12.03.2015 | Наука

Генетика в царстве живого

По сути дела с Менделем в биологию пришла методология точных наук.

Нам сейчас уже трудно представить, как выглядела биология (или, точнее, «естественная история» – область знания, включавшая в себя то, что мы сегодня называем биологией, геологией, физической географией, метеорологией и т. д.) до прихода генетики. Все эти науки были (согласно классификации, предложенной и вошедшей в моду как раз между открытием и переоткрытием законов Менделя) сугубо идеографическими или, если использовать менее строгую, но более привычную терминологию, – описательными. Большинству тогдашних натуралистов мысль о том, что в живой природе могут действовать законы столь же строгие, как законы небесной механики или оптики, просто не приходила в голову. И даже тем немногим отважным умам, которые рассматривали такую возможность (как, например, Гете), она казалась ложным путем, уводящим прочь от действительного понимания живой природы. Хотя едва ли не каждый крупный натуралист того времени провозгласил хотя бы один «закон», эти «законы» (большинство которых сегодня помнят только историки науки) не устанавливали никаких строгих количественных соотношений, а число исключений обычно было таким, что только энтузиазм авторов позволял видеть в этом многообразии хотя бы какое-то правило или принцип.

Такое знание волей-неволей было феноменологическим: ученые могли сказать что-то определенное только о тех структурах, явлениях и признаках, которые можно было наблюдать непосредственно; в лучшем случае – о том, что между некоторыми из них имеется какая-то связь.

Судить о механизмах, создающих ту или иную наблюдаемую картину, «естественная история» не могла – хотя в ней в ту пору не было недостатка в умозрительных теориях, оперировавших столь же умозрительными понятиями. Но из этих теорий невозможно было сделать выводы, поддающиеся проверке в наблюдении или эксперименте. В огромном беспорядочном скоплении разнородных данных, известных к тому времени науке, можно было найти «фактические подтверждения» чему угодно: от охватывающего все мироздание неуклонного движения от простого к сложному до столь же неуклонного вырождения человеческого рода; от телегонии (представления о том, что первый половой партнер самки может передать свои признаки ее потомству от других самцов) до самозарождения микробов из неживой органики; от полной невозможности превращения одного вида в другой до скачкообразного возникновения новых типов и классов за одно поколение. Выбор той или иной теории был для исследователя исключительно вопросом веры, мировоззрения или эстетических вкусов, поскольку на его работу этот выбор никак не влиял.

На этом фоне первые же результаты генетики выглядели не просто новаторством, но полным разрывом с предшествующей «натуралистической» методологией. Дело было не только в том, что объектом интереса генетики вместо «общего облика», «конституции», «типа» и тому подобных расплывчатых понятий стал отдельный признак – четкий, дискретный, хорошо различимый, а метод исследования предполагал скрупулезный подсчет числа носителей каждого из вариантов этого признака. Все это, конечно, контрастировало с типичным натуралистическим подходом, но все же не было совсем уж беспрецедентным: такие работы время от времени появлялись. Как показали последующие исследования историков, опыты, подобные опытам Менделя, многократно проводились и до него, и целый ряд его предшественников добросовестно подсчитывал число носителей альтернативных признаков в потомстве. Кое-кто даже заметил, что их доли тяготеют к простому соотношению 3:1. И если основоположником генетики мы называем именно Менделя, то потому, что он сделал следующий шаг: предложил модель механизма, обеспечивающего именно такое наследование признаков. И тем самым ввел в рассмотрение «скрытые переменные» – факторы, которые невозможно наблюдать непосредственно, но о которых можно судить по их действию на организм и проверять эти суждения экспериментально. По сути дела с Менделем в биологию пришла методология точных наук.

В XIX веке противоречие между подходом Менделя и когнитивным стилем «естественной истории» стало, вероятно, одной из главных причин тотальной глухоты современников к одному из важнейших открытий за всю историю биологии . Треть века спустя, при втором пришествии генетики та же самая ее особенность обеспечила ей невероятную популярность среди молодых ученых. Генетика превратилась в идейное знамя «новой биологии», в образец, по которому предлагалось перестроить всю науку о живом. Сделать это «с наскока», разом отправить на свалку все представления и методы биологии XIX века (как это намеревались сделать энтузиасты-неофиты), к счастью, не удалось. Но именно под этим знаменем и под влиянием этого образца биология в течение всей первой половины хх века трансформировалась из науки описательной и качественной в науку преимущественно экспериментальную и количественную. Причем практически до конца этого процесса ген оставался понятием чисто теоретическим, а его материальная природа – неизвестной (несмотря на то, что уже в 1903 году было сформулировано и в течение нескольких последующих лет доказано предположение о локализации генов в хромосомах). Связать гены с нуклеиновыми кислотами удалось только в 1944 году.

Триумфальным финалом этого победного похода – и едва ли не главным открытием всей биологии ХХ века – стало открытие структуры ДНК и последовавшие за ним выяснение механизма синтеза белка и расшифровка генетического кода. Ген обрел плоть, воплотился в конкретные молекулы. Стало возможным даже выяснить его тонкую структуру – что и было сделано в редких по изяществу опытах Сеймура Бензера, выполненных как раз тогда.

Парадоксальным образом именно в это время своего наивысшего триумфа генетика как таковая словно бы исчезает как актуальная научная дисциплина. У нее словно бы не осталось собственных фундаментальных проблем: основные принципы и закономерности передачи наследственных признаков от поколения к поколению нам уже известны, а подробностями тех механизмов, которые обеспечивают именно такое, а не другое наследование, занимаются либо дочь и преемница генетики – молекулярная биология, либо частная генетика той или иной группы . Генетическая теория, достигнув внутренней согласованности и законченности, полностью переселилась в школьные учебники и вузовские курсы – никем не оспариваемая, но никем и не развиваемая. «Генетике домолекулярного периода, со всеми ее подходами, основанными на скрещиваниях и теории вероятностей, был присвоен почетный титул «классическая генетика». И с этим титулом ее как бы отправили в почетную же отставку» – пишет современный российский генетик Олег Костерин.

Разумеется, понятия и методы классической генетики никуда не делись, они успешно работают в ряде специальных и прикладных дисциплин: частной генетике тех или иных конкретных групп организмов, популяционной и эволюционной генетике, генетике культурных пород и сортов (на которой основана сегодня вся селекционная работа), медицинской генетике и т. д. Целый ряд ключевых понятий классической генетики («ген», «мутация», «фенотип» и т. д.) стал центральными понятиями всей современной биологии, включая традиционные, «естественно-исторические» дисциплины – ботанику и зоологию. Буквально в последние десятилетия генетическое мышление победно вторглось в филогению и систематику – и сегодня ни один приличный научный журнал не примет работу, посвященную выяснению родственных связей той или иной группы организмов и ее места и ранга в системе, если в ней не приводятся результаты сравнения хотя бы каких-то генетических «текстов». Уже в нашем веке генетический подход коснулся даже палеонтологии, где генетике, казалось бы, делать вовсе нечего: гены не оставляют следов  в окаменелостях. Тем не менее сегодня для целого ряда вымерших существ (разумеется, только плейстоценовых, т. е. живших десятки – первые сотни тысяч лет назад, причем в основном в весьма холодном климате) прочитаны полные геномы, и уже есть прецеденты выделения новых ископаемых форм на основе исключительно генетических исследований.

Внимательный читатель, правда, заметит, что эти успехи стали возможными только после того, как генетические тексты стали доступны для непосредственного изучения, т. е. ген из теоретической абстракции превратился в непосредственно наблюдаемый и подлежащий анализу признак. Тем не менее невозможно не признать, что в основе мышления современных биологов лежит именно генетический подход. В глазах многих энтузиастов (а в значительной степени – и в глазах широкой публики, по крайней мере, просвещенной и любознательной ее части) вообще вся биология – от взаимодействия вируса с бактериальной клеткой до нейрофизиологической основы высших психических функций – предстает как наука о процессах копирования, хранения, передачи, перекодирования, изменения и реализации генетической информации .

О таком взгляде на сущность жизни и о его издержках мы поговорим подробнее в другом материале нашей темы. Сейчас отметим лишь, что он безусловно правомерен (если, конечно, не считать его единственно возможным), и попробуем оценить наши успехи в понимании этих процессов. Классическая генетика дала нам представление о том, как гены передаются от поколения к поколению, комбинируются, изменяются. Молекулярная биология добавила к этому знание о механизмах их переписывания, редактирования, перекодирования и о первых шагах реализации – воплощения заключенной в них информации в белковые молекулы с определенной функцией. А как же все-таки она воплощается в целостный организм?

...В 1925 году выдающийся советский биолог Александр Любищев в статье «О природе наследственных факторов» (в огромном творческом наследии Любищева это едва ли не единственная работа, специально посвященная генетике) выдвинул утверждение, что понимание процесса передачи наследственной информации – только одна из двух главных составляющих понимания наследственности. Вторая, не менее важная – понимание процесса осуществления этой информации в ходе онтогенеза. То есть именно того, каким образом тот или иной ген влияет на форму цветка, число мушиных крыльев или пол будущего организма.

Проницательности Любищева можно только позавидовать: ведь в ту пору, как уже говорилось, ген представлялся чистой абстракцией, о путях влияния генов на конечные признаки биология не знала практически ничего. Что, впрочем, и не мудрено: методы и инструменты тогдашней науки просто не позволяли проследить эти пути. «Программа Любищева» оказалась невостребованной на много десятилетий. Только становление молекулярной биологии позволило перейти от изучения процессов хранения, копирования, изменения и переноса наследственной информации к изучению ее реализации. Сегодняшние методы и приборы позволяют выяснить, как ген работает, насколько он активен, в каких именно тканях и в какое время, чем регулируется его работа, что будет, если искусственно усилить или ослабить его действие. Причем это можно проследить не только во взрослом организме, но и – что, может быть, самое интересное – в живом, развивающемся эмбрионе.

И тут перед учеными разверзлась бездна.

Мы помним, что характерной особенностью генетического подхода, во многом предопределившей его плодотворность, было то, что он имел дело с дискретными явлениями. Дискретными, существующими лишь в двух четко отграниченных друг от друга формах были признаки, выбранные для анализа Менделем, а позже – переоткрывателями его законов. Дискретными, наследуемыми (а чаще всего и проявляющимися) по принципу «все или ничего» были и постулированные Менделем «наследственные факторы» – гены и их версии – аллели. Дискретными оказались и изменения генов – мутации. После открытий молекулярной биологии ген обрел плоть и внутреннюю структуру, но это не изменило его дискретной природы – составляющие его элементы-нуклеотиды оказались столь же дискретными. Более того: выяснилось, что гены устроены как самые настоящие тексты – линейные, состоящие из отдельных «букв» и имеющие однозначное «прочтение». Дополнительно облегчало работу то, что набор генов – геном – не менялся в течение жизни индивидуума и был одинаков в каждой его клетке (за немногими исключениями).

При переходе же к изучению проблемы реализации генетической информации ученые попали в совершенно другой мир. Вместо линейного и стабильного текста – трехмерный, развивающийся во времени организм. Вместо четкой иерархии и однозначных алгоритмов – сложный и прихотливый баланс синтеза-распада, конкуренция альтернатив. Вместо максимальной автономии от внешней среды – гибкие многоуровневые механизмы реагирования и адаптации.

И в центре этой умопомрачительно сложной картины – гены. Те самые, казалось бы, хорошо знакомые, но ведущие себя совершенно непривычным образом. Да, сами они остаются одними и теми же во всех клетках и во все периоды жизни, их текст нарушается только случайными опечатками-мутациями. Но при этом в каждой клетке и в каждый конкретный момент они ведут себя по-разному. С одних непрерывно снимаются «рабочие копии» – матричные РНК, немедленно используемые для синтеза белковых молекул. Другие словно напрочь выключены из этого процесса, они «молчат» годами. Активность одних увеличивается, других – уменьшается, у третьих – меняется самым причудливым и непредсказуемым образом. Есть гены, которые активны (причем в строго определенных тканях) только в течение краткого периода эмбрионального развития – иногда буквально в течение считанных дней. Другие работают – когда интенсивнее, когда слабее – в течение всей жизни, но считываемый с них белок в разные периоды жизни выполняет совершенно разные функции. Наконец, все это оказалось связано сложнейшей и запутанной системой регуляции. Чуть ли не каждый седьмой ген кодирует белок, единственное назначение которого – усиливать или ослаблять активность других генов. Еще больше генов, производящих различные детали для межклеточных систем связи: сигнальные белки, рецепторы к сигналам, белки, взаимодействующие с рецепторами, и т. д. И это – не считая тех участков генома, которые сами не кодируют никаких белков, но тем или иным образом регулируют активность кодирующих участков или влияют на нее.

Конечно, сложность открывающейся картины сама по себе не стала для биологов неожиданностью: механизмы, надежно обеспечивающие развитие и функционирование такой сложнейшей системы, как высокоразвитый многоклеточный организм, неизбежно должны сами быть невообразимо сложными. Хуже оказалось то, что весь великолепный понятийно-теоретический аппарат классической генетики, наработанный и отлаженный за десятилетия ее победоносного развития и ставший неотъемлемой (и часто неосознаваемой) частью мышления генетиков и молекулярных биологов, оказался совершенно неадекватным для этой новой области исследований. Это хорошо видно хотя бы по неофициальным названиям отдельных генов, широко использовавшимся в ранний период функционально-генетических исследований: «ген альтруизма», «ген лени», «ген религиозности», «ген любви к матери», «ген устойчивых отношений», «ген щедрости», «ген ума» (он же «ген слабоумия»), «ген торговых способностей» и т. д. Конечно, значительная часть этих хлестких названий – на совести журналистов, пытавшихся объяснить широкой публике, чем это таким занимаются на ее деньги ученые. Стараясь избежать таких эффектов, сами исследователи предпочитают говорить о генах, ассоциированных с определенной функцией, склонностью к такой-то болезни (или наоборот устойчивостью к ней) и т. д. Однако, например, целый ряд вполне нормальных и абсолютно необходимых нашему организму генов вполне официально именуются «протоонкогенами» – как будто их основная функция состоит в том, чтобы в один прекрасный день запустить злокачественное перерождение клетки. На самом деле это в основном гены, нормальная работа которых как раз препятствует такому перерождению: кодируемые большинством из них белки так или иначе участвуют в регуляции клеточного деления (т. е. в механизмах, не позволяющих клетке неограниченно делиться) или в поддержании целостности генома, т. е. в выявлении и исправлении мутаций. Начало же смертоносным опухолям дают клетки, у которых в результате мутаций эти гены (по крайней мере, значительная часть их) выведены из строя. Но не могли же исследователи механизмов канцерогенеза назвать свой объект «гены нормального функционирования клетки»!


Источник: «Знание – сила» № 3, 2015,