4.3.4. Биология XX века: познание молекулярного уровня жизни. Предпосылки современной биологии.

Современная биология основывается на тех достижени­ях, которые были сделаны в этой науке во второй половине

XIX века: создание Ч. Дарвином эволюционного учения, основополагающие работы К. Бернара в области физиоло­ гии, важнейшие исследования Л. Пастера, Р. Коха и И.И. Мечникова в области микробиологии и иммунологии, работы И.М. Сеченова и И.И. Павлова в области выс­ шей нервной деятельности и, наконец, блестящие работы Г. Менделя, хотя и не получившие известности до начала

XX века, но уже выполненные их выдающимся автором. XX век явился продолжением не менее интенсивного

прогресса в биологии. В 1900 году голландским ученым-биологом X. де Фризом (1848-1935), немецким ученым-ботаником К.Э. Корренсом (1864-1933) и австрийским ученым Э. Чермак-Зейзенеггом (1871-1962) независимо друг от друга и почти одновременно вторично были откры­ты и стали всеобщим достоянием законы наследственнос­ти, установленные Менделем.

Развитие генетики после этого происходило быстро. Был принят принцип дискретности в явлениях наслед-

100

ственности, открытый еще Менделем; опыты по изучению закономерностей наследования потомками свойств и при­знаков родителей были значительно расширены. Было при­нято понятие «ген», введенное известным датским биоло­гом Вильгельмом Иогансоном (1857-1927) в 1909 году и означающее единицу наследственного материала, ответ­ственного за передачу по наследству определенного при­знака.

Утвердилось понятие хромосомы как структурного ядра клетки, содержащего дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК) — высокомолекулярное соединение, носитель наслед­ственных признаков.

Дальнейшие исследования показали, что ген является определенной частью ДНК и действительно носителем только определенных наследуемых свойств, в то время как ДНК - носитель всей наследственной информации орга­низма.

Развитию генетики способствовали в большой мере ис­следования известного американского биолога, одного из основоположников этой науки, Томаса Ханта Моргана (1866-1945). Он сформулировал хромосомную теорию на­следственности. Большинство растительных и животных организмов являются диплоидными, т.е. их клетки (за ис­ключением половых) имеют наборы парных хромосом, од­нотипных хромосом от женского и мужского организмов. Хромосомная теория наследственности сделала более по­нятными явления расщепления в наследовании признаков.

Важным событием в развитии генетики стало откры­тие мутаций — возникающих внезапно изменений в на­следственной системе организмов и потому могущих при­вести к устойчивому изменению свойств гибридов, переда­ваемых и далее по наследству. Своим возникновением мутации обязаны либо случайным в развитии организма событиям (их обычно называют естественными или спон­танными мутациями), либо искусственно вызываемым воз­действиям (такие мутации часто именуют индуцированны­ми). Все виды живых организмов (как растительных, так и животных) способны мутировать, т. е. давать мутации. Это явление — внезапное возникновение новых, передаю­щихся по наследству свойств — известно в биологии дав­но. Однако систематическое изучение мутаций было начато голландским ученым Хуго де Фризом, установившим и

101

сам термин «мутации». Было обнаружено, что индуциро­ванные мутации могут возникать в результате радиоактив­ного облучения организмов, а также могут быть вызваны воздействием некоторых химических веществ.

Следует отметить первооткрывателей всего того, что связано с мутациями. Советский ученый-микробиолог Георгий Адамович Надсон (1867-1940) вместе со своими коллегами и учениками установил в 1925 году воздействие радиоизлучения на наследственную изменчивость у грибов. Известный американский генетик Герман Джозеф Меллер (1890-1967), работавший в течение 1933-1937 годов в СССР, обнаружил в 1927 году в опытах с дрозофилами сильное мутагенное действие рентгеновских лучей. В даль­нейшем было установлено, что не только рентгеновское, но и любое ионизированное облучение вызывает мутации.

Достижения генетики (и биологии в целом) за прошед­шее после выхода в свет книги Дарвина «Происхождение видов» время так значительны, что было бы удивительно, если бы все это никак не повлияло на дарвиновскую тео­рию эволюции. Два фактора: изменчивость и наследствен­ность, которым Дарвин придавал большое значение, полу­чили более глубокое толкование.

Итак, дальнейшее развитие биологии и входящей в нее составной частью генетики, во-первых, еще более укрепи­ло дарвиновскую теорию эволюции живого мира и, во-вто­рых, дало более глубокое толкование (соответствующее до­стигнутым успехам в биологии) понятиям изменчивости и наследственности, а следовательно, всему процессу эволю­ции живого мира. Более того, можно сказать, что успехи биологии выдвинули эту науку в ряды лидеров естество­знания, причем наиболее поразительные ее достижения связаны с изучением процессов, происходящих на молеку­лярном уровне.

Молекулярная биология

Прогресс в области изучения макромолекул до второй половины нашего века был сравнительно медленным, но благодаря технике физических методов анализа, скорость его резко возросла.

У. Астбери ввел в науку термин «молекулярная биоло­гия» и провел основополагающие исследования белков и ДНК. Хотя в 40-е годы почти повсеместно господствова-

102

ло мнение, что гены представляют собой особый тип белко­вых молекул, в 1944 году О. Звери, К. Маклеод и М. Мак-карти показали, что генетические функции в клетке выпол­няет не белок, а ДНК. Установление генетической роли нуклеиновых кислот имело решающее значение для даль­нейшего развития молекулярной биологии, причем было показано, что эта роль принадлежит не только ДНК, но и РНК (рибонуклеиновой кислоте).

Расшифровку молекулы ДНК произвели в 1953 году Ф.Крик (Англия) и Д.Уотсон (США). Уотсону и Крику удалось построить модель молекулы ДНК, напоминающую двойную спираль.

Наряду с изучением нуклеиновых кислот и процессом синтеза белка в молекулярной биологии большое значение с самого начала имели исследования структуры и свойств самих белков. Параллельно с расшифровкой аминокис­лотного состава белков проводились исследования их про­странственной структуры. Среди важнейших достижений этого направления следует назвать теорию спирали, разра­ботанную в 1951 году Э. Полингом и Р. Кори. Согласно этой теории, полипептидная цепь белка не является плос­кой, а свернута в спираль, характеристики которой были также определены.

Несмотря на молодость молекулярной биологии, успе­хи, достигнутые ею в этой области, ошеломляющи. За срав­нительно короткий срок были установлены природа гена и основные принципы его организации, воспроизведения и функционирования. Полностью расшифрован генетический код, выявлены и исследованы механизмы и главные пути образования белка в клетке. Полностью определена пер­вичная структура многих транспортных РНК. Установле­ны основные принципы организации разных субклеточных частиц, многих вирусов, и разгаданы пути их биогенеза в клетке.

Другое направление молекулярной генетики — иссле­дование мутации генов. Современный уровень знаний по­зволяет не только понять эти тонкие процессы, но и ис­пользовать их в своих целях. Разрабатываются методы генной инженерии, позволяющие внедрить в клетку желае­мую генетическую информацию. В 70-е годы появились методы выделения в чистом виде фрагментов ДНК с помо­щью электрофореза.

103

В 1981 году процесс выделения генов и получения из них различных цепей был автоматизирован. Генная инже­нерия в сочетании с микроэлектроникой предвещают воз­можности управлять живой материей почти так же, как неживой.

В последнее время в средствах массовой информации активно обсуждаются опыты по клонированию и связан­ные с этим нравственные, правовые и религиозные пробле­мы. Еще в 1943 году журнал «Сайенс» сообщил об успеш­ном оплодотворении яйцеклетки в «пробирке». Далее со­бытия развивались следующим образом.

1973 год — профессор Л. Шетлз из Колумбийского университета в Нью-Йорке заявил, что он готов произвес­ти на свет первого «бэби из пробирки», после чего после­довали категорические запреты Ватикана и пресвитериан­ской церкви США.

1978 год — рождение в Англии Луизы Браун, первого ребенка «из пробирки».

1997 год — 27 февраля «Нейчур» поместил на своей обложке — на фоне микрофотографии яйцеклетки — зна­менитую овечку Долли, родившуюся в институте Рослин в Эдинбурге.

1997. год — в самом конце декабря журнал «Сайенс» сообщил о рождении шести овец, полученных по рослин- скому методу. Три из них, в том числе и овечка Долли, несли человеческий ген «фактора IX», или кровоостанав­ ливающего белка, который необходим людям, страдающим гемофилией, то есть несвертываемостью крови.

1998. год — чикагский физик Сиди объявляет о созда­ нии лаборатории по клонированию людей: он утверждает, что отбоя от клиентов у него не будет.

1998 год, начало марта — французские ученые объяви­ли о рождении клонированной телочки.

Все это открывает уникальные перспективы для чело­вечества.

Клонирование органов и тканей — это задача номер один в области трансплантологии, травматологии и в других областях медицины и биологии. При пересадке клониро­ванного органа не надо думать о подавлении реакции от­торжения и возможных последствиях в виде рака, развив­шегося на фоне иммунодефицита. Клонированные органы станут спасением для людей, попавших в автомобильные

104

аварии или какие-нибудь иные катастрофы, или для лю­дей, которым нужна радикальная помощь из-за заболева­ний пожилого возраста (изношенное сердце, больная пе­чень и т. д.).

Самый наглядный эффект клонирования — дать воз­можность бездетным людям иметь своих собственных де­тей. Миллионы семейных пар во всем мире страдают, бу­дучи обреченными оставаться без потомков.

Расшифровка генома человека

Первоначально (в 1988 году) средства на изучение ге­нома человека выделило Министерство энергетики США, и одним из руководителей программы «Геном человека» стал профессор Чарлз Кэнтор.

В 1990 году Нобелевский лауреат Джеймс Уотсон на­чал лоббирование конгресса США, и вскоре конгресс распо­рядился выделить сразу сотни миллионов долларов на изу­чение генома человека. Эти средства были добавлены к бюджету Министерства здравоохранения, оттуда они пере­текли в ведение дирекции сети институтов, объединенных под общим названием — Национальные институты здо­ровья (National Institutes of Health, сокращенно NIH). В составе NIH появился новый институт — Националь­ный институт исследования генома человека (NHGRI, ди­ректор Фрэнсис Коллинз).

В мае 1992 года ведущий сотрудник NIH Крэйг Вентер подал заявление об уходе и объявил о создании нового, частного исследовательского учреждения — Института ге­номных исследований (The Institute for Genomic Research, сокращенно — TIGR или ТИГР).

Ожидание гигантских прибылей от будущего внедрения результатов изучения геномов хорошо поняли не только в США. В ведущих странах Запада началась настоящая гон­ка в отношении вклада средств в исследования геномов. 3 мая 1999 года британский «Велком траст» (формально правительство Великобритании финансирует британскую часть проекта «Геном человека» через этот частный бла­готворительный фонд) добавил дополнительно 100 млн фунтов стерлингов (примерно 167 млн долларов) несколь­ким английским лабораториям, занимающимся исследова­ниями генома человека, из них 77 млн долларов было вы­делено на 1999 год Сэнгеровскому центру в Кэмбридже.

105

При первоначальном объявлении сроков завершения проекта в 2003 году предполагалось, что точность иссле­дования генома составит 99,99%. Потом сроки подвину­ли, основываясь на том, что для биологов и медиков хва­тит и 90% -ной точности, зато отрапортовать о завершении генома можно будет к концу 2000 года.

2 декабря 1999 года журнал «Nature» обнародовал дан­ные, касающиеся крупного прорыва в исследовании гено­ма человека: в основном усилиями английских ученых при активном участии других европейских, японских и амери­канских лабораторий был завершен полный анализ одной из хромосом человека (правда, одной из самых малень­ких) — хромосомы 22.

На этом гонка отнюдь не затихла. Как сообщил жур­нал «Science» со ссылкой на газету «Ле Монд»от 14 мая 1999 года, французское правительство решило в этот мо­мент «впрыснуть» дополнительно 330 млн долларов на ближайшие три года в бюджет расположенного рядом с Парижем исследовательского центра генома в Иври.

В июне 1999 года Германия, которая до этого выделя­ла явно недостаточно средств на исследования генома че­ловека (всего 23 млн долларов в год, начиная с 1996 года), изменила свой подход: на ближайшие пять лет было от­пущено 550 млн долларов. В ноябре — декабре 1999 года стало ясно, что ученым удалось убедить правительство увеличить ежегодные траты на исследования генома чело­века до 280 млн долларов.

13 июля 1999 года об увеличении выделяемых средств на работы по исследованию генома человека объявило пра­вительство Японии.

То, что участвовавшая в начале создания международ­ ного проекта «Геном человека» Россия фактически приос­ тановила свой вклад в него, можно рассматривать одно­ значно отрицательно: Россия обрекает себя в этом отно­ шении на скатывание на уровень второстепенных госу­ дарств, обреченных на экономическую зависимость в буду­ щем от тех, кто вложил средства в эту перспективную на­ учную область.

Описание генома человека ученым удалось получить значительно раньше планировавшихся сроков (2005-2010 гг.). Уже в канун нового, XXI века были достигну­ты сенсационные результаты в деле реализации указанно-

106

го проекта. Оказалось, что в геноме человека — от 30 до 40 тысяч генов (вместо предполагавшихся ранее 80—100 ты­сяч). Это ненамного больше, чем у червяка (19 тысяч ге­нов) или мухи-дрозофилы (13,5 тысяч).

Расшифровка генома человека дала огромную, каче­ственно новую научную информацию для фармацевтиче­ской промышленности. Вместе с тем оказалось, что исполь­зовать это научное богатство фармацевтической индустрии сегодня не по силам. Нужны новые технологии, которые появятся, как предполагается, в ближайшие 10-15 лет. Именно тогда станут реальностью лекарства, поступающие непосредственно к больному органу, минуя все побочные эффекты. Выйдет на качественно новый уровень транс­плантология, получит развитие клеточная и генная тера­пия, радикально изменится медицинская диагностика и т. д.