Книга познакомит вас с удивительными достижениями науки о жизни за последние 20—25 лет.
Успехи эти имеют отношение к разгадке двух величайших тайн природы, волновавших человечество на протяжении всей его истории. Первая из них — причины великого многообразия органического мира. Человек постоянно наблюдал вокруг себя огромное число видов растений и животных. Количество известных видов животных превышает миллион, а сколько видов растений, микробов населяет нашу планету!
Люди долго не могли понять, что определяет такое многообразие форм проявления жизни.
При изучении животных, растений и микробов было установлено, что по общности и различию признаков все живые существа можно подразделить на определенные группы: виды, роды, отряды, семейства.
Эта системность живой природы, ее упорядоченность, сочетающаяся с разнообразием форм, заставила ученых предположить, что в организмах существует механизм наследственности, обеспечивающий сохранение признаков, характерных для каждой группы организмов и обусловливающий различия между отдельными группами.
С проявлениями наследственности мы сталкиваемся в повседневной жизни, когда видим сходство между родителями и детьми, которое касается не только физических, но часто и интеллектуальных признаков.
Человеческий ум упорно пытается познать, как обеспечивается преемственность между родителями и потомством, т. е. расшифровать механизм наследственности.
Не менее таинственным был и второй вопрос, — как меняются свойства организмов и почему в пределах одного и того же вида отдельные индивидуумы отличаются друг от друга.
В ходе поиска ответов на эти вопросы возникла специальная отрасль биологической науки — генетика, изучающая механизмы наследственности и изменчивости организмов.
Возникновение генетики как науки и ее поразительные успехи в последние два десятилетия тесно связаны с развитием и прогрессом естествознания в целом.
Генетика сегодняшних дней развивается. в содружестве с такими биологическими дисциплинами, как цитология (наука о строении клетки), микробиология, вирусология, биохимия и биофизика. Прогресс этих наук в значительной степени определил возможность познания законов изменчивости и наследственности организмов на молекулярном уровне, позволил выяснить химическую природу и физическую организацию гена, т. е. ответить на вопрос, что же такое ген и каким образом он определяет наследственный признак организма.
Это оказалось возможным лишь после того, как детально были изучены строение и деятельность клеток животных, бактерий и вирусов. Генетические идеи сегодняшнего дня нельзя понять без знакомства с основными принципами организации и функционирования этих организмов.
Путь к познанию основных законов наследственности, который пришлось пройти науке, начинается с периода, когда стало ясным, что органы и ткани состоят из клеток. В 1831 году английский ботаник Браун открыл ядро, постоянную и неотъемлемую часть клетки. Прошло около двадцати лет, пока стало ясно, что и ядро клетки сложно организовано.
Величайшим достижением биологии прошлого века было открытие в ядрах делящихся клеток окрашивающихся телец-хромосом, которые претерпевают сложные и удивительные превращения в процессе деления клетки. В конце XIX века было показано, что при обычном делении клеток количество хромосом в них удваивается, а затем они отделяются друг от друга, и в ядро новой клетки попадает точно такое же число хромосом, какое было в исходной.
Но еще более удивительным оказалось, что при делении половых клеток количество хромосом уменьшается ровно вдвое. Когда же происходит оплодотворение, то есть слияние мужской и женской клеток, восстанавливается нормальное число хромосом, которое характерно для каждого вида животного или растения.
Поразительная стабильность числа хромосом в ядре клетки, способность их к удвоению в ходе обычного деления (митоза), уменьшение их числа ровно вдвое в половых клетках и восстановление полного набора в оплодотворенных — все это привлекло (пристальное внимание ученых. Было установлено, что эти легко красящиеся тельца, обнаруживаемые в ядрах, и есть те структуры клетки, которые обусловливают сходство между поколениями. А их изменение приводит к изменению наследственных свойств организма. Необходимо было выяснить, что в хромосоме, какая ее часть контролирует наследственные признаки организма.
Это был путь ошибок, заблуждений и новых исканий. Перед учеными возникла необходимость выбора между белком и дезоксирибонуклеиновой кислотой — основными химическими частями хромосомы. Первый «натиск» исследователей был направлен на белки. Еще Мульдeр в 1838 году назвал белки протеинами от греческого слова «протейос», что означает первый. Он подчеркнул этим первостепенное значение белков в живой природе. В дальнейшем стало известно, что все процессы в клетке осуществляются при участии специальных белков — биологических ускорителей реакций (ферментов). Белки оказались фундаментом любого организма. Очевидно было также, что многие изученные белки, извлеченные из разных организмов, отличаются друг от друга. Не удивительно, что первые попытки выяснить химический субстрат хромосомы, который определяет ее генетическую функцию, были связаны с изучением белков. Однако поиски в этом направлении не привели к успеху.
Носителем наследственных свойств организма оказалась дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Это вещество было известно задолго до открытия его генетической функции. Знали, что это соединение входит в состав хромосом, но никто не подозревал, что в нем заложена одна из величайших тайн природы — тайна наследственности. Истина была установлена не на генеральном направлении исследований, то есть при изучении хромосом клеток растений и животных. Она была найдена на одной из боковых троп биологической науки: при изучении отдельного вопроса — изменчивости бактерий.
Ученые поставили перед собой скромную задачу — объяснить результаты старых опытов английского исследователя Гриффитса, которому удалось превратить один тип пневмококка (возбудителя крупозной пневмонии — воспаления легких) в другой. Такое превращение происходило, если один тип пневмококка, не обладающий капсулой, размножался в присутствии клеток другого, капсульного типа, но убитого нагреванием. Этот факт был твердо доказан еще в 1928 году. Однако только в 1944 году удалось объяснить, почему это происходит: оказалось, что ДНК, выделенная из клетки одного микроба и введенная в клетку другого, придавала второй бактерии наследственные признаки первой.
Таи впервые было доказано, что ДНК является химическим компонентом клетки, определяющим ее наследственные признаки. Теперь мы знаем, как своеобразие химического строения и физической организации гигантских молекул нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) обеспечивает эту поистине удивительнейшую способность.
Выяснение роли нуклеиновых кислот как химических основ наследственности открыло перед наукой широкие горизонты.
Нельзя ли изменить строение этого вещества и таким путем изменять наследственные признаки клетки? Да, во многих случаях человек способен уже сейчас контролировать характер тех изменений, которые наступают в ДНК под влиянием различных внешних факторов. Например, изменение наследственных признаков микроорганизмов под влиянием такого вещества, как гидроксиламин, обусловлено способностью этого соединения вступать в реакцию с одним из четырех азотистых оснований, входящих в состав ДНК: с цитозином. Иное вещество действует на другое основание — тимин. Известны и еще химические и физические факторы, воздействующие на отдельные «строительные блоки», из которых построена огромная молекула ДНК. Ученые сейчас знают не только, что и как действует на ДНК, но и какие изменения в ее структуре при этом происходят.
Можно надеяться, что изучение факторов внешней среды, реагирующих лишь с определенными элементами ДНК, приведет к осуществлению заветной мечты человечества: изменению организмов в нужном для человека направлении.
На пути окончательного решения этой проблемы много трудностей. Мало знать, на что в ДНК действует фактор среды, необходимо направить это действие именно на тот участок гигантской молекулы, где записана информация признаков, которые мы хотим изменить. Приведем пример.
Известно, что микробы, вызывающие болезнь, могут терять свои болезнетворные свойства. Тогда, попадая в организм человека или животного, они вызывают у него невосприимчивость к данной болезни. Эти ослабленные, не болезнетворные разновидности микробов называются вакцинами.
Однако как получить вакцину? Как заставить микроб потерять свою болезнетворность, но сохранить способность предохранять от заболевания? До сих пор этот вопрос в каждом отдельном случае решается эмпирически. Ученые действовали на болезнетворный микроб самыми различными способами, а затем среди его потомков искали таких, которые изменились в необходимом направлении.
Иногда это завершалось успехом, но часто поиски оказывались тщетными. Теперь для рациональных поисков вакцины закладывается прочный научный фундамент. Исследователи ищут, какие наследственные признаки микроба обеспечивают его способность вызывать заболевание, с синтезом каких белков это связано, какая генетическая информация контролирует эти признаки и как воздействовать на ДНК микроба, чтобы изменить данный признак, оставив без изменения способность вызывать невосприимчивость! Это новый путь, на который сейчас вступают поисковые отряды микробиологов-генетиков. И не будет преувеличением полагать, что, идя по этому пути, ученые добьются победы.
Есть и обратная, но не менее важная задача. Это — предотвращение случайных изменений наследственных признаков организмов, в частности микробов, которые могут наступить под влиянием различных факторов среды без вмешательства экспериментатора. Часто такие изменения, или, как принято говорить, спонтанные мутации, весьма нежелательны, а порой и очень вредны.
Поучителен в этом отношении опыт применения для лечения заразных болезней антибиотиков. После их внедрения в лечебную практику появились больные, у которых возбудитель данной болезни оказывался нечувствительным к действию антибиотика. По всем другим свойствам такие устойчивые микробы не отличались от обычных и, что самое страшное, вызывали такое же заболевание.
Какова причина возникновения этих микробов? Как преодолеть или предотвратить появление у них устойчивости к лекарственному веществу? Генетика объяснила, что нечувствительные к антибиотикам микробы возникают в результате случайного изменения их наследственных признаков. Эти изменения связаны с нарушением нормальной информации, закодированной в их ДНК. В лабораториях ученых был воспроизведен процесс получения антибиотико-устойчивых форм микробов. Стоит облучить ультрафиолетовыми лучами чувствительную культуру микроба или подействовать на нее, например, обычной перекисью водорода, небольшими концентрациями азотистой кислоты и др., как в ней обнаруживаются клетки, на которые лекарство не действует.
Оказалось, что и в организме человека или животного могут произойти подобные же явления. Правда, количество таких измененных клеток относительно невелико, но если они сформировались, то их потомство уже не будет погибать при воздействии антибиотиком. Если в организм здорового человека попадает такой микроб, то человек заболевает и лекарства уже не помогут.
Но если бы человек научился предотвращать нежелательные изменения наследственной информации микроба, то сложная задача лечения заразных болезней значительно упростилась бы. Уже сейчас ясно, что существуют средства, которые можно назвать антимутагенными: они предохраняют ДНК от изменений и этим сохраняют в неизменном виде записанную в ней информацию.
Идея об антимутагенезе возникла относительно недавно и пока не получила широкого развития, но возможно, что в будущем антимутагены сослужат человеку большую пользу. Однако и в настоящее время медицина нашла способ преодолеть трудности, созданные природой. Оказалось, что устойчивость к одному антибиотику, как правило, не сопровождается устойчивостью к другому. Медицина располагает различными антибиотиками, используя которые, удается найти уязвимое место микроба, даже если он устойчив к одному из лекарств.
Важнейшее следствие, вытекающее из открытия генетической роли нуклеиновых кислот, — расшифровка механизмов тяжелых инфекционных заболеваний, вызываемых вирусами. Гибель клеток организма при этом связана с проникновением в них не целого вируса, а лишь его нуклеиновой кислоты. Нуклеиновая кислота приносит в клетку чуждую ей наследственную информацию, жизненные процессы клетки резко изменяются, там образуются необычные белки — и клетка гибнет.
Сейчас твердо доказано: многие неинфекционные заболевания человека обусловлены наследственными изменениями. Например, тяжелые дефекты зрения, диабет, базедова болезнь, заболевания крови несомненно связаны с изменениями з хромосомах человека. Это создает предпосылки для разработки рациональных методов предупреждения этих болезней и для их лечения.
Итак, многое уже сделано, но еще больше предстоит сделать. Совершены фундаментальные открытия, которые, безусловно, повлияют на все последующее развитие биологии, медицины и сельского хозяйства. Познание явления — первый шаг на пути к управлению им. Вскрыты многие механизмы наследственности и изменчивости, роста и деления клеток, молекулярные механизмы синтеза белков, вирусных и наследственных болезней. Недалеко время, когда человек подчинит себе эти процессы и научится ими управлять. Это значит, что многие тайны природы, еще не расшифрованные учеными, будут разгаданы, и среди них, конечно, окажется проблема рака, не поддающаяся пока усилиям исследователей.