Генетика как наука родилась на рубеже ХХ века после переоткрытия законов Г. Менделя.В нашей стране возникли к середине тридцатых годов мощные генетические школы. Н.И. Вавилов открыл и обосновал законы о гомологических рядах изменчивости и центрах происхождения культурных растений, создал самую большую в мире генетическую коллекцию растительных ресурсов. Н.К. Кольцов выдвинул принцип ауторепродукции биологических молекул, разработал основы генетики развития организмов. С.С. Четвериков заложил основные принципы популяционной генетики. Ю.Л. Филипченко определил характер развития генетики растений и животных. А.С. Серебровский заложил основы учения о геногеографии, обосновал вместе с Н.П. Дубининым принцип делимости генов.
Однако с середины тридцатых годов в генетике, да и во всей биологии, начались очень бурные дискуссии. Апогеем этих дискуссий стала августовская сессия ВАСХНИЛ 1948 года, объявившая генетику как науку «вне закона» и заменившая её «новым» направлением – «агробиологией» во главе с Т.Д. Лысенко.
В чем была суть научных разногласий? С незапамятных времен биологов мучили две проблемы. 1. С помощью каких механизмов сохраняется постоянство видов от поколения к поколению?. 2. С помощью каких механизмов возникает изменчивость, на основе которой идет эволюция и формируется приспособленность организмов к условиям внешней среды?. Первым попытался разрешить эти проблемы французский эволюционист Жан Батист Ламарк. Его выводы состояли в следующем: виды эволюционируют, изменчивость возникает под влиянием условий среды, в силу «упражнения или неупражнения» органов, и благоприобретенные в ходе этих «упражнений» признаки наследуются. Однако в его концепции не было ответа на вопросы о механизмах возникновения изменчивости. В те времена ещё недоставало объективных знаний.
Для большинства генетиков во главе с Н.И. Вавиловым базовыми стали генетические принципы, которые отвергали ламаркизм. Именно ламаркизм стал той базой, на которой Т.Д. Лысенко со своими сторонниками начал дискуссию.
Исходными позициями Т.Д. Лысенко были:
А. полное отрицание существования единиц наследственности – генов и всего того, что с ними связано.
Б. утверждение, что «наследственность есть эффект концентрирования воздействий условий внешней среды, ассимилированных организмами в ряде предшествующих поколений» (Лысенко Т.Д. О положении в биологической науке//Стенографический отчет сессии ВАСХНИЛ. М., 1948. С. 33).
Другими словами, Лысенко был за полное признание принципа наследования благоприобретенных признаков. Отсюда иллюзорно заманчивая перспектива управления формообразованием и селекцией, быстрого создания высокопродуктивных сортов растений и пород животных. Вся селекция была переориентирована на методы перевоспитания и переделок, вегетативной гибридизации, которая приравнивалась к половой. Эти идеи проникли даже в проблемы видообразования, так как появились массовые «факты порождения» одних видов другими. Один из таких «фактов» - порождения ольхи березой – описан в романе В. Дудинцева «Белые одежды».
Если с этой путаницей удалось довольно быстро разобраться, то переориентация селекции была чревата серьезными потерями. Ведь и до сих пор предпринимаются попытки выдать некоторые селекционные успехи того периода за реализацию лысенковских методов в селекции. Но все крупные селекционные достижения и по настоящее время связаны с использованием классических методов генетики – гибридизации и отбора, новых методов – гибридизации, мутагенеза, полиплоидии и других. Мир не знает ни одного селекционного шедевра созданного методами перевоспитания. Итог дискуссии очевиден – полная несостоятельность лысенковской агробиологии. Внесена полная ясность относительно того, что наследуются признаки, изменяющие в своей основе генетическую изменчивость, модификационная же изменчивость играет огромную роль в приспособленности среды в соответствии с генетической нормой реакции на эти условия.
Не было бы никакой опасности в ошибочных концепциях Лысенко, если бы его оппоненты во главе с Н.И. Вавиловым имели возможность довести дискуссию до конца с соблюдением всех норм научной этики, правил чести. Но не для выяснения научной истины была затеяна дискуссия. А для чего? Ответ может быть только один: для смены лидера в биологии, то есть Н.И. Вавилова и установление монопольного положения Т.Д. Лысенко. Речь шла о власти, а не о научной истине. Все генетики знают слова отчаявшегося Н.И. Вавилова: «На костер пойдем, а от своих убеждений не откажемся». Все кончилось жесточайшим разгромом генетики, фактической её ликвидацией на десятилетия, устранением многих генетиков от научной деятельности и даже из жизни.
В середине тридцатых годов многие ближайшие сподвижники Н.И. Вавилова, Н.К. Кольцова были репрессированы и погибли. Среди них Г.Д. Карпеченко, Г.А. Левицкий, Л.И. Говоров, Н.К. Беляев. Была разогнана школа С.С. Четверикова. В тюрьме скончался Н.И. Вавилов. Многие видные генетики ушли на фронт. Дискуссии прекратились.
Дискуссии вновь возникают после войны. Перед сессией ВАСХНИЛ в правительственных инстанциях был утвержден большой список новых академиков ВАСХНИЛ из сторонников Лысенко. Лысенко заручился поддержкой Сталина, обещав в кратчайшие сроки решить проблемы озимых пшениц для Сибири, в 2-3 года создать новые сорта.
На сессии ВАСХНИЛ выступили 56 человек, из них в защиту генетики – 8. Из восьми защищавшихся трое не выдержали напряжения и на заключительном заседании выступили с заявлениями о своих «ошибках» и поддержке Лысенко. Эти люди до конца дней своих были последовательными генетиками.
Сессия официально запретила генетику как науку и подготовку новых поколений ученых-генетиков. Начались массовые увольнения противников Лысенко из лабораторий и кафедр и замена их так называемыми «мичуринцами». В это вины самого И.В. Мичурина нет. Медленное и тяжелое возрождение генетики началось с середины 60-х годов.
Если забыть о том, что случилось в биологии, то мы изымем из памяти молодого поколения ученых весьма поучительный исторический урок необходимости везде и при любых обстоятельствах быть верными служению научной истине, невозможности забвения научной этики. Малейшее нарушение морали человеческих отношений приводит к трагедиям. Не так много смысла, если закрывать глаза на исторические события и делать вид, что все идет хорошо.
17. Проблемы системной биологии.
Одна из ключевых вех в истории биологии – открытие двойной спирали ДНК в 1953 году. Это открытие стало началом молекулярной биологии. За прошедшие пятьдесят лет из молекулярной биологии выросла системная биология.
15 лет назад один из отцов двойной спирали Джеймс Уотсон в США и российский академик Александр Александрович Баев одновременно и независимо высказали крамольную идею, что можно расшифровать геном человека. В 2003 году была опубликована уже достаточно детальная версия химического строения наследственного аппарата человека. Это была информация о человеке не опосредованная через лабораторных животных, а информация непосредственно о человеке, огромная по объему, естественно, усредненная.
Прежде всего, генов оказалось гораздо меньше, чем ранее предполагали генетики. В старых учебниках написано, что в геноме человека 80-100 тысяч генов. На самом деле, по-видимому, эта цифра близка к 35-40 тысячам. Столько же, сколько у других животных, например, у мыши. Структура генов тоже очень и очень близка. Более того, если взять такие крайне примитивные организмы, как, скажем, любимая генетиками муха дрозофила, знаменитая тем, что её запретил Трофим Денисович, или круглый червь, нематода, который состоит всего-то из 1000 с небольшим клеток, так вот, у человека всего лишь в 2-3 раза больше генов. Таким образом, количество генов кардинально не отличает человека от других живых существ.
И не только по количеству, но и по качеству! И в этом они очень похожи. Но тогда откуда берется разум, откуда берется социальность, откуда берется все то, что мы связываем с понятием «человек»? Оказалось, что геном шимпанзе и геном человека практически одинаковы. Отличия просто ничтожны: доли процента.
Современная биология пришла к парадоксу: на молекулярном уровне мы пока не можем найти те признаки, ту грань различий нас от шимпанзе. На уровне нуклеотидной последовательности, ДНК, генома достоверных различий пока не обнаружено. Не случайно создана специальная программа по расшифровке полного генома шимпанзе. Возможно, мы узнаем года через два о десятке генов, отличных от человеческих.
Было предположено, что из одного гена можно сделать разное количество белков. Эта мысль разумна, но пока не доказана. Раньше существовала догма: один ген – один белок. Однако белков в организме больше, чем генов? У человека приблизительно 35 тысяч генов, а белков, возможно, сотни тысяч.
У человека и вообще у высших организмов, в отличие от бактерий, гены устроены очень хитро. В них чередуются значащие и незначащие участки. В сущности, ДНК – это мозаика из информационных и неинформационных кусков. Представьте, что в белке есть три значащих куска: 1-й, 3-й и 5-й, а два незначащих: 2-й и 4-й. Тогда можно сложить белок, состоящий из всех кусочков, можно сделать из 1-го и 5-го, а 3-й выбросить и т.д. А если ген состоит из десятков или сотен кусков, какое количество комбинаций из них может получиться? Так оно и получается в ряде случаев. В самом строении генов заложена возможность получения из них огромного количества белков.
По-видимому, у человека система «складывания» из кусочков генов разных белков более совершенная, чем у ниже стоящих организмов, у шимпанзе, мыши и т.д. Это предположение не доказано, но оно разумно и проверяемое. Чтобы проверить гипотезу, надо сравнить наборы белков в разных клетках человека и шимпанзе, особенно в мозге.
Стало известно, что большинство болезней человека зависит от очень многих генов. Например, астма. Сейчас строго доказано, что она имеет в своей основе то или иное нарушение функций многих генов. Как говорят генетики, она мультифакторная. Таких болезней подавляющее большинство. Но если много генов участвуют в развитии данного заболевания, то даже трудно себе представить, сколько в этом участвует белков. Одна болезнь – много генов и ещё больше белков. Так, при раке гены одной группы (онкогены) начинают работать усиленно, уровень их активности идет вверх, а у другой группы генов он идет вниз, их называют антионкогенами. Возникает дисбаланс, превращающий нормальные клетки в раковые. В этом процессе участвуют десятки генов обеих групп, и самая большая сложность в том, что недостаточно исправить один ген. Этим вы ещё не вылечите больного.
Возникло представление о генных сетях. Наука геноинформатика изучает отрицательные и положительные цепи.
В современной биологии произошла за последние 50 лет методологическая революция, которая создала предпосылки для перехода от редукционизма к интегратизму. Начиная с 1953 года, молекулярная биология шла по пути редукционизма: изучали отдельные белки, отдельные гены, их строение, функции. В сущности, организм был как бы рассыпан на мельчайшие структурные единицы, всю картину в целостности собрать было невозможно. Сейчас стало возможным следить за поведением тысяч генов и тысяч белков, причем в разных клетках и тканях.
Созданы биомикрочипы – пластинки величиной 2х5 см., на которых можно разместить до 20 тысяч точек, и в каждую точку поместить, например, кусок отдельного гена. Можно узнать, какой ген работает, а какой молчит. Тем самым, можно получить «портрет» клетки. Раньше биологи понимали то, что знали. Сейчас в базах данных хранится неимоверное количество информации, столько знаний, что биологи не в состоянии их освоить, не в состоянии их осмыслить. Объем знаний неизмеримо выше, чем уровень их освоения, понимания. Расшифровка генома человека заняла примерно восемь лет и стоила 6 млрд. долларов. Джеймс Уотсон, глубоко осознавший сложность перехода от редукционизма к интегратизму, от сетевых генных сетей к единому организму, ясно представляет, что возникли более сложные задачи, чем стоявшие перед возникновением молекулярной биологии: «Но понадобится ещё век, чтобы понять, что же мы прочитали в этом геноме».
Ученые вышли на новый уровень познания человека, опираясь на его биологические свойства. Новая страница в книге «Биология» называется – биология человека.
18. Клонирование и биоэтика.
Клонирование, по принятому в науке определению – это точное воспроизведение того или иного живого объекта в каком-то количестве копий. Естественно, все копии должны обладать идентичной наследственной информацией, иметь одинаковый набор генов. Для генетиков растений получение клонов не составляет никаких проблем. В ряде случаев и у животных – это достаточно рутинная процедура, хотя и не столько простая. Генетики получают клоны на тех объектах, которые способны размножаться посредством партеногенеза, т.е. бесполым путем, без предшествующего оплодотворения. Тогда потомки той или иной исходной половой клетки, естественно, одинаковые в генетическом отношении, и составят клон.
У нас в стране блестящие работы в этой области выполняет на шелкопряде с помощью специально разработанной методики академик В.А. Струнников. Выведенные им клоны шелкопряда славятся на весь мир. Он же показал очень важную вещь: члены одного клона могут сильно отличаться друг от друга по многим признакам, например по величине, продуктивности или плодовитости. В некоторых клонах разнообразие особей даже больше, чем в генетически разных популяциях.
Получаются клоны и в экспериментальной эмбриологии. Если, скажем, зародыш морского ежа на очень ранней стадии развития искусственно разделить на составляющие его клетки, бластомеры, то из каждой разовьется целый организм. На более поздних стадиях зародышевые клетки теряют свою тотипотентность – замечательную способность реализовывать всю заложенную в ядре наследственную информацию, и все более и более специализируются.
Во многих случаях для получения клона можно использовать ядра так называемых стволовых эмбриональных клеток от какого-нибудь раннего эмбриона, которые ещё не очень специализировались. Ядра пересаживают в яйцеклетки, из которых удалено собственное ядро, и они, развиваясь в новые организмы, опять-таки могут образовать клон генетически идентичных животных. У человека широко известны случаи «естественного» клонирования – так называемые однояйцевые близнецы, возникающие благодаря естественному разделению оплодотворенной яйцеклетки на два (очень редко и больше) отделяющих друг от друга и самостоятельно развивающихся бластомера. Такие, как их называют, монозиготные близнецы очень похожи друг на друга, но, даже они не совсем идентичны!
Однако нынче под клонированием понимается, как правило, другая проблема, а именно получение точных копий того или иного взрослого животного, «прославившегося» некими выдающимися качествами (например, рекордными надоями молока, высоким качеством шерсти и т.п.), а также копирование людей: ученого мужа, политика, артиста, особо ценного для человечества в силу его, скажем, гениальности. Вот тут-то не все так просто, как пытается представить пресса.
«История» клонирования берет начало в 40-е годы ХХ века, когда российский эмбриолог Г.В. Лопашов разработал метод пересадки ядер в яйцеклетку лягушки. В июне 1948 года он отправил в «Журнал общей биологии» статью по материалам своих экспериментов. Однако на беду в августе 1948 года состоялась печально известная сессия ВАСХНИЛ. Набор статьи, показавшей ведущую роль ядра и содержащихся в нем хромосом в индивидуальном развитии организма, был рассыпан. Работу Лопашова забыли, а в 50-е годы американские эмбриологи Р. Бриггс и Т. Кинг выполнили сходные опыты. Приоритет достался им, как уже не раз случалось в истории российской науки.
Позже методику усовершенствовал Дж. Гёрдон из Великобритании. Удаляя из яйцеклеток лягушек их собственное ядро, он трансплантировал в них ядра, выделенные из разных, уже специализировавшихся клеток. В конце концов, он стал пересаживать ядра из клеток взрослого организма, в частности из эпителия кишечника.
Вокруг опытов британского ученого поднялся шум. Студенты университета Беркли в США пригрозили «разорвать на куски» безответственных и зловредных генетиков, которые, как они решили, собираются клонировать Ленина, Гитлера, Сталина и прочих одиозных личностей. Стало понятно, что проблема клонирования не так проста.
Проблемой заинтересовались в России. Была разработана программа «Клонирование млекопитающих» в лаборатории генетики животных академика Д.К. Беляева в Институте цитологии и генетики СО АН. Вскоре финансирование прекратилось.
Ученые успели понять бесперспективность трансплантации ядер. Эта операция оказалась слишком травматичной. Предпочтительнее казался метод соматической гибридизации, т.е. слияние лишенной ядра яйцеклетки с нужной соматической клеткой. Именно такой подход впоследствии использовал Я. Вилмут при получении овечки Долли.
В феврале 1997 года появилось сообщение, что в лаборатории Я. Вилмута в Рослинском институте (Эдинбург, Шотландия) разработали эффективный метод клонирования млекопитающих, с помощью которого получили овечку Долли. Из 236 опытов успех сопутствовал лишь одному. Его результат – овечка Долли, донором генетического материала для которой стала взрослая овца. После этого Вилмут заявил, что технически возможно осуществить и клонирование человека, хотя при этом возникают моральные, этические и юридические проблемы, связанные с манипуляциями над эмбрионами человека.
Затем пришло сообщение из Японии: там пытаются клонировать коров по методу Вилмута, и уже родилось два «клонированных» теленка. Отмечается, однако, что телята родились очень ослабленными, и неизвестно, выживут ли они.
В Госдуме провозгласили, что будут финансировать работы, чтобы через два года клонировать животных и человека. Однако вспомним, что выход был ничтожно мал – одна овечка из 236 попыток. А что произошло с остальными? Родились уродами, погибли? И где же, собственно, клон, предполагающий множество копий?
Особый интерес вызвали опыты группы ученых на университета в Гонолулу во главе с Р. Янагимачи, проводивших эксперименты по клонированию на мышах. Авторам удалось усовершенствовать метод Вилмута. Они отказались от электрической стимуляции слияния клеток и изобрели микропипетку, с помощью которой можно «безболезненно» извлекать ядро из соматической клетки и трансплантировать его в «обезъядренную» яйцеклетку. В качестве доноров ядер авторы использовали не очень дифференцированные клетки, окружающих ооцит. Им удалось также в какой-то степени синхронизировать процессы в яйцеклетке и трансплантируемом ядре и «улучшить» ядерно-цитоплазматические взаимоотношения между ними. До них новое ядро и цитоплазма работали в «разных» режимах.
Процент рожденных мышат (их извлекли с помощью кесарева сечения на 18-19 день) был низок: от 2 до 2,8%, но молекулярные исследования доказали принадлежность ядер клетки рожденных мышат к клеткам донора. Таким образом, по крайней мере в некоторых случаях доказана способность ядер соматических клеток обеспечивать нормальное развитие млекопитающих. Следовательно, получение клона принципиально возможно.
Как показал В.А. Струнников, получение клона ещё не означает получения точной копии клонированного животного. Оказалось, что зародыш развивается нормально не долго, уже на достаточно ранних стадиях эмбриогенеза начинаются отклонения, возникают уродства. Накопился достаточно большой материал, позволяющий высказать серьезные сомнения в полезности клонирования для практических целей. Дело в том, что у клонированных животных, включая овечку Долли, выявлено множество разнообразных отклонений от нормы. Они старятся раза в три быстрее, подвержены многочисленным заболеваниям, в частности, артрозам и нарушениям процессов пищеварения, у них ослаблена иммунная система и способность к обучению. Под вопросом и сходство с образцом. В частности, Долли часто болела, была необычайно агрессивна и едва ли доставляла много радости своим создателям.
Кроме различий в условиях развития у разных приемных матерей, существует такое понятие, как норма реакции, т.е. определенные пределы проявления данного гена в фенотипическом признаке. Это означает, что в разных условиях развития зародыша одинаковые гены будут обнаруживать своё действие немного по-разному. А ведь таких генов – тысячи! Следовательно, вероятность полного сходства «клонированных» животных не очень велика.
Теперь допустим, что развивающиеся яйцеклетки с чужеродными ядрами трансплантировали нескольким сотням приемных матерей (ведь процент выхода низкий!), чтобы получить хотя бы одну-единственную живую и точную копию видного политического деятеля, ученого или музыканта. А что произойдет с остальными зародышами? Ведь большая часть погибнет в утробе матери или разовьется в уродов, часть которых может родиться. Представьте сотни искусственно полученных человеческих уродов! Это было бы преступлением, поэтому вполне естественно ожидать принятия закона, запрещающего такого рода исследования как аморальные.
Ученые предлагают использовать клонированные до стадии бластоцисты для получения «запчастей» для трансплантаций и лечения некоторых заболеваний человека. Тогда ядра для клонирования можно брать из клеток самого пациента, и, таким образом, предотвращать реакцию иммунологической несовместимости тканей донора и реципиента. В настоящее время разработана технология получения стволовых клеток из тканей (костного мозга, кожи) самого пациента и управления их развитием в процессе культивирования и подготовки к трансплантации. Такие стволовые клетки абсолютно безопасны для больного, и их использование делает совершенно ненужным клонирование.
С точки зрения этики, манипулирование с живыми эмбрионами человека на самом деле – не что иное, как запланированное убийство. Разговоры о том, что, дескать, ранние эмбрионы являют собой просто клеточный агломерат, не имеют силы. Ещё Т. Морган говорил, что индивидуальное развитие начинается даже не в момент оплодотворения, а в период созревания яйцеклетки. В зрелой яйцеклетке уже записан химическим языком план строения будущего человека, и с этим надо считаться.
В принципе, сегодня можно говорить о том, что техническая задача получения «клонированных» животных решена. Но неизвестно, как точно эти животные будут копировать соответствующий прототип и оправдают ли результаты те затраты, которые они требуют. Необходимо продолжить обсуждение проблемы на разных уровнях научного сообщества.
Какие положения следует включить в биоэтику и экологическую этику?
1. Приоритет интересов человека перед интересами любого другого вида и природы в целом. В таком случае, искоренение вируса СПИД, чумной бациллы, мухи цеце, малярийного комара и прочих видов, угрожающих здоровью и жизни людей, не должно сдерживаться ссылками на необходимость сохранения биологического разнообразия, которые в ином аспекте вполне справедливы.
2. Приоритет интересов человеческого индивида перед интересами человечества как биологического вида. Сокращение детской смертности, рост продолжительности жизни, забота об инвалидах – все это, как и большинство прочих культурных ценностей, противно законам природы.
3. Приоритет интересов человечества как носителя культуры и интеллекта перед сложившейся биологической определенностью. Необходимо сохранение планетарной цивилизации.