ВЕК ГЕНЕТИКИ: ЭВОЛЮЦИЯ ИДЕЙ И ПОНЯТИЙ

Голубовский М. Д.

ВЕК ГЕНЕТИКИ: ЭВОЛЮЦИЯ ИДЕЙ И ПОНЯТИЙ

Научно-исторические очерки

Санкт-Петербург

Борей Арт

 

Golubovsky M. D.

The Century of Genetics: Evolution of ideas and concepts

Scientific-Historical Essays

Saint-Petersburg

Borey Art

 

УДК 5.75

ББК 28.04

Голубовский М. Д.

  ISBN 5-7187-0304-3  

Golubovsky M. D. The Century of Genetics: Evolution of Ideas and Concepts

There were detailly overviewed series of unpredictable discoveries that gave birth to the conception of dynamic genome. The new conceptual approach… The book is orientated on biologists, medical geneticists and students…  

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.....................................................................................................................8

Глава 1. Историко-методологическне основания исследования..................17

1.1. О полярных подходах к истории науки: диалог.........................................17

1.2. Концепция личностного знания...................................................................19

1.2.1. Неявное знание и его особая роль в биологии....................................19

1.2.2. Концептуальные открытия....................................................................21

1.2.3. Комплекс Пигмалиона и принцип сочувствия....................................24

1.2.4. Обратное соотношение между правильностью и точностью............27

1.3. Плюралистическая методология в истории науки.....................................29

1.3.1. Принцип несовместимости и контраста...............................................29

1.3.2. Многообразие эвристик. Особенности биологии......:.........................32

Глава 2. Генетика и теория эволюции. Динамика взаимодействия.............38

2.1. Синтетическая теория эволюции. Традиции и утраты..............................41

2.2. Генетический антидарвинизм в период становления генетики................44

2.2.1. Номогенетический аспект законов Менделя.......................................46

2.2.2. Ограничение сферы отбора: понятия генотипа и фенотипа..............50

2.2.3. Мутационная теория де Фриза в аспекте видообразования...............51

2.2.4. Мутационное видообразование и биогеография. Исследования Виллиса и их оценка де Фризом...........................................................59

2.2.5. Номогенетические аспекты закона гомологических рядов................63

2.2.6. Неадаптивные процессы в эволюции...................................................66

2.2.7. О восприятии концепции макроэволюции...........................................67

2.2.8. Заключение по разделу 2.2....................................................................74

2.3. Неполнота хромосомной теории наследственности как фундамента СТЭ............................................................................................76

2.3.1. Понятие "мутация": дилемма точности и полноты............................77

2.3.2. Концепция "главной молекулы" и редукционизм.............._;...............78

Глава 3. Переход от классической к "подвижной" генетике на рубеже 80-х годов..............................................................................................81

3.1. Количество ДНК в эволюции видов или С-парадокс................................81

3.2. Методическая революция в молекулярной генетике................................82

3.3. История открытия мобильных элементов..................................................84

3.3.1. Первые попытки анализа нестабильных генов (1914—1941)..............85

3.3.2. Гипотеза МакКлинток и отношение к ней...........................................87

3.3.3. Инсерционный мутагенез и вспышки мутаций у дрозофилы............89

3.3.4. Открытие мобильных элементов у прокариот и их иерархия...........91

3.3.5. Мобильные гены эукариот: случайность и целевой поиск................92

3.4. Мозаичность генов эукариот: непредсказуемое открытие.......................96

3.4.1. "Почему гены кусками?" — необычная судьба заметки Гилберта.....97

3.5. Дискуссия по эгоистичной ДНК................................................................100

3.6. Что есть ген?: от Моргана до наших дней........:.......................................102

3.7. Общее заключение. Сопоставление парадигм в генетике......................110

 

Глава 4. Обобщенная концепция генома. Облигатно-факультативный принцип структуры и функции........................................113

4.1. О семантической динамике понятий. Примеры из генетики..................113

4.2. О понятиях "наследственность", "генотип" и "геном"...........................114

4.3. Системные свойства клетки.......................................................................117

4.4. Подразделение генома на две подсистемы. Облигатный и факультативный компоненты........................................................................119

4.4.1. Взаимодействие облигатного и факультативного компонентов.....122

4.5. Два компонента генотипа — две формы наследственной изменчивости. Мугации и вариации................................................................124

4.6. Эпигенетическая изменчивость.................................................................127

4.6.1. Динамическая наследственность: теоретические предпосылки......127

4.6.2. Концепция эпигена: понятийная и логическая схема.......................132

4.6.3. Транспозоны и эпигены.......................................................................134

4.6.4. Эпигенетические изменения структуры хромосом...........................136

4.7. Сопоставление трех форм изменчивости; мутационной, вариационной и эпигенетической.....................................................................143

Глава 5. Некоторые проблемы теории эволюции в их соотношении с современной генетикой....................................................................................147

5.1. Наследственные изменения как процесс. Вехи познания.......................147

5.1.1. Наследственные изменения как ошибки матричных и генетических процессов..............................................................................150

5.1.2. Адаптивные преобразования генома в ответ на вызов среды..........157

5.1.3. Дискуссия об адаптивных или отбор-зависимых мутациях............161

5.2. Ревизия проблемы наследования приобретенных признаков.................166

5.2.1. Факультативные элементы и наследование приобретенных признаков........................................................................................................168

5.2.2. Передача в ряду поколений эпигенетических изменений. Опыты П. Г. Светлова....................................................................................172

5.2.3. Наследственные изменения и пищевой режим.................................173

5.2.4. Динамическая память и наследование приобретенных признаков......174

5.3. Наследственность и инфекция. Горизонтальный перенос и симбиоз...175

5.4. Вирусы и информационный обмена в биосфере.....................................184

5.5. Информационный фактор в эволюции.....................................................189

5.6. Автогенез на уровне ДНК и хромосом, эволюционно-генетический потенциал и видообразование...........................................................................195

5.7. Заключение. Наследственная изменчивость в классической и современной генетике.....................................................................................201

 

Глава 6. Некоторые историко-научные уроки...........................................203

6.1. Лаг-период "непризнания" в 25 и более лет – инварианта для судьбы крупных открытий.........................................................................203

6.2. Сопоставление судьбы открытий Менделя и МакКлинток....................204

6.3. О причинах непризнания открытия Барбары МакКлинток....................211

 

Глава 7. Медицинская генетика и неканонические формы наследования...........................................................................................218

7.1. Мобильные элементы, ретровирусы и наследственные изменения.......218

7.2. Наследственные изменения и онтогенез...................................................223

7.3. Переключение генов и импринтинг в аспекте медицинской генетики.......225

7.3.1. Эпигенетика детерминации пола........................................................226

7.3.2. Инактивация Х-хромосомы как эпигенетическое изменение..........229

7.3.3. Геномный импринтинг и аномалии оплодотворения.......................231

7.3.4. Импринтинг хромосом и генов...........................................................235

7.4. Новый тип нестабильных мутаций............................................................236

7.4.1 Экспансия повторов: парадоксы нестабильности..............................237

Общее заключение...............................................................................................240

Литература............................................................................................................244

ВВЕДЕНИЕ

 

Генетика оформилась как наука в начале XX века после переоткрытия законов Менделя. Бурный вековой период ее развития ознаменован в последние годы расшифровкой нуклеотидного состава геномной ДНК десятков видов вирусов, бактерий, грибов и вслед за ними ряда многоклеточных организмов — растение арабидопсис, Arabidopsis thaliana, круглый червь нематода Caenorhabditis elegans, два вида мушки-дрозофилы. Полным ходом идет секвенирование ДНК хромосом важных культурных растений — риса, кукурузы, пшеницы. В 2000 году в рамках международной программы был полностью расшифрован нуклеотидный состав двух хромосом человека (21-я и 22-ая пары) и вчерне секвенирован вариант всего генома. Эти биотехнологические достижения можно сравнить, пожалуй, с выходом человека в космос и высадкой на луну.

Генная терапия наследственных болезней, производство генетически измененных форм растений, успешное соматическое клонирование млекопитающих (овечка Долли), появление молекулярной палеогенетики — другие впечатляющие реалии науки в конце ее 100-летней истории. Генетическая инженерия и биотехнология с ясностью их методов, задач и публичной эффектностью успехов трансформировали облик генетики. Вот один эпизод. После 1998 г., как пишут авторы современной сводки (Баранов В. и др., 2000), "началась беспрецедентная гонка между 1100 учеными мирового сообщества проекта "Геном человека" и частной акционерной фирмой "Celera Genomics", — гонка, кто первым секвенирует весь хромосомный геном человека. Фирма, сконцентрировав мощную компьютерную базу и робототехнику, вырвалась вперед. Однако ее явные намерения извлекать выгоду от патентования состава фрагментов ДНК человека были благоразумно приостановлены вердиктом: "Что создано Природой и Богом, не может патентоваться человеком".

Мог ли представить такую фантасмагорическую картину гонки основатель генетики Грегор Мендель, неспешно проводя год за годом в тиши монастырского садика свои опыты по выяснению законов наследования признаков? Финансирование гонки и участие в ней тысяч специалистов основаны прежде всего на постулате или вере, что в генетике и биологии сейчас нет ничего более настоятельного, нежели тотальная расшифровка нуклеотидного состава ДНК: это напрямую может решить главные загадки и проблемы генетики и биологии в целом. Как золотой ключик от потайной кладовой в сказке о Буратино. Но упования о золотом ключике столкнулись с непредвиденной реальностью и парадоксами. Оказалось, что лишь 3–5% генома человека кодирует белки и, возможно, еще около 20% участвует в регуляции действия генов в ходе развития. Какова же функция и есть ли она у остальных фракций 75 % ДНК генома, остается совершенно не ясным. Гены в геноме сравнивает с небольшими островами в море неактивных неинформационных последовательностей. Не привели ли в какой-то степени колоссальные усилия по тотальному секвенированию геномов к сказочной ситуации — принести то, не зная чего?

С особой остротой высветилась и другая, более принципиальная проблема: а все ли наследственные изменения клеток и организмов связаны с изменениями ДНК? После расшифровки генетического кода и механизмов синтеза белка, после успехов генной инженерии трудно было не поддаться соблазну, что уже достигнуто практически полное знание о природе наследственности. Большинство исследователей оказалось плохо подготовленными к пониманию смысла и значения ряда экзотических и трудно объяснимых явлений в области неканонической (неменделевской и неморгановской) наследственной изменчивости. Неожиданно в конце XX века вопрос о том, каковы границы и спектр наследственной изменчивости, вышел за рамки чисто академических дискуссий. Годы 1996–2000, возможно, войдут в историю и такими событиями, когда одно из явлений неканонической наследственности стало вдруг предметом острых политэкономических дебатов глав правительств и парламентариев Европы.

Речь идет об эпидемии болезни "бешеных коров". Эта болезнь стала распространяться в Англии в 80-е годы после регулярных добавок в корм коров белков из утилизированных голов овец, среди которых встречались овцы, больные нейродегенеративной болезнью (скрэпи или почесуха). В свою очередь, сходная болезнь начала передаваться людям при поедании мяса больных коров. Оказалось, что инфекционным агентом являются не ДНК или РНК, а белки, названные прионами (от англ, prions — protein infectious particles — белковые инфекционные частицы). Проникая в клетку-хозяина, прионы навязывают свою болезнетворную конформацию нормальным белкам-аналогам. Открыватель прионов С. Прузинер (Нобелевская премия 1997 г.) в итоговой статье вспоминал о "большом скепсисе", который в начале 80-х годов вызвала его идея о том, что "инфекционные агенты состоят из белков и ничего более. В то время это положение было еретическим. Догма требовала, чтобы носители трансмиссивных болезней имели генетический материал — ДНК или РНК" (Prusiner, 1995).

Как это не раз бывало в разные периоды истории науки, некие исключения из общепринятых схем, досадные облачки или экзотика оказывались распространенными в природе явлениями. Так случилось и с прионами. Впервые с ними исследователи столкнулись еще в 60-е годы. Однако в то время генетическая семантика прионов не была адекватно распознана, и их поведение атрибутировалось в рамках классических генетических представлений ("медленные вирусы" животных или особый тип супрессорных мутаций у дрожжей). Теперь выясняется, "феномен прионов не является экзотикой, характерной для млекопитающих, а скорее — частным случаем общебиологического механизма, лежащего в основе эпигенетического наследования" (Инге–Вечтомов, 2000). "Центральную догму" молекулярной биологии приходится ревизовать и внести возможность копирования, модифицирования и межвидовой горизонтальной (по типу инфекций) передачи наследуемой конформации белков.

Для историка науки здесь любопытен парадокс, почему в такой стремительно развивающейся области, как молекулярная биология, свободная конкуренция идей зачастую уступает место догмам, которые прокламируются, быстро принимаются абсолютным большинством на веру, ревниво охраняются как миф, но вскоре оказываются ограниченными или несостоятельными. Один из возможных диагнозов назвал патриарх молекулярной биологии, член Национальной академии наук США Эрвин Чаргафф (родился в 1905 году в г. Черновицы, окончил Венский университет). С его именем связано открытие в начале 50-х годов регулярности в парных соотношениях пуриновых и пиримидиновых оснований в молекулах нуклеиновых кислот. Это знаменитое "правило Чаргаффа" явилось предтечей открытия двойной спирали ДНК. Чаргафф в ряде своих критических эссе ностальгически вспоминает об ушедшей атмосфере и ценностях золотого века науки: "Тогда еще можно было ставить эксперименты в прежнем смысле этого слова. Сейчас все трудятся над "проектами", результат которых должен быть известен заранее, иначе не удастся отчитаться в непомерных ассигнованиях, которых требуют эти проекты... Никто не опасался, что его немедленно ограбят, как это почти неминуемо происходит сейчас. Симпозиумов тогда созывалось немного, а их участники не представляли собой полчища голодной саранчи, жаждущей новых областей, куда можно еще вторгнуться" (Чаргафф, 1989).

Чаргафф с тонким сарказмом описывает первородный грех, который сопутствовал рождению и становлению молекулярной биологии после открытия двойной спирали ДНК. "Одно из главных несчастий моего времени — манипулирование человечеством с помощью рекламы. В области науки эта злая сила долгое время не проявляла себя. Однако, к тому времени, когда появилась на свет молекулярная биология, все механизмы рекламы были готовы к бою. И вот тут-то сатурналия и разыгралась в полную силу. Все трудности, например, даже сейчас не очень понятный механизм расплетания гигантских двуспиральных структур в условиях живой клетки, просто отбрасывались с той самоуверенностью, которая позднее так ярко проявилась в нашей научной литературе. Это был тот самый дух, который вскоре принес нам "центральную догму", против чего я выступил, по-моему, первым, потому что никогда не любил наставников-гуру, пусть даже и с докторским дипломом. Я увидел в этом первые ростки чего-то нового, какой-то нормативной биологии, которая повелевает природе вести себя в соответствии с нашими моделями" (Чаргафф, 1989).

Мнение Чаргаффа, при всей его саркастической меткости и красивых метафорах все же настоено на личных вкусах и преференциях. Ведь вполне естественна эмоциональная реакция сообщества, если сделано важное открытие или крупное достижение в сфере науки и техники. Людям свойственен комплекс Пигмалиона. Однако, в современных условиях действительно происходит резкое усиление действия "демона авторитетов" благодаря быстроте и легкости телекоммуникаций. Другая причина возникновения скоротечных догм, отмеченная Чаргаффом, связана с неизбежной специализацией и понижением общебиологического тезауруса и интереса к истории и методологии науки.

Уместно привести сходное саркастическое высказывание другого известного молекулярного биолога старшего поколения Сиднея Бреннера. Немецкий генетик Мюллер-Хилл, автор вышедшей в 1996 г. книги об истории открытия оперонов у бактерий, сетует, что для молодых исследователей история науки как бы не существует, и они не представляют себе длинного и извилистого пути, приведшего к современному уровню знаний. В рецензии на эту книгу С. Бреннер с характерным английским юмором пишет, что он придерживается иной точки зрения: нет, история науки входит в круг интересов молодых молекулярных биологов, но только они делят ее на две эпохи: последние два года и все остальное до того (Brenner S., 1997).

Классик отечественной цитофизиологии В. Я. Александров обычно охлаждал пыл не в меру ретивых молодых молекулярных биологов "образца 70-х годов" напоминанием, что, например, за привычной, вошедшей во все учебники схемой "информационная РНК переходит из ядра в цитоплазму" — скрывается бездна нашего незнания. Александров оказался пророком. На рубеже 90-х годов была осознана многоступенчатость и сложность явлений внутри- и межклеточного транспорта макромолекул.

Открытие в 1953 г. двойной структуры ДНК было несомненным ярким триумфом менделизма и хромосомной теории наследственности. Однако, вновь обращаясь к мудрой мысли В. Я. Александрова, динамика науки такова, что за успехи в одной области часто приходится расплачиваться забвением или пренебрежением к другим не менее важным областям. Так и случилось после 1953 года. С этого времени всякое наследственное изменение стало связываться исключительно с изменением в тексте ДНК или в структуре хромосом (генные, хромосомные и геномные мутации). Такого рода мутации считались редкими, случайными неупорядоченными событиями. Эти свойства отождествлялись вообще с любыми наследственными изменениями и легли в основу традиционных постдарвиновских схем эволюции. Описанные же ранее и вновь обнаруживаемые разного рода не мутационные наследственные изменения, к примеру, связанные со свойствами цитоплазмы, считались редкостью и были вытеснены на периферию (Sapp, 1987).

Именно приверженность большинства генетиков догме во многом объясняет неприятие или долгое недоверие к открытию Барбарой МакКлинток (начало 50-х годов) мобильных генетических элементов и опосредованных ими неканонических наследственных изменений. Поскольку эти элементы нельзя было в то время точно локализовать, подсчитать и "материализовать", то их существование ставилось под сомнение или считалось какой-то редкой аномалией.

Не вписывались в моргановскую парадигму и изменения в области динамической (эпигенетической) наследственности. Еще в 1955 г. на симпозиуме "Химические основы наследственности" исследователь генетики простейших Дэвид Нэнни привел факты о распространенности у простейших индуцируемых средой и достаточно легко обратимых определенных наследственных изменениях. Нэнни выступил против абсолютизации концепции "главных молекул". Теперь сфера эпигенетических изменений резко расширилась — эффект положения, импринтинг, глушение генов при трансгенозе.

Тотальное секвенирование геномной ДНК вовсе не избавило от вечных вопросов, что же считать геном, каковы их границы и сколько их в геноме. Не исключено, что "после завершения программы "Геном человека" определение понятия "ген" будет снова подвергнуто ревизии" (Баранов В. С. и др., 2000). Вековая семантическая динамика понятий "ген" и "мутация" достойны особого изучения. Интересный и содержательный анализ этой динамики за первые 65 лет развития генетики сделан в книге "Ген. Критическая история", написанной учеником нобелевского лауреата Дж. Меллера Аланом Карлсоном (Carlson A., 1966). Этой же проблеме, как она видится после новых открытий в молекулярной генетике, посвящена вышедшая в 2000 году в Кэмбридже коллективная монография исследователи из разных стран, красноречиво названная "Концепция гена в развитии и эволюции. Исторические и эпистемологические переспективы" (The Concept of the Gene in Development and Evolution. Historical and Epistemological Perspectives, 2000). Проблематика этой книги во многом созвучна настоящим очеркам.

Чтобы дать представление о глубине трансформации и ревизии многих классических понятий и представлений в генетике, воспользуемся приемом контраста и метафор: "Устойчивость генонемы подобна устойчивости атома. Как атом "равнодушен" к своему пребыванию в молекуле, так "равнодушен" к своему окружению ген. Ни наличие разнообразных наборов в других локусах, ни наличие отличающегося от него партнера в другой хромосоме в том самом локусе, где лежит он сам, не меняют химического состава гена. Безотносительно к тому, осуществил он свое действие в биосинтезе или его команды оказались заглушенными сигналами, которые подают другие гены, он передается в неизменном виде из поколения в поколение и вероятность его передачи ни в какой связи с его участием в биосинтезе не стоит. Как атом кислорода не хранит воспоминания о своем пребывании в составе воды, или углекислоты, или оксида кремния, так не хранит воспоминания о своем прошлом ген" (Берг, 1993, с. 259).

В этом ярком метафоричном описании основных постулатов классической генетики почти все сейчас подлежит ревизии (Голубовский, 1994, 1999). Устойчивость генонемы или нити ДНК в составе хромосом вовсе не подобна устойчивости атома, а регулируется целой системой ферментов, контролирующих три матричныхпроцесса — Репликацию, Транскрипцию и Трансляцию, и три собственно генетических процесса — Репарацию, Рекомбинацию и Сегрегацию нитей ДНК и хромосом. Обнаружены и каждый год открываются новые "гены метаболизма ДНК". Их белковые продукты образуют комплексы, которые следят за устойчивостью нитей ДНК, надежностью их репликации и рекомбинации, корректируют однонитевые и двунитевые повреждения. В свою очередь, степень активности этих комплексов весьма чувствительна к физиологическому статусу клетки. Устойчивость ДНК и темп мутаций могут в случае клеточного стресса меняться в десятки и сотни раз.

Партнер в гомологичном локусе хромосомы способен изменять характер активности гена–гомолога, вызывая его химическую модификацию (степень метилирования оснований ДНК) или характер его экспрессии в ряду клеточных поколений. Сюда относятся феномены парамутации, трансвекции и разнообразные, так называемые, гомолог-зависимые эффекты. Гены эукариот способны хранить память о своем прошлом, например, о том, побывали ли они в составе мужского или женского генотипа — и, соответственно, химически модифицироваться, меняя при этом характер своей активности. Этот феномен известен как генный и хромосомный импринтинг.

Сложный характер упаковки нуклеопротеидных комплексов в составе хромосом также модулирует работу генов вплоть до полного их глушения (gene silencing). Учитывая эпигенетическую модуляцию в проявлении и выражении любого наследственного признака, загодя нельзя сказать, связан ли данный фенотип со структурными изменениями в тексте ДНК или с изменениями состояния генов, степенью их активности на уровнях транскрипции или трансляции. Регуляция состояний генетических локусов образует сферу динамической или эпигенетической наследственности. Здесь возможны массовые определенные обратимые наследственные изменения, индуцируемые обычными средовыми факторами.

Если взять вышедшее в 1985 году второе издание авторитетной сводки "Гены" Б. Льюина (1987), используемое во всем мире как одно из основных руководств в области молекулярной генетики, то в списке терминов мы не найдем "импринтинг", "парамутация", "сайленсинг" и даже обобщающего понятия "эпигенетика" или "эпигенетические изменения". Но вот прошло около 10 лет и под эгидой известной лаборатории в Колд Спринт Харборе, где долгие годы работала МакКлинток, вышла специальная коллективная сводка "Эпигенетические механизмы генной регуляции" ("Epigenetic Mechanisms of Gene Regulation", 1997). Очень характерно посвящение книги:

"This book is dedicated to Barbara McClintock, who lived to see epi–genetics become a recognized discipline, and also to numerous investigators who contributed to the field before the importance of epigenetic mechanisms was widely understood" {"Книга посвящена Барбаре МакКлинток, которой удалось при жизни увидеть эпигенетику признанной дисциплиной, а также многим другим исследователям, работавшим в этой области, прежде чем эпигенетика стала общепризнана"). Благодатное поле для историков генетики — проследить за становлением и признанием идей в области эпигенетики.

Настоящие очерки имеют гибридный и несколько эклектичный характер. Изложение во многом основано на личном опыте автора в области экспериментального исследования явлений мутационного процесса, генной нестабильности в природе и поведения мобильных элементов. Хотелось также осмыслить другие аспекты проблематики непостоянства генома. Мне представлялось интересным взглянуть на трансформацию представлений, конфликты и парадоксы в истории генетики с оригинальных историко-научных позиций, обсуждаемых в работах А. А. Любищева (1975, 1982, 2000). Концепция личностного знания, развитая известным физико-химиком и историком науки М. Полани (1985), нетрадиционные подходы эпистемолога Л. Фейерабенда, а также идеи, высказанные в работах философа и культуролога Ю. А. Шрейдера оказались не только созвучны моим эмоционально–интуитивным ощущениям и переживаниям, но и вполне продуктивными в попытках по новому взглянуть на некоторые парадоксы в истории генетики.

Очерки по своему жанру вовсе не претендуют на какой-либо всеобъемлющий анализ проблемы, обозначенной в названии книги. Они во многом пристрастны и субъективны. Очерки были готовы к печати в 1996 году, но публикация стала возможной лишь в 2000 г. Я внес лишь необходимые уточнения и новые ссылки. Что касается выбора сюжетов и их истолкования, то я вполне следовал тезису И. Лакатоса (1978): "История науки есть история событий, выбранных и интерпретированных каким-то нормативным образом".

Подходом к анализу проблем истории науки и общим стилем я во многом обязан Александру Александровичу Любищеву (1890–1972), его статьи, книги и память о личном общении оказывают на меня глубокое влияние и ныне. Многие общегенетические вопросы, затронутые в очерках, обсуждались в беседах с Владимиром Яковлевичем Александровым (1906–1995), его мудрость и оригинальные концепции в области цитофизиологии и клеточной регуляции помогли мне в попытке целостного описания наследственной системы. В. Я. Александров первым внимательно и благосклонно прочел начальный вариант рукописи.

Я глубоко благодарен Роману Вениаминовичу Хесину (1922–1985) за постоянный интерес и поддержку моих экспериментальных исследований по нестабильности генов и вспышкам мутаций в природе, а также за личные встречи, обсуждения. Выход в свет в 1984 года его труда "Непостоянство генома" повлиял на всю атмосферу эволюционно-генетической проблематики; без знакомства с этой выдающейся книгой трудно представить адекватную ориентацию в области современной генетики и сопредельных с ней аспектов эволюции.

Особую признательность за многолетние плодотворные дискуссии, бесконечную доброжелательность я хотел бы выразить моему коллеге и другу Л. 3. Кайданову (1936–1998), безвременно ушедшему из жизни. Длительное общение и затем сотрудничество с Р. Н. Чураевым позволило глубже уяснить разные аспекты динамической наследственности и выдвинутую им концепцию эпигена. Очень помогли советами и замечаниями рецензенты рукописи Я. М. Галл и А. Л. Юдин, исследования которого в области эпигенетической наследственности не перестают поражать меня своей красотой и убедительностью.

Неизменную творческую и организационную поддержку в публикации материалов очерков оказывал Э. И. Колчинский. Неожиданный неподдельный интерес к проблематике очерков, убеждение в необходимости их публикации и помощь в этом отношении далекого от генетики молодого эволюционного физиолога А. Ю. Богдановой позволили мне преодолеть скепсис и поверить, что усилия, потраченные на публикацию, не окажутся напрасным "бесплодным жаром".

Несомненно, вся работа была бы невозможна без многолетней интеллектуальной и эмоциональной поддержки, воодушевления и творческого соучастия со стороны И. Н. Голубовской. Я очень благодарен моей дочери Ю. М. Голубовской за творческую компьютерную помощь при подготовке рукописи.

 

Глава 1. Историко-методологические основания исследования

 

"Научные идеи не могут не стареть, не стареют лишь лженаучные — они гибнут, минуя фазу старения"

В. Я. Александров

"Реактивность клеток и белки"

"Я не нахожу природу столь прямолинейной и рациональной. Что меня изумляет — это не ее элегантность и совершенство, но скорее ее состояние: она такова, как она есть и никакая другая. Я представляю природу в виде хорошенькой девушки. Благородной, но не совсем опрятной. Немного взбалмошной. Немного бестолковой в работе. Делающей то, что она может, тем, что находится у нее под рукой. Отсюда исходит моя готовность к самым непредсказуемым ситуациям."

Франсуа Жакоб

"The stature within. An autobiography"

О полярных подходах к истории науки: диалог

По удивительному совпадению в 1975 г. были опубликованы историко-научные размышления биофизика и молекулярного биолога М. В. Волькенштейна,… М. В.: Ценность относительной истины абсолютна. То, что однажды добыто наукой… А. А.: Возможен и другой взгляд на развитие науки, при котором прогресс науки не сводится к накоплению достоверных…

Концепция личностного знания

Неявное знание и его особая роль в биологии

М. Полани (1891–1976), английский философ и историк науки, в первый период своей научной деятельности успешно работавший в области физико-химии, уже… Целостные свойства сложной системы не могут быть познаны лишь изучением… Специалисты могут сформулировать некоторые общие принципы своей работы и указать на ключевые моменты своей…

Концептуальные открытия

Интеллектуальное превосходство человека над животными состоит прежде всего в возможности языкового представления, мыслительного процесса, а,… М. Полани вводит важное для истории науки понятие "концептуальное… В истории генетики очень велика была роль концептуальных открытий, к которым следует отнести введение новых терминов,…

Комплекс Пигмалиона и принцип сочувствия

Понятие "личностное знание" включает в себя не только то, что каждый исследователь и специалист в своем деле знает больше, чем может… Когда мы создаем понятие, пишет М. Полани, "Пигмалион, живущий в нас,… Можно выделить три степени научного постижения: 1) знание о каком-либо явлении или теории; 2) понимание с достаточной…

Обратное соотношение между правильностью и точностью

Диалектика соотношения точности и правильности в развитии науки — интересная философская и эпистемологическая проблема. Применительно к биологии она… В философском и историко-научном аспекте проблема соотношения точности и… Поучительным примером тонкого соотношения между правильностью и точностью может служить полемика В. Иогансена с Ф.…

Плюралистическая методология в истории науки

Принцип несовместимости и контраста

Для описания споров и противоречий в развитии генетики весьма продуктивны эпистемологические подходы, развитые П. Фейерабендом (1986).… Это обычное возражение П. Фейерабенд парирует доводом, что каждая идеология и… Эпистемология Фейерабенда включает принцип плюралистичности и пролиферации научных гипотез. Гипотезы обычно…

Многообразие эвристик. Особенности биологии

Концепция личностного знания, принцип пролиферации гипотез и другие аспекты нетрадиционного представления о науке могут служить хорошими ориентирами… Уже в ранней работе 1925 г., анализируя смену постулатов в генетике, Любищев… Ю. А Шрейдер (1982) сравнил традиционную и любищевскую систему познавательных ценностей в науке с противоположением…

Глава 2. Генетика и теория эволюции. Динамика взаимодействия

 

Анализ взаимодействия теории эволюции и генетики весьма интересен и плодотворен с точки зрения истории науки, методологии и философии биологии. Условно можно выделить три периода, когда развитие генетики в наибольшей степени затрагивало концепции эволюции.

Первый период, примерно с 1900 до начала 30-х годов, характеризуется резким конфликтом. Природа этого конфликта прекрасно отражена в словах основателя эволюционной генетики С. С. Четверикова (1926):

"Генетика в своих выводах слишком резко и определенно затрагивает некоторые уже давно сложившиеся общие теоретические взгляды, слишком жестко ломает привычные, глубоко гнездящиеся представления, а наша теоретическая мысль неохотно меняет колеи привычных логических обобщений на неровную дорогу новых, хотя бы и более соответствующих нашим взглядам построений. В такое же противоречие с обычными взглядами впала генетика и по отношению к нашим общим эволюционным представлениям, и в этом, несомненно, гнездится причина, почему менделизм был встречен так враждебно со стороны многих выдающихся эволюционистов".

Второй период — с начала 30-х до середины 70-х годов связан со становлением и упрочением Синтетической теории эволюции (СТЭ). СТЭ приняла дарвиновские положения, согласно которым эволюция происходит путем естественного отбора в направлении повышения приспособленности, а отбираемые наследственные изменения возникают случайно. СТЭ ассимилировала хромосомную теорию наследственности. В соответствии с ней материал эволюции — мутации отдельных генов, возникающих случайно с определенной частотой. Учет частоты мутаций, их характера и закономерностей распространения, степени гетерозиготности разных популяций по отдельным генам, характера полиморфизма составил предмет популяционной генетики, которая стала важным элементом СТЭ. В ее рамках возникла биологическая концепция вида, с главным критерием вида у эукариот — репродуктивной изоляцией.

Замечательные открытия генетики 50–60-х годов — установление химической природы гена, расшифровка генетического кода, механизмов синтеза белка, сделали фундамент классической генетики прочными, как казалось, неколебимым. Вместе с этим упрочилась и СТЭ. Как пишет один из создателей СТЭ Дж. Ледьярд Стеббинс в совместной статье с генетиком Ф. Айала, "хотя поначалу некоторые биологи отказывались принимать синтетическую теорию, вот уже четыре десятилетия большинство эволюционистов считают ее наилучшим объяснением эволюционных процессов. Таким образом, синтетическая теория заняла в биологии центральное место" (Стеббинс, Айала, 1985). Стало возможным в природных популяциях следить за изменениями "главной молекулы" — ДНК и ее продуктов белков–ферментов. Были забыты или казались несущественными сомнения, оппозиционные и альтернативные концепции, например, номогенез Л. С. Берга, концепция макромутаций Р. Гольдшмита и др.

Однако, начиная с конца 70-х годов, серия крупных открытий в генетике привела и приводит к существенному изменению или даже смене постулатов в области понимания механизмов наследственности и изменчивости. Наступил третий период взаимодействия теории эволюции и генетики. Были открыты и затем молекулярно "анатомированы" особым образом организованные мобильные элементы, обладающие склонностью к "перемене мест". Они способны регулировать работу других генов, создавать новые генные конструкции и переносить гены, минуя видовые барьеры (горизонтальный перенос). Была установлена мозаичная структура генов у эукариот, факты амплификации генных локусов, возможность их самостоятельного внехромосомного состояния. Изменилось представление о вирусах и о симбиозе и его роли в эволюции. Возник целый комплекс проблем, удачно названный Р. Б. Хесиным (1984) "Непостоянство генома". С изменением взглядов на структуру и функционирование наследственного аппарата многие факты, бывшие в "запасниках" или считавшиеся курьезными или странными, вышли на авансцену. Проблема непостоянства генома оказалась причастной к таким разнородным явлениям как пол у бактерий и нестабильные мутации, канцерогенез и азотфиксация, цитоплазматическая наследственность, клеточная адаптация, преобразование генома в эволюции.

Положения, считавшиеся твердо и надежно установленными, теперь, говоря юридическим языком, "принимаются к рассмотрению по вновь открывшимся обстоятельствам". В рамки современной генетики постепенно входят неканонические явления, напоминающие наследование модификаций и массовых определенных изменений, возникших в онтогенезе в ходе внешних воздействий (Хесин, 1984; Голубовский, 1985, Landman, 1991).

Наряду с хорошо установленными мутационными преобразованиями генома, выясняется широкое распространение неменделевской, немутационной наследственной изменчивости, когда изменения в популяциях возникают массово, с большой частотой и в определенном направлении.

Драматическая судьба новых открытий в генетике, в частности неприятие в течение 25–30 лет законов Менделя и спустя сто лет — открытия мобильных элементов (МакКлинток) будет истолкована в свете современных гносеологических идей о целях, содержании и динамики научного познания, которые кратко обсуждаются в первой главе (Любищев, 1975, 1982; Кун, 1977; Полани, 1985; Фейерабенд, 1986; Шрейдер, 1986; "Заблуждающийся разум", 1990; Налимов, 1993).

Укажу на ряд научных и историко-научных книг, в которых обсуждаются и анализируются разные аспекты первых двух периодов взаимодействия генетики и теории эволюции: Бабков, 1985; Воронцов, 1984; 1999; Грант, 1980; Гайсинович, 1988; Завадский, 1973; Завадский, Колчинский 1977; Любищев, 1982; Филипченко, 1977; сводки "Экология и эволюционная теория" (1984), Carlson, 1966; Mayr, 1982; Mayr and Provine, 1980.

Что касается концептуальных аспектов новых открытий в генетике в их связи с теорией эволюции, то наиболее интересной и содержательной является, на мой взгляд, книга Рудольфа Рэффа и Томаса Кофмена (R. Raff and T. Kaufman) "Эмбрионы, гены, эволюция", вышедшая в 1983 году (русский перевод 1986 г.). Фундаментальная сводка Р. Б. Хесина (1984) "Непостоянство генома" представляет собой подлинную энциклопедию молекулярно-генетических данных по мобильным элементам и связанным с ними разных форм неканонической изменчивости. Анализ новейших данных и краткое историко-научное обсуждение их с позиций генетики развития и эволюции читатель найдет в сводке Л. И. Корочкина (1999). Замечательная книга Л. 3. Кайданова (1996) содержит наиболее систематический обзор классических и новейших данных на стыке генетики и теории эволюции.

В глубоком и оригинальном научно-историческом труде В. И. Назарова (1991) впервые широко представлен весь спектр нетрадиционных, оппозиционных к дарвинизму концепций макроэволюции. Среди других оригинальных книг на русском языке по данной проблематике особо хотел бы отметить монографии Бердникова (1990) и Стегния (1991, 1993). Они обобщили свои многолетние оригинальные экспериментальные данные в области эволюционной генетики и представили их нетривиальное эволюционное истолкование.

 

Синтетическая теория эволюции. Традиции и утраты

Первая теория эволюции была выдвинута за 50 лет до Ч. Дарвина в труде Ламарка "Философия зоологии" (1809). Эта идея не укрепилась в науке,… "Наибольший успех имеет всегда тот, кто высказывает новое учение, когда… Чарльз Дарвин свел воедино все известные к тому времени факты о наследственности и изменчивости и предложил принцип…

Генетический антидарвинизм в период становления генетики

Номогенетический подход состоит в том, что существуют и требуют поиска специфические законы морфологии, организации, системы живых организмов и их… Признается связь, но не равноправие членов триады (Мейен, Чайковский, 1982).… Номотетический подход, последовательно проводимый Л. С. Бергом, а затем А. А. Любищевым (1982) состоит в признании…

Номогенетический аспект законов Менделя

Изменчивость представлялась Ч. Дарвину и его современникам неограниченной, беспорядочной, идущей во всех направлениях. Организм обладал как бы… Но лишь Мендель установил четкие количественные закономерности в наследовании… Выдающейся чертой менделевской работы было также постулирование связи наследования признаков с дискретными факторами…

Неадаптативные процессы в эволюции

В статьях А. А. Любищева "Философские проблемы эволюционного учения" и "О постулатах селектогенеза" (Любищев, 1982) есть… В классической статье С. С. Четверикова, опубликованной в 1926 г., был сделан… "Систематика знает тысячи примеров, где виды различаются не адаптивными, а безразличными (в биологическом смысле)…

Заключение по разделу 2.2.

 

В главах раздела 2.2. показано, что генетика в своем развитии с самых разных сторон приводила к ограничению постулатов дарвиновской теории (селектогенеза).

Основоположник генетики Мендель подчинил хаос изменчивости, которая во время Дарвина считалась неограниченной и беспорядочной, четким математическим закономерностям. Он установил порядок там, где Дарвин и его последователи видели причудливую игру "сил наследственности". После опытов В. Иогансена пришлось ограничить всемогущество естественного отбора. Оказалось, что индивидуальные отклонения (модификации) не наследуются и что отбор эффективен в популяции до тех пор, пока не исчерпана наследственная гетерогенность. С. И. Коржинский и Г. де Фриз установили, что наследственные изменения — мутации, в результате которых образуются элементарные виды (жорданоны), могут возникать вне всякого отбора, а не путем накопления мелких адаптивных уклонений.

Базируясь на представлениях Г. де Фриза, французский эволюционист и генетик Люсьен Кэно (1866–1951), открывший явление множественного аллелизма и летальные факторы у мышей, высказал и развил идею преадаптации. Приспособленность организмов не есть результат постепенного отбора, а следствие возникшего ранее нового мутационного признака, бывшего нейтральным или даже вредным в прежней среде (Назаров В. И., 1974, 1991). Вначале мутационно возникает новая структура, а затем в новых условиях отрабатывается ее приспособление. Отбор не отрицался, но из автора переводился в разряд редактора.

Экспериментальный анализ закономерностей географического распределения растительных видов привел Дж. Виллиса к выводу, что распределение видов в природе есть функция времени их возникновения и не определяется "борьбой за существование". Новые видовые формы возникают мутационно, затем сами выбирают нишу обитания. Процессы возникновения видов и адаптация путем естественного отбора, согласно де Фризу и Дж. Виллису, проходят в разных плоскостях. Этот же вывод обосновал С. С. Четвериков. Его работа ограничила принцип дивергенции Ч. Дарвина, согласно которому всякое различие между популяциями одного вида или близкими видами есть следствие адаптации.

Закон гомологических рядов Н. И. Вавилова несомненно следует считать ограничивающим представления классического дарвинизма. Как бы ни действовал отбор, изменчивость проходит в определенных рамках. Есть законы формообразования. Систематика организмов может строиться независимо от филогении. Наконец, в рамках генетики была обоснована уже выдвигавшаяся биологами в XIX в. идея о различии механизмов и факторов микро и макроэволюции.

Таким образом, есть основания назвать первый этап взаимодействия генетики и теории эволюции как этап генетического антидарвинизма, понимая под "анти" аспект научной критики. Несомненно, многие положения генетики удалось в 30-е годы совместить с классическим дарвинизмом. Место неопределенных дарвиновских изменений заняли мутации, которые, как оказалось, насыщают популяции в гетерозиготном состоянии. Помимо морфологических мутаций, были описаны затем мутации, вызывающие разного рода физиологические и биохимические отличия. Анализ судьбы мутаций в природных популяциях стал рассматриваться основным элементом в познании эволюции.

Казалось, синтетическая теория эволюции способна снять всю критику 20-х годов. Но на фоне явных успехов в познании материальных структур наследственности и наследственной изменчивости эти противоречия лишь ушли в тень. Постепенно с очевидностью выявилось, что само представление о мутационной изменчивости, взятое из хромосомной теории наследственности, грешит неполнотой. В рамках современной "подвижной" генетики резко изменилось представление о механизмах и формах наследственной изменчивости.

Неполнота хромосомной теории наследственности как фундамента СТЭ

Хромосомная теория наследственности, укрепившаяся в своих основаниях после открытия генетической роли нуклеиновых кислот, отвечает всем требовании… а) на основе небольшого числа постулатов она объединила множество фактов из… б) теория позволяет управлять явлениями и строить прогнозы;

Понятие "мутация": дилемма точности и полноты

Термин "мутация" до его введения в генетику был использован в эволюционной теории палеонтологом Ваагеном в 1868 г. для обозначения смены… Любопытно, что Рихард Гольдшмидт в своих лекциях "Основы учения о… Историк науки должен отметить, что чувство интеллектуальной красоты не обмануло зоолога и эмбриолога Р. Гольдшмидта:…

Концепция "главной молекулы" и редукционизм

В 1956 г. в Институте Джонса Гопкинса в Балтиморе (США) состоялся Международный симпозиум "Химические основы наследственности". В… Стержень докладов по анализу свойств нуклеиновых кислот, их роли в процессах… В последующие после 1956 г. 10–15 лет выяснение молекулярно-генетических механизмов этой цепи событий происходило как…

Глава 3. Переход от классической к "подвижной" генетике на рубеже 70–80-х годов

Количество ДНК в эволюции видов или С-парадокс

В рамках молекулярной и эволюционной генетики уже к началу 70-х годов были накоплены данные, которые пошатнули тезис, что ДНК хромосом ядра —… У разных видов лютика количество ДНК варьирует в 5 раз, у видов дрозофил — в… С-парадокс можно рассматривать в трех аспектах. Во-первых, отсутствие корреляции между сложностью организации и…

Методическая революция в молекулярной генетике

Г. П. Георгиев (1989) называет возникшие в 70-х годах новые методы анализа нуклеиновых кислот методической революцией. Расшифровка первичной… Однако уже в 1977 г. благодаря работам F. Sanger и W. Gilbert расшифровка… 1. Гель-электрофорез нуклеиновых кислот. В геле фрагменты молекул ДНК и РНК движутся тем быстрее, чем они меньше.…

К истории открытия мобильных элементов

Генезис открытия мобильных генетических элементов (МГЭ), изменивших лик современной генетики, необычайно поучителен с точки зрения судьбы научных… Основные факты и интеллектуальный контур (то что называется в работах по… 1. Анализ свойств высокомутабильных или нестабильных генов у растений и дрозофилы (Emerson, 1914; Demerec,…

Гипотеза МакКлинток и отношение к ней

Решительный прорыв в исследовании нестабильности был сделан в исследованиях ученицы Р. Эмерсона Барбары МакКлинток (1902–1992). Она высказала… В одной из линий кукурузы в мейозе Б. МакКлинток наблюдала регулярные разрывы… Когда из нестабильного гена фактор Ds перемещался в другой район, ген снова становился относительно стабильным.…

Инсерционный мутагенез и вспышки мутаций у дрозофилы

Исследования нестабильных генов у дрозофилы после работы Демереца не проводилось в течение 30 лет и возобновились лишь в конце 60-х годов в работах… Но никакого особого отклика (судя по запросам на статью) не было. Мелвин Грин… Неподготовленность, естественный консерватизм, нежелание отказаться от надежного постулата о стабильной локализации…

Открытие мобильных элементов у прокариот и их иерархия

Мутации, вызванные появлением мобильных элементов, были найдены у микроорганизмов случайно. Обычно для большинства спонтанных мутаций удается найти… Довольно быстро выяснилось, что существует целая серия инсерционных элементов.… Некоторые из ИС, подобно фактору Ds у кукурузы, регулярно индуцируют разрывы хромосом и делеции вблизи локуса…

Мобильные гены эукариот: случайность и целевой поиск

Мобильные гены дрозофилы были открыты случайно в ходе выделения клонов активно транскрибируемых генов. Выделяемая ДНК дрозофилы… Вначале эти клоны были названы как "мобильные диспергированные гены"… В лаборатории Дж. Рубина из Института Карнеги в Вашингтоне в 1982 г. был найден один из самых замечательных мобильных…

Мозаичность генов эукариот: непредсказуемое открытие

Практически одновременно с выделением подвижных элементов было сделано совсем непредвиденное открытие: мозаичная структура генов у эукариот.… Гены эукариот оказались мозаичными, составленными из сегментов, которые входят… Число нитронов в гене колеблется от одного до нескольких десятков. Рекордное число интронов (около 50) обнаружено в…

Quot;Почему гены кусками?" — необычная судьба заметки У. Гилберта

Термины экзон и интрон были введены в генетику Уолтером Гилбертом в его короткой заметке, опубликованной в 1978 г. Статья эта вовсе не… Последний за 1991 г. номер издающегося в Англии журнала "Контекст… Начать с того, что по оценкам G. Myers (1991), заметка У. Гилберта является одной из самых цитируемых в области…

Дискуссия по эгоистичной ДНК

Молекулярные генетики, приступившие к анализу структуры и функции генома и ДНК в начале 60-х годов в большинстве своем разделяли убеждение, что… 1) избыточное содержание ДНК в расчете на гаплоидное число хромосом; 2)… Анализ гетерогенности ДНК показал, что геномы эукариот содержат неинформативные последовательности, повторенные…

Что есть ген?: от Моргана до наших дней

Начну с цитат, предоставив читателю возможность отгадать, кто их автор и тем самым прикоснуться к истории генетики. 1. "У современных последователей Менделизма факты часто превращаются в… 2. "... Я как раз в это время отдал в печать небольшую статью, в которой критиковал известное предположение о…

Общее заключение. Сопоставление парадигм в генетике

В табл. 3 проведено сопоставление основных положений или постулатов классической и современной генетики о принципах организации наследственной системы и характере ее изменчивости. Различия — радикальные!

Таблица 3. Изменение представлений о структуре и функции генетического материала

Классическая генетика	"Подвижная" генетика
1. ДНК — хранитель наследственной информации; структура ДНК — код, все ее изменения функционально важны. Чем больше ДНК в геноме, тем больше генов. Многообразие форм в природе есть отображение многообразия ДНК	1. В хромосомах эукариот есть разные, заведомо неинформативные, нуклеотипные фракции ДНК, состоящие из многократных повторов. Близкие виды могут сильно отличаться по составу и количеству ДНК, имея одно и то же число генов
2. Центральная "догма": поток информации однонаправлен: ДНК –РНК — белок. ДНК — метаболически инертна	2. Канал РНК — ДНК обычен; РНК способна быть ферментом; белки регулируют стабильность ДНК и структуру хроматина
3. Колинеарность: физический размер гена у прокариот соответствует размеру кодируемого им белкового продукта	3. У эукариот ген мозаичен: есть экзоны и интроны, которые вырезаются из матричной РНК. Возможно "редактирование" мРНК
4. Ген занимает определенный локус в хромосоме и находится в одной или строго определенном числе копий у всех особей вида	4. Есть серии мобильных факультативных элементов; гены могут амплифицироваться, менять число своих копий и переходить во внехромосомное состояние
5. Репликация ДНК происходит только в ядре клетки	5. В цитоплазме кроме автономно реплицирующихся ДНК митохондрий и пластид есть разные ДНК и РНК носители
6. В клетках иногда встречаются внехромосомные элементы — плазмиды, способные встраиваться в хромосому	6. Плазмиды, кольцевые или линейные самореплицирующиеся сегменты ДНК и РНК, обычны для клеток про- и эукариот
7. Некоторые фаги бактерий способны встраиваться в хромосому и существовать в ней в форме профага, а также переносить гены из одной бактерии в другую	7. У всех эукариот происходит регулярное встраивание в хромосому сегментов РНК и ДНК-содержащих вирусов. Вирусы — универсальный вид мобильных элементов
8. Виды — генетически замкнутые системы. Симбиоз — редкое, исключительное явление	8. Наследственные системы эукариот полигеномны. Симбиоз и горизонтальный перенос — регулярные события

 

Фактическое обоснование всех указанных в таблице 3 представлений в новой "подвижной" генетике подробно представлено в монографии Р. Б. Хесина (1984). С позиций истории науки уместно привести свидетельства биологов, чьи убеждения сложились в рамках классической генетики. Вот как они восприняли новую систему взглядов о непостоянстве генома.

Приведу два отрывка из писем к Р. Б. Хесину в связи с выходом его книги (Из архивных материалов Р. Б. Хесина в Институте молекулярной генетики РАН, любезно предоставленных В. А. Гвоздевым):

1) Ботаник, физиолог растений и эволюционист академик А. Курсанов, 4.04.1984 г.: "Проблема, которую Вы так фундаментально освещаете, потрясает основы нашей веры в незыблемость генома. А к этому не может остаться безразличным ни один раздел биологии. Возможно, что учение о плазмидах внесет существенные коррективы в эволюционное учение".

2) Известный цитолог В. Я. Александров, 12.05.1984 г.:

"Я редактировал книгу В. Д. Жестянникова "Репарация ДНК и ее биологическое значение" (1979) и умилялся тому, как клетка заботится, чтобы в геноме все было в полном порядке. Теперь вызывает удивление, как вообще могут формироваться и существовать особи при всех тех вольностях, которые клетка позволяет геному. Хоть по кусочкам мне были известны отдельные стороны непостоянства генома, все же книга меня ошеломила. Она внесла существенные коррективы в мои общебиологические представления".

В этих двух независимых, экспертных, как говорят социологи, оценках важны указания, во-первых, на элемент веры в прежних представлениях о постоянстве генома, во-вторых, на необходимость резкой смены генетических представлений и, в-третьих, высказано убеждение о большом влиянии этой смены парадигм на эволюционные и общебиологические представления.

 

Глава 4. Обобщенная концепция генома. Облигатно-факультативный принцип структуры и функции

 

О семантической динамике понятий

 

Примеры из генетики

Семантическое поле понятий непрерывно меняется по мере изучения определенного явления или феномена. "Самый факт описания превращает динамический объект в статическую модель. ... В процессе структурного описания объект не только упрощается, но доорганизуется, становится более жестко организованным, чем на самом деле", — так определил трудность и опасность научного описания философ и культуролог Ю. М. Лотман (цит. по: Баранцев, 1994). В рамках философии науки и гносеологии рождается семиодинамика — ветвь знаний, которая анализирует сложный процесс динамики понятий и представлений и их соотнесения с реальностью (см. Семиодинамика, 1994).

Достижение полноты описания явления основано на равноправии и единстве трех способов познания: рациональном, сенситивном и интуитивном. Сознательное стремление использовать все эти три стороны мышления человека для постижения целою символизировано в системной триаде "субстанция — анализ — качество'' или "интуицио — рацио — эмоцио" (Баранцев, 1994).

Эта исходная позиция позволяет ориентироваться в динамике понятий в области биологии, объекты которой, начиная с клетки, поражают своей сложностью, целостностью и телеономичностью. Испытание временем обычно выдерживают относительно размытые, семантически мягкие (выражение Р. Г. Баранцева) понятия, которые в момент своего возникновения не стремятся сразу к точности, рискуя утратить в правильности, полноте описания. Лучшим примером является понятие "ген", семантическая эволюция которого прослежена выше.

Конкретное материальное воплощение или инкарнация термина "ген" все время менялось и меняется. Инвариантным оставалось и остается выражаемое им свойство дискретности генотипа. Справедливо замечено, что экспериментаторов "привлекают термины, по историческим причинам обладающие большей амбивалентностью значения, как например, "ген" или "локус" (Сойдла Т. Р., 1976). Понятие "ген" используется ныне для обозначения единиц транскрипции или трансляции, либо соответствует единицам, выявленным функциональным тестом на аллелизм. Семантика термина "локус" также претерпела дрейф: от первоначального обозначения места гена на хромосоме до обозначения любой дискретной генетической единицы в группе сцепления или хромосоме.

 

4.2. О понятиях "наследственность", "генотип" и "геном"

 

Согласование взглядов классической и современной генетики требует вновь обсуждения смысла основных понятий генетики. Наряду с геном В. Иогансен ввел термин "генотип" для обозначения генетической конституции зиготы или гаметы. Поразительно, но для В. Иогансена уже в начале века был свойственен целостный подход. Вновь уместно– привести его предупреждение, что "живой организм нужно понимать как ц е л у ю с и с т е м у, не только во взрослом состоянии, ной в течение всего его развития... Было бы н е п р а в и л ь н ы м предполагать бесконечную расчленяемость фенотипа живого организма на отдельные элементы, отдельные явления, т. е. на простые "фены" (Иогансен, 1933, с. 124).

Генотип зиготы, пояснял далее Иогансен, обусловливает все возможности развития особи и определяет "норму реакции данного организма". В генанализе термин "генотип" стал употребляться и в более узком смысле для обозначения перечня генов с аллелями, генетической формулы организмов в отношении определенных признаков.

В более широком смысле под генотипом часто понимают всю наследственную систему. Он соответствует свойству клеток и организмов обеспечивать структурную и функциональную преемственность между поколениями и специфический характер индивидуального развития в определенных условиях внешней среды (Лобашев М. Е., 1967, с. 12). В данном определении сохраняется традиция системности В. Иогансена. Подчеркивается при этом, что важна передача не только структурной, но и функциональной преемственности.

Любая наследственная система должна рассматриваться в трех аспектах: материальные носители, характер их взаимодействия между собой и определенность конечного результата (аспект целостности). Из такого системного подхода следует важный вывод: если завтра будет известна полная последовательность ДНК данного организма, этих сведений будет недостаточно для понимания того, как же функционирует эта структура. Необходимо знать характер связей между генами, изменчивость нормы реакции, условия онтогенеза, т. е. динамический аспект организации генотипа.

В 1929 г. Ю. А. Филипченко в осторожной форме высказал пророческую мысль, что "было бы неправильно видеть в связи между хромосомами и носителями наследственных свойств нечто обязательное... Ведь помимо материальной возможна и чисто динамическая связь" (Филипченко, 1929, с. 22). Смысл этой динамической связи стал проясняться после открытия Жакобом и Моно генов-регуляторов, а также в ходе исследований по эпигенетической наследственности.

Очевидно, что существуют не только структурные, но и динамические способы кодирования, хранения и передачи наследственной информации. Все эти три аспекта надо иметь в виду, когда речь идет о наследственной памяти или о структурной и функциональной преемственности. Семантика понятия "наследственность" (heredity) существенно изменилась, если сравнить издания генетического словаря 1958 и 1976 годов Ригер А., Михаелис М., (1967); A. Rieger, M. Michaelis, M. Green, (1976). В последнем издании доминирует информационный подход с указанием на основные матричные процессы: "Наследственность — это процесс, который обуславливает биологическое сходство родителей и потомков. Он включает сохранение специфичности в ходе репликации генетического материала (хранение генетической информации) и осуществляется путем транскрипции и трансляции генетической информации. Генетика — это наука о наследственности" (Riegei A., Michaelis M., Green M., 1976, с. 267). Заметим, что английский термин "heredity" соответствует русскому "наследственность", а термин "inheritance" следует переводить как "наследование". Оба термина семантически близки, но не синонимичны, хотя иногда употребляется взаимозаменимо.

Теперь рассмотрим семантическую динамику понятия геном. Впервые цитогенетик Г. Винклер в 1920 г. ввел термин геном для обозначения специфичного для каждого вида гаплоидного набора хромосом. В этом смысле говорят, например, о геномном анализе аллополиплоидных форм, выясняя происхождение мутаций или о геномных мутациях, когда происходит изменение гаплоидного числа хромосом. До недавнего времени термин геном использовался в двух смыслах. У эукариот геном соответствует гаплоидному набору хромосом с локализованными в нем генами. Генетики бактерий и вирусов стали употреблять термин геном для обозначения совокупности наследственных факторов одной "хромосомы" или группы сцепления прокариот.

Когда молекулярный генетик говорит о содержании ДНК генома, то обычно подразумевается либо ДНК одной генонемы прокариот, либо ДНК гаплоидного набора хромосом ядра. Имея в виду С-парадокс и что гены с их регуляторными последовательностями представляют как бы "острова в океане не генной, не информационной ДНК, А. П. Акифьев (1995) предлагает ввести термин основной геном или "базигеном" для обозначения минимума кодирующих и регуляторных последовательностей, которые необходимы клеткам полового пути для выполнения своих функций. У человека базигеном составляет около семи процентов его ДНК, а у амфибий менее процента. Согласно предположению А. П. Акифьева, хромосомы эукариот цитологически стабильны, если их критическая масса превышает 12–15 миллионов пар оснований. Критическая масса достигается наращиванием, амплификацией негенных последовательностей.

Интересна интерференция двух основных терминов генетики в подходе А. П. Акифьева (1995, с. 31), "геном — это вся ДНК хромосом, как бы вытянутая в одну нить, тогда как генотип — лишь часть генома". При этом к генотипу А. П. Акифьев относит лишь кодирующую и регуляторную часть генетического материала. Однако и исторически, и семантически термин "генотип" древнее и имеет более широкое генетическое толкование. Генотипические различия между двумя типами клеток или двумя организмами могут быть связаны со структурными изменениями самых разных частей генома, как ядерных, так и цитоплазматических, и не только с ними.

В генетике бактерий семантика термина геном претерпела дрейф в сторону обозначения всей наследственной конституции клетки, включая самые разные внехромосомные факультативные элементы (Прозоров, 1995). Постепенно в этом смысле термин геном стали употреблять и в генетике эукариот. Капитальная сводка Р. Б. Хесина (1984) названа "Непостоянство генома". В ней рассматривается непостоянство не только генетических ядерных элементов-хромосом, но и наследование через цитоплазму, генетические свойства плазмид, органелл и, как сказано в предисловии, самые разные аспекты "немутационной изменчивости".

В данной работе мы будем пользоваться расширительным смыслом термина геном, закрепленным в сводке Р. Б. Хесина (1984), подразумевая под этим у эукариот всю совокупность ядерных и цитоплазматических ДНК и РНК носителей с локализованными в них генетическими элементами, включая определенные функциональные (эпигенетические) связи между этими элементами. Иными словами, под геномом имплицитно подразумевается вся наследственная система клетки. Термины геном и генотип стали в этом расширительном смысле семантически близки, отчасти синонимичны.

Наследственная система или геном клетки эукариот слагается из двух полуавтономных структурных подсистем — ядерной и цитоплазматической.

Совокупность наследственных структур и локализованных в них наследственных факторов ядра иногда обозначают термином нуклеотип, а совокупность цитоплазматических наследственных факторов — цитотип (Лобашев, 1967, с. 544). Эти две подсистемы полуавтономны и находятся в структурном и функциональном взаимодействии, что вербализуется термином "система генотипа". С точки зрения функциональной генотип надо понимать как систему взаимодействующих генов (Лобашев, М. Е., 1967). И эта системность, как справедливо замечено, отражается уже в общепринятом обозначении гетерозиготы Аа с делением аллелей на доминантные и рецессивные. Уже это отражает результат их взаимодействия в системе генотипа (Инге-Вечтомов, 1976).

Системные свойства клетки

Аппарат наследственности не существует сам по себе, а лишь как часть клетки. Наследственность — это прежде всего свойство клеток. Поэтому для… В. Я. Александров (1985) дал общее определение клетки, которое справедливо и… Среди основных особенностей клетки В. Я. Александров называет прежде всего две, очень важные и в контексте организации…

Подразделение генома на две подсистемы. Облигатный и факультативный компоненты.

 

Необходимость согласовать концепции классической генетики с потоком необычных новых фактов в области современной генетики привела к представлению о том, что клеточная наследственная система, в особенности у эукариот, может быть естественным образом подразделена на два компонента структуры: облигатный — ОК и факультативный — ФК. Элементы этих двух подсистем отличаются по особенностям их организации, характеру протекания основных матричных процессов –репликации, транскрипции, трансляции (Голубовский, 1985).

Облигатный компонент ядра — совокупность генов, локализованных в хромосомах. В классической генетике это нашло отражение в построении генетических карт, где ген или блок генов занимают определенное положение у всех "нормальных" особей вида. ОК цитоплазмы — это гены ДНК-содержащих органелл, прежде всего митохондрий и пластид, для которых уже построены генетические карты.

Факультативный компонент (ФК) генотипа образуют последовательности ДНК, количество и топография которых могут свободно варьировать в разных клетках и у разных особей (вплоть до их полного отсутствия). Сюда входят также внутриклеточные, способные к автономной или полуавтономной репликации РНК-носители (плазмиды, вирусы). Термины "облигатный" и "факультативный" широко употребляются в биологии (в отношении партеногенеза, симбиоза и т. д.). В 1966 году в цитогенетике было введено понятие об облигатном и факультативном гетерохроматине, что позволило упорядочить многие факты в области структуры и функции хромосом.

Важная особенность факультативных элементов по сравнению с ОК, это наличие определенных аномалий в матричных функциях — репликации, транскрипции, трансляции, а также нерегулярности или аномалии в распределении этих элементов между дочерними клетками при делении (например, в случае В-хромосом). Существуют как внутриядерные, так и цитоплазматические факультативные элементы. В ядре факультативные элементы расположены в хромосомах или вне их.

Среди хромосомных факультативных элементов можно выделить:

1) фракции высокоповторяющейся ДНК, которые расположены блоками и повторены сотни тысяч или миллионы раз. Они, как правило, не способны к транскрипции. Эти фракции называют сателлитными (стДНК), если они резко отличаются по составу нуклеотидов от остальной ДНК генома. Доля стДНК у разных видов составляет от 1 до 80% генома. У ряда видов, например, у Drosophila hydei целое плечо Х-хромосомы образовано мультипликацией одного сателлита. У другого вида дрозофил Drosophila virilis три разных сателлита длиной в шесть нуклеотидов каждый расположены прицентромерными блоками и занимают более 40% всей геномной ДНК. В геноме человека эта фракция занимает 8–10% всей ДНК.

2) умеренно повторяющиеся последовательности (от 10 до 10⁵ раз) составляют 10–30% всей ДНК генома эукариот. Среди них есть элементы ОК в виде семейств повторенных жизненно важных генов, кодирующих рибосомные белки, гистоны, транспортные РНК и т. д. Но основу умеренных повторов составляют элементы ФК, прежде всего, разного рода семейства рассеянных по геному мобильных генетических элементов (данные по дрозофиле: Ильин, 1982; Ананьев, 1984). В геноме человека доля умеренных повторов составляет около 42% их средний размер около 400 н. п. (Fogel, Motulsky, 1982).

3) рассеянные по геному осколки генов ОК — их безинтронные копии, так называемые псевдогены, не способные к транскрипции, а также гены–сироты, одиночные копии семейств тандемно повторенных генов;

4) эндогенные вирусы, последовательности которых частично или полностью интегрированы в разные участки хромосом хозяина; такие последовательности есть у всех изученных видов эукариот (Хесин. 1984).

В клеточном ядре обнаруживаются разного рода ДНК и РНК-носители, которые образуют дополнительные фракции к основному набору хромосом. Сюда могут входить: 1) амплифицированные сегменты ДНК, способные иметь несколько особых цитогенетических воплощений: мелкие хромосомные образования, двойные микрохромосомы и т. д.; 2) внутриядерные симбионты в виде вирусов или бактерий; 3) добавочные или В-хромосомы. Они находятся в особом гетерохроматиновом состоянии, число их варьирует у разных особей одного вида и в разных тканях одного организма. В-хромосомы найдены более чем у 700 видов растений, у сотен видов беспозвоночных и около 20 видов позвоночных.

К факультативным элементам следует отнести и видо-специфичные внутриядерные симбионты-бактерии, которые обнаружены у инфузорий и интимно связаны с наследственной системой хозяина. Инфузории, зараженные такими цитобионтами, теряют способность вступать в половой процес, а особи, освободившиеся от них, различаются по количеству ДНК в микронуклеусах (Осипов, 1981). Внутриклеточные симбиотические бактерии обнаружены в ряде отрядов прямокрылых. Так, геном тлей уже 200–250 млн. лет сосуществует с облигатными цитобионтами — бактериями рода Buchnera. Ни тли, ни бактерии этого рода не могут существовать отдельно (Baumann, et al, 1995). Быстро растущие тли нуждаются в триптофане и других аминокислотах, которые поставляются облигантной внутриклеточной бактерией.

Совершенно удивительным цитобионтом, являются риккетсии рода Wolbachia. Они поселяются в генеративных клетках и передаются через цитоплазму яйцеклеток. Эти цитобионты найдены у 15–20% видов насекомых, но они встречаются в самых разных группах организмов — паукообразных, ракообразных, нематод. Кроме вертикальной, они способны передаваться горизонтально между разными родами насекомых и даже между насекомыми и ракообразными! Особенностью Wolbachia является их действие на репродуктивную систему видов-хозяев, так что их называют "репродуктивные паразиты". У большинства насекомых они вызывают цитоплазматическую несовместимость, партеногенез у перепончатокрылых и феминизацию генетических самцов у ракообразных. У дрозофил цитоплазматическая стерильность проявляется лишь в скрещиваниях зараженных самцов и не зараженных самок. А если оба пола заражены, то плодовитость нормальна. (Soligniac, 1994; Werren J., 1997).

Факультативный элемент цитоплазмы составляют разного рода линейные и кольцевые плазмиды, фрагменты гетерологичной (чужеродной) ДНК и РНК, микросимбионты и вирусы, способные синхронно воспроизводиться с геномом хозяина. Таким образом, структурную часть генотипа эукариот следует представлять в настоящее время как ансамбль взаимодействующих между собой информационных молекул, изучение которых должно вестись на языке и средствами популяционной генетики (Хесин, 1984).

К сходному выводу пришел Антонов (1986), предлагая рассматривать геном как "совокупность популяций генов" или "геноценоз", который организован и эволюционирует как динамическое сообщество популяций организмов. Взаимодействие ОК и ФК — это, по всей видимости, основной источник наследственных изменений в природе, того, что в классической генетике и СТЭ носит название спонтанный мутационный процесс.

Взаимодействие облигатного и факультативного компонентов

В. Я. Александров (1985) отметил вынужденную условность определений в биологии. Пытаясь охарактеризовать саму структуру или функцию, а не процесс их… Подразделение на облигатный и факультативный компоненты не является жестким.… Рассмотрим несколько примеров переходов в системе ОК — ФК.

Два компонента генотипа — две формы наследственной изменчивости. Мутации и вариации

Естественное разделение наследственной системы эукариот на две подсистемы — ОК и ФК приводит к расширенному представлению о формах наследственной… В первой главе уже отмечалось, что в хромосомной теории наследственности… а) весь генетический материал хромосом состоит из генов, вся ДНК имеет информативную функцию;