Именно мутации поставляют новый материал для естественного отбора. Они как бы выступают с новыми предложениями перед равнодушным и неумолимым судьей, обрубающим нежизнеспособные побеги на генеалогическом древе и пропускающим в будущее лишь те из них, что наилучшим образом гармонируют с суровыми условиями окружающей среды.
Тайнопись наследственности? Она уже у корректора
В 1920 году в Саратове собрались селекционеры всей России. Один из докладов приковал к себе всеобщее внимание теоретически интересным и практически важным выводом: у родственных растений схожи и мутации.
Вот, например, хлебные злаки. У пшеницы 8 видов: твердая, мягкая, карликовая и другие. В каждом из них при определенных условиях бывают формы озимые и яровые, красноколосные и белоколосные, остистые и безостые, краснозерные и белозерные. То же генетическое многообразие наблюдается у ржи, овса, ячменя. Эти семейства можно расположить параллельными колоннами так, чтобы в одной шеренге очутились разновидности с аналогичными признаками. Получится классификация, напоминающая периодическую систему элементов. В ней, как и в первом варианте менделеевской таблицы, некоторые клетки окажутся пустыми. Но почему бы не заполнить вакансии гипотетическими, пока не известными ботаникам организмами, опираясь на принцип подобия? Так в свое время поступил Менделеев, предсказавший существование еще не открытых тогда «простых химических тел» и точно описавший их ожидаемые свойства.
Профессор В. Р. Заленский, один из делегатов, сказал: «Съезд стал историческим. Биология будет приветствовать своего Менделеева».
Докладчиком был Николай Иванович Вавилов.
Сформулированный им закон гомологических (основанных на сходстве) рядов позволяет предвидеть, какие мутации могут возникать у того или иного растения, если они обнаружены у его родича или 258 предка. А в 1939 году ученый объяснил причину найденной им периодичности.
В том же году болгарский биолог академик Дончо Костов говорил: «Академик Вавилов — самый популярный ученый на свете; хотя он еще сравнительно молод, нет уголка на Земле, где не знают его имени». Действительно, Николай Иванович числился почетным членом лондонского Королевского общества, Шотландской, Индийской, Чехословацкой академий наук, дюжины научных обществ и университетов разных городов — от Софии до Мехико. На обложке международного журнала «Наследственность» приведен список величайших биологов мира.
Сразу после имен Дарвина, Менделя и нобелевского лауреата Моргана стоит Vavilov.
Проводя аналогию между вавиловским и менделеевским открытиями, профессор Заленский едва ли мог тогда предполагать, насколько она глубока.
В самом деле, природа периодичности в свойствах химических элементов была объяснена лишь после того, как физики разобрались в структуре атома.
Концепция «неделимого» потерпела крах. Та же судьба ожидала и генетику.
В 1928 году Н. П. Дубинин, работавший тогда под руководством профессора А. С. Серебровского, изучал изменения внешнего облика, искусственно вызванные рентгеновским излучением у дрозофилы (плодовой мухи). Он убедился, что теория Моргана, считавшая точечную мутацию преобразованием всего гена как элементарной, не дробимой далее единицы, не соответствует экспериментальным фактам.
Дубинин построил линейную модель гена, где былой «неделимый» предстал расчлененным на дольки — Николай Петрович назвал их «центрами».
Оказалось, что хромосомы могут обмениваться не только целыми генами, но и их фрагментами. Что отдельные элементы этой сложной структуры не индивидуалисты; они взаимодействуют друг с другом, и их влияние на организм зависит от положения среди соседей.
На новую концепцию с уничтожающей критикой обрушился маститый немецкий биолог Рихард Гольдшмидт. Но теория центров восторжествовала. За ее разработку Дубинин в 1933 году удостоился международной Рокфеллеровской премии.
Нападали не только теоретики, но и практики.
И не только зарубежные. «К чему делать из мухи слона? — язвили люди, далекие от подлинной науки. — Вместо того чтобы повышать продуктивность скота, вы возитесь с какой-то цокотухой. Муховоды!»
«Многие тогда не понимали, что голая эмпирика, господствовавшая в работе большинства селекционеров, хотя и дает некоторые результаты, однако никогда не сможет без осмысливания, без теории привести к серьезному успеху, — рассказывает академик Н. П. Дубинин. — Большое число (обычно десятки пар) хромосом у животных затрудняет изучение генетических явлений. То ли дело плодовая мушка!
У нее всего четыре пары хромосом. Можно работать с тысячами особей одновременно. Причем следующее поколение появляется всего через каких-нибудь 10 дней. А недавние эксперименты по изучению молекулярной структуры гена, открывшие новую страницу в науке, были поставлены с бактериофагами.
В пробирке каждые 20 минут удается получать новые поколения микробных вирусов, состоящие из миллиардов особей. Если бы подобные исследования пришлось проводить на домашних животных, потребовались бы целые стада и эпохи!» Конечно, арсенал исследовательского вооружения у нынешнего экспериментатора несравненно богаче, чем 30–40 лет назад. Тогда не было ни электронных микроскопов, ни меченых атомов, ни мощных ультрацентрифуг — всего того, что позволило использовать преимущества фагов перед дрозофилой. Тем не менее именно та методика, которая была разработана в опытах с никчемной дрозофилой, проложила дорогу к нынешнему триумфу в расшифровке тонкого строения гена.
— Если биологи научатся управлять мутациями, — говорит Дубинин, — то, пожалуй, удастся так видоизменять организмы, что их новый облик будет отличаться от старого не меньше, чем слон от мухи. — И добавляет: — Дрозофила заслуживает такого же монумента, какой воздвигнут в Колтушах по идее И. П. Павлова в честь подопытных собак.
Кстати, там же, в павловском городке под Ленинградом, был сооружен и памятник Менделю. Великий русский физиолог придавал огромное значение генетике вообще и в частности ее роли в изучении высшей нервной деятельности. Действительно, между павловскими и менделевскими идеями существует глубокая взаимосвязь.
В 1947 году увидела свет книга С. Н. Давиденкова «Эволюционно-генетические проблемы в невропатологии». Автор говорил о наследственных факторах, определяющих особенности высшей нервной деятельности, ее нормальные и аномальные проявления. Это событие академик Леон Абгарович Орбели, один из крупнейших наших физиологов, расценивал как настоящее торжество советской науки.
Да, не только цвет глаз, кожи, волос, не только рост и телосложение завещаются предками потомкам. Бывает врожденная глухонемота. Передаются из поколения в поколение также черточки характера, темперамента; наследуются маниакально-депрессивные психозы, шизофрения, некоторые иные душевные расстройства.
Понятно, сколь велико значение генетики в познании тайн души и тела. Нащупав молекулярные пружины удивительного копировального механизма, заключенного в живой клетке, ученые смогут активно влиять на его деятельность, преобразуя живую природу по своему усмотрению. Попытки редактировать наследственную программу организмов в практических целях уже предприняты.
В 1925 году в Ленинградском институте радия Г. А. Надсон и Г. С. Филиппов сделали важное открытие: ионизирующее излучение способно вызывать мутации. Опыты проводились с дрожжевыми грибками. Два года спустя тот же эффект был обнаружен американцем Г. Меллером в экспериментах с дрозофилой. А в 1928–1930 годах наши ученые А. А. Сапегин и Л. Н. Делоне впервые применили рентгеновскую радиацию в селекционных целях. Им удавалось резко изменить генотипы пшениц. В 1934 году появилась основополагающая статья Андрея Афанасьевича Сапегина «Рентгеномутации как источник новых сортов сельхозрастений».
Нынче опробованы и используются самые разнообразные излучения как волновые, так и корпускулярные (гамма- и рентгеновы, нейтронные и протонные). Можно добиться, чтобы порожденные ими изменения в структуре хромосом наблюдалисы в тысячу раз чаще, чем если бы они возникали самопроизвольно в естественных условиях. Так, искусственно вызывая мутации, осуществляя искусственный отбор, человек тысячекратно ускоряет эволюцию.
В 1958 году в Институте биофизики АН СССР подверглись обстрелу гамма-квантами из кобальтовой «пушки» бобовые культуры. Потом провели искусственный отбор: ведь мутации, вызванные жесткой радиацией, в подавляющем большинстве своем вредоносны. Лишь в 1–2 случаях из 1000 они полезны для вида. Усилить эти преимущества можно последующим скрещиванием. Так были выведены новые сорта сои (один из них, «чудо Грузии», дает на 11–12 центнеров с гектара больше, чем стандарт) и фасоли («радиола-1175», «радиола-1177», урожайность которых столь же значительно — в полтора-два раза — выше общепринятой нормы).
