроена клетка?
- Живая клетка, как я уже говорил, является основой всех форм жизни на Земле. Основные ее элементы - ядро и цитоплазма. Существует два основных вида клеток - тканевые и половые. Как известно, размножаются они делением. У человека каждая тканевая клетка содержит набор из 23 пар хромосом, перед наступлением деления это количество хромосом удваивается, и поэтому после деления в каждую дочернюю клетку попадают необходимые 46 хромосом. При размножении же половых клеток в дочернюю попадает только по одной хромосоме из каждой пары, и лишь при оплодотворении восстанавливается необходимое число хромосом.
Но мы еще не закончили разговор об общем строении клетки. Так вот, ядро и цитоплазма тесно связаны между собой, цитоплазма не может долгое время существовать без ядра, а ядро погибнет без цитоплазмы. Если применить образное сравнение, то клетка - это как бы своеобразное "государство".
Ядро - его "столица", а цитоплазма - "провинция". Цитоплазма состоит из различных химических и биологических структур.
Но столица остается столицей. Именно здесь находится "правительство", которое не только управляет "страной", но и "заботится" о грядущих поколениях. Роль этого "правительства." и выполняют хромосомы. У каждого вида организмов хромосомы имеют свою форму. Количество их тоже различно.
Я не хочу вдаваться в подробности, так как это довольно сложно да и представляет интерес разве что только для людей, увлекающихся естественными науками, но все же постараюсь рассказать, как устроена эта носительница наследственной информации - хромосома. Ее можно, пожалуй, сравнить с нитью, на которую нанизаны бусинки. Это гены, обладающие различными свойствами. Они непохожи друг на друга, и каждый в отдельности оказывает специфическое влияние на физиологию клетки и развитие организма, контролирует строго определенный процесс. Комплекс же генов, свойственный набору хромосом в целом, "управляет" деятельностью клетки.
Когда же тысячи таких элементарных единиц наследственности - генов соединяются в цепочку, возникает хромосома.
Конструкцию хромосомы можно наблюдать под микроскопом на клетках слюнных желез плодовой мушки, или, как ее еще называют, мухи дрозофилы. У них хромосомы достигают гигантских размеров. В этом одна из причин, почему многие свои опыты и исследования ученые проводят именно на этой мушке.
Было установлено, что элементы ядра клетки отличаются от элементов цитоплазмы тем, что в последней структуры многократно дублируются, тогда как в ядре большинство наследственных структур уникально. Каждая структура присутствует в виде гомологических генов, один из которых получен от отца, другой - от матери.
Итак, внешне хромосома похожа на нить с бусинками. Однако кому же природа доверила такую ответственную задачу, как передача по наследству признаков и свойств родителей? Эту важную задачу выполняет химическое соединение, называемое дезоксирибонуклеиновой кислотой или сокращенно ДНК.
Сейчас уже никто из биологов не сомневается, что передача наследственных признаков связана именно с ДНК. Опыты, доказывающие это, сегодня исчисляются сотнями. Их проводили во многих лабораториях мира. И сейчас мы с полной уверенностью можем сказать, что, например, в молекулах ДНК клеток человека запрограммирована его генетическая информация.
Она касается нормального физического развития, здоровья, продолжительности жизни, гармоничного развития способностей, появления наследственных болезней, старости, сердечнососудистых заболеваний, злокачественного роста, предрасположенности к тем или иным инфекционным болезням и даже смерти.
Если выделить из ядра одной клетки человека все его генетические молекулы ДНК и расположить их в линию одна за другой, то общая длина составит семь с половиной сантиметров. Такова гигантская биохимическая рабочая поверхность хромосом. Она дрожит от напряженной работы в каждой клетке человеческого организма. Это сконцентрированное в молекулярной записи наследие бесконечных веков прошедшей эволюции.
Как совершенно правильно и образно сказал об этом в своем романе "Лезвие бритвы" писатель Иван Ефремов, "наследственная память человеческого организма - результат жизненного опыта неисчислимых поколений, от рыбьих наших предков до человека, от палеозойской эры до наших дней. Эта инстинктивная память клеток и организма в целом есть тот автопилот, который автоматически ведет нас через все проявления жизни, борясь с болезнями, заставляя действовать сложнейшие автоматические системы нервной, химической, электрической и невесть какой еще регулировки. Чем больше мы узнаем биологию человека, тем более сложные системы мы в ней открываем".
И из всех этих сложнейших систем природа, характер и развитие наследственности и есть предмет генетики.
- Николай Петрович, но, коль скоро все или, по крайней мере, основные секреты наследственности изучены, у ученых появилась возможность воздействовать на нее. Это значит, что человек может по своему желанию изменять животный и растительный мир и даже, как это довольно часто описывают в произведениях писатели-фантасты... самого себя. Не так ли?
- Вы говорите сразу о нескольких проблемах: о возможности воздействия на наследственность, о селекции сельскохозяйственных растений и животных, об улучшении генетики человека и борьбе с наследственными заболеваниями.
Как я уже говорил, познание законов наследственности - это не самоцель ученых-генетиков. Конечно же, все это необходимо нам для того, чтобы научиться воздействовать на природу, изменять окружающий нас животный и растительный мир, и если надо, то и самого человека. И благодаря открытиям ученых современная генетика уже научилась искусственно вызывать изменения в наследственных структурах организма. В этом ее величайшая заслуга. И хотя подчас биологи не могут еще детально разобраться в процессах, идущих в ядре и цитоплазме клетки, они уже научились использовать стойкие изменения в наследственном аппарате, если они полезны, и бороться с вредными.
Чтобы сделать яснее картину достижений генетики, бросим беглый взгляд на процессы эволюции в природе, те самые процессы, о которых говорится в учении Дарвина. Для этого воспользуемся нехитрой моделью - аквариумом, где плавают несколько пар рыбок гуппи. Через какое-то время рядом с родителями появится потомство первого поколения, затем второ,го, третьего... Постепенно гуппи заполнят весь аквариум. И если не увеличить рацион кормления и не подавать в воду насосом кислород, то выживут лишь самые сильные рыбки, те, что смогут бороться с невзгодами и захватывать пищу. В конце концов в живых будут оставаться только наиболее выносливые особи и в аквариуме установится биологическое равновесие.
Примерно то же самое происходит и в природе. Если бы не было борьбы за существование, то количество животных одного вида резко увеличилось, и в конечном итоге их стало бы так много, что они заполнили бы всю планету. Но мы знаем: число особей каждого вида на Земле ограничено. А это значит, что в каждом поколении остаются жить только наиболее приспособленные.
Однако для действия естественного отбора перенаселенность необязательна. В пределах одного вида нет генетически совершенно одинаковых существ. Некоторые оставляют более выносливое потомство, другие - хилое. Через несколько поколений преимущество получают потомки более приспособленных организмов. Вполне понятно, что такой процесс может происходить лишь в том случае, если полезные признаки передаются по наследству.
Эволюция предполагает появление новых признаков, и они приобретаются организмами. А это значит, что в наследственности возможны вариации. Возникают они в виде так называемых мутаций - стойких изменений в генах и хромосомах, изменений, которые выделяют организм из остальных, делают его непохожим, "чужим" среди других, подобных ему.
Для живых существ, как это показывают наблюдения и опыты, эти новые мутации могут быть полезными, вредными или нейтральными. Генетики и селекционеры стараются воспользоваться полезными мутациями и нередко сами создают их. И в то же время стремятся избавиться от вредных или ненужных изменений в наследственности.
- Из всего вами сказанного явствует, что на современном уровне генетики человек уже может воздействовать на наследственность, создавать такие виды животных и растений, которые ему необходимы и которых недостает в природе. Какими же путями идет генетика и селекция в сельском хозяйстве и каковы уже достигнутые результаты?
- Ученые-селекционеры, как правило, не ставили перед собой цели создавать новые виды растений, их основная задача - улучшать уже существующие, разрабатывать высокоурожайные сорта. Генетика стала научной основой селекции, многие ее экспериментальные и теоретические разработки привели к целому ряду скачков в производительности домашних животных и культурных растений.
В настоящее время выращивается более 4800 сортов и гибридов различных сельскохозяйственных культур, в том числе почти 2800 сортов различных полевых культур, в подавляющем большинстве хорошо приспособленных к возделыванию в местных почвенно-климатических условиях различных зон.
Они дают высокие урожаи и ценную по качеству продукцию.
Многие из этих сортов - результат работы ученых-генетиков.
И можно с полной уверенностью сказать, что в ближайшем будущем ожидаются более высокие достижения.
Нельзя забывать и такой факт, как изменение агротехники и введение механизации. Это, как ни покажется вам странным на первый взгляд, тоже создает новые требования к сортам, такие, как устойчивость против осыпания, неполегаемость у хлебов, у хлопчатника - определенное расположение коробочек, у кукурузы - определенная высота прикрепления початков и многое другое. Учитывать все это при выведении нового сорта - задача нелегкая, но необходимая.
И сейчас, когда многие законы наследственности уже познаны, ученым чаще всего не приходится работать на ощупь, как это было раньше. Они уже заранее видят, какое потомство получат от двух разных родителей. Выведение нового сорта идет 351 не наугад, а целеустремленно, и вследствие этого результаты получаются намного быстрее. Короче говоря, человек научился ускорять процесс эволюции. Природа улучшала какой-либо признак растения за тысячи лет. Человек сократил этот процесс в сотни раз. Скажите, разве это не фантастично, что человек научился направлять развитие организма в нужную для него сторону, "реконструировать" наследственность?
- Скажите, ну а каким же путем получается все это многообразие новых сортов?
- Еще совсем недавно для выведения нового сорта пшеницы чаще всего скрещивали различные географически удаленные формы. Сегодня же все чаще новые сорта получают с помощью мутаций - тех изменений, на которых строится эволюция. Использование мутационной формы кукурузы, которая резко повысила в зерне уровень для питания животных аминокислоты - лизина, привело к новой революции в возделывании этого растения.
Мы являемся свидетелями коренных переделок генетической природы растений. Эти переделки получили название "зеленых революций". У нас в стране после знаменитых работ В. Пустовойта с подсолнечником успешно переживают "зеленую революцию" пшеница, кукуруза, сахарная свекла и другие растения. По Мексике, Индии, Филиппинам и по ряду других стран триумфально шествует "зеленая революция" по возделыванию риса и пшеницы. Это было достигнуто путем использования мутации карликовости, при котором энергия роста переключается на развитие колоса. В Индии, например, получен замечательный сорт пшеницы после воздействия на зерно радиацией.
Широкое развитие получили методы искусственного вызывания мутации под влиянием радиации и химических соединений. Более 100 радиационных сортов растений уже вошло в производство и стало достоянием сельскохозяйственной практики. И хотя мы пока еще не всегда можем сказать с полной определенностью, какой из видов воздействия принесет ожидаемый результат, то, что уже достигнуто, - большой успех.
Мы уже в состоянии, используя факторы внешней среды, вмешиваться в химическую структуру генов, можем вызывать в любом нужном нам количестве мутации генов и хромосом.
Этим по-новому решается проблема исходного материала для селекции. И, лишь пройдя строгую селекцию, а в ряде случаев и пройдя через скрещивание, они могут положить начало новым сортам особо высокой урожайности.
И если вспомнить один из вопросов, о которых я говорил в самом начале нашей беседы, то есть о том, возможно ли будет в ближайшем будущем получать с одного гектара по 100 центнеров пшеницы, то сегодня мы уже с уверенностью можем сказать, что такая урожайность - вещь реальная.
До последнего времени среди озимых сортов сильных пшениц выделялся сорт "безостая-1", полученный после сложной гибридизации с привлечением русских и аргентинских пшениц.
Но не так давно впервые были районированы новые сорта озимой пшеницы "аврора" в Краснодарском крае, "кавказ" - для посева на богаре и при орошении в Краснодарском крае, Николаевской и Одесской областях, в Дагестанской АССР.
Эти сорта выведены дважды Героем Социалистического Труда академиком П. П. Лукьяненко с коллективом селекционеров в Краснодарском научно-исследовательском институте сельского хозяйства. Так вот, эти сорта при возделывании на высоком агротехническом фоне дают невиданный урожай до 100 цент; неров с гектара.
- Николай Петрович, все, о чем вы сейчас рассказывали, касалось в первую очередь растений. А как обстоит дело с животноводством? Сегодня партия и правительство, как известно, уделяют большое внимание развитию животноводства на промышленной основе. В стране развернуто строительство крупных животноводческих комплексов. Может ли чем-нибудь помочь в этой области генетика, ведь, насколько я понимаю, наследственная информация животных гораздо сложнее, чем у растений?
- Проблема эта действительно не из легких. Однако мы все прекрасно знаем, что решать ее надо как можно скорее.
И, только соединив воедино генетику и селекцию, можно получить тот сплав наук, который обеспечит нужный для человечества громадный рост пищевых и технических ресурсов.
Население земного шара растет исключительно интенсивно.
Через каких-нибудь 30 лет на нашей планете будет жить около 7 миллиардов человек, то есть в два раза больше, чем в наше время. Но, как показывают современные тенденции развития, количество пахотной земли на человека уменьшится в 2 раза, да и не увеличится, естественно, и площадь для выгула скота. Роль же животного белка в пище человека исключительно велика. Общая потребность в белках за сутки равна примерно 70 граммам, из которых около половины должно быть животным белком высокой биологической ценности.
И поэтому вполне понятно, что просто необходимо поднять производительность и качество не только сортов растений, но и пород животных. Этот фактор сыграет выдающуюся роль при регуляции роста пищевых ресурсов на нашей планете. И основная задача ближайшего будущего зоотехники сводится к созданию промышленных гибридов, пород-популяций и чистых пород, состоящих из животных таких генотипов, которые при соответствующем кормлении и содержании производили бы больше продуктов. То есть нам необходимы породы, приспособленные к развитию животноводства на промышленной основе.
- Значит, если я правильно вас понял, промышленное животноводство и птицеводство требуют не простых, а специально выведенных для таких условий пород?
- Да, именно так. Процесс индустриализации таких важных отраслей животноводства, как птицеводство, молочное скотоводство, свиноводство, требует селекции на приспособление их к существованию в необычных для них условиях и на приспособление к ряду новых производственных процессов. Механизация дойки, например, уже вызвала необходимость селекции по таким признакам, как скорость молокоотдачи и форма вымени, обеспечивающим нормальное доение и предотвращение мастита.
Обычно на создание пород сельскохозяйственных животных требуются десятки лет. Генетика уже нашла пути достижения радикальных результатов в товарном животноводстве за сравнительно короткое время. Наиболее ярко это выразилось при использовании генетических методов получения промышленных гибридов.
Мне кажется, что будущее товарного животноводства в основном будет состоять в использовании гетерозисных гибридов и гибридов комбинационной производительности. Генетикам предстоит решить очень трудную задачу выбрать из огромного генетического материала наиболее ценные группы генотипов, чтобы использовать их для прогресса пород и гибридов сельскохозяйственных животных.
Замечательные перспективы открываются и в решении вопроса о получении желательного пола у потомков. В этом случае задача состоит в регуляции хода наследования половых хромосом. Решение вопроса самым решительным образом скажется на развитии животноводства.
Усилиями генетиков и звероводов за каких-нибудь 10-15 лет выведено около 30 мутантных форм норки, имеющей целую палитру окраски. Не менее интересных результатов добились и от скрещивания лисиц различной окраски.
Можно привести еще немало примеров, когда человек, взяв на вооружение достижения генетики, добивался поистине фантастических результатов как в растениеводстве, так и в опытах с животными. Как-то мне попался на глаза рассказ Эрика Рассела "Вы вели себя слишком грубо"! Не вдаваясь в сюжет этого рассказа, скажу только, что один из его героев, захотел приобрести "голубого носорога в семнадцать дюймов длиной и весом не больше девяти фунтов". И, несмотря на то, что рассказ этот фантастический, можно прямо сказать, описанное в нем очень недалеко от того, что будет возможно через несколько десятков лет. И я говорю это совершенно не потому, что рассказ этот понравился мне. Просто я опираюсь на современные достижения генетики и предвижу на основе этого ее дальнейшее развитие и возможности.
- Николаи Петрович, несколько раньше вы говорили о генетике микроорганизмов. Что это такое и зачем нужно заниматься генетическими опытами с этими мельчайшими живыми существами?
- Успехи генетики имеют огромное значение и для создания новой отрасли биологической индустрии, связанной с промышленным использованием микроорганизмов. Различные микроорганизмы и вирусы встали в центр внимания фундаментальной генетики, когда наступила эпоха молекулярной биологии.
Наследственность и изменчивость этих форм являются сегодня предметом глубокого изучения. Используя новые методы, селекция нужных форм микроорганизмов достигла небывалой высоты. Это облегчено также и тем, что при селекции микробов можно использовать миллионные и миллиардные популяции, что резко увеличивает эффективность селекции.
Вот вы спрашиваете, зачем нужно работать с такими мельчайшими организмами, какая от них польза. А ведь метод получения мутаций с помощью радиации и химических соединений стал основным в получении высокоэффективных продуктов целого ряда ценнейших лекарственных, пищевых и других веществ. Вспомните, когда был открыт пенициллин, его стоимость в буквальном смысле была выше золота. Теперь, после получения ценных мутантов, резко повысивших выход пенициллина на единицу питательной среды, в которой живут грибки, это лекарство стало доступно каждому.
Или же вот другой пример. Аминокислота лизин - важнейший компонент пищи животных и человека. Сейчас создается крупная микробиологическая промышленность по производству лизина. И это оказалось возможным только после работы генетиков, в экспериментах которых была получена форма клеток бактерий, которая выделяет в среду в пятьсот раз больше лизина по сравнению с обычными, "дикими" бактериями. Громадные перспективы для микробиологического синтеза белков открывает использование простых углеродов нефти и газа. И в этой работе решающую роль также играют методы новой генетической селекции.
Если немного пофантазировать, то можно увидеть совершенно необычный путь для приготовления белков. Сейчас для достижения этой цели в ход идет биомасса всем знакомых дрожжей. Но представьте себе производство будущего, где в промышленных масштабах налажена "сборка" генов, управляющих синтезом белков. Тогда столь ценный продукт не трудно будет получать в любых разновидностях и любых количествах.