Текст книги "Дарвинизм в XX веке"

Автор книги: Борис Медников

сообщить о нарушении

Текущая страница: 9 (всего у книги 19 страниц)

На пути дальнейших исследований в этом направлении лежало бревно тетрануклеотидной теории. Убрать его удалось лишь Дж. Гулланду с сотрудниками через 10 лет после работ Белозерского. Тщательно определив содержание аденина, тимина, гуанина и цитозина в ДНК ряда объектов, они показали, что отношение их отличается от 1: 1: 1: 1.

Это стимулировало работы другого исследователя – классика химии нуклеиновых кислот Э. Чаргаффа. Чаргафф разработал методы, позволяющие определять состав ДНК и РНК в весьма малых количествах вещества (десятки граммов, по тем временам – огромный скачок; это сейчас ухитряются определять состав ДНК в кусочке отдельной хромосомы).

Чаргафф сам признает, что стремление изучать ДНК у него возникло после работ Эйвери, Мак-Леода и Маккарти, показавших, что именно она является тем самым загадочным фактором Гриффитса, изменяющим наследственность бактерий. В результате трехлетних работ его лаборатории от тетрануклеотидной теории ничего не осталось. И ДНК и РНК разных видов растений, животных и микроорганизмов оказались различными по составу. Этого мало – Чаргафф сформулировал свои знаменитые правила для ДНК, которые для будущей молекулярной биологии оказались тем же, что и эмпирические законы Кеплера для астрономии.

Именно: состав ДНК изменяется в довольно широких границах. Разумеется, мы говорим о составе, имея в виду азотистые основания – остатки фосфорной кислоты и углеводы во всех ДНК одинаковые.

Согласно Чаргаффу, сумма содержания аденина и гуанина в ДНК всегда равна сумме цитозина и тимина (А + Г = Ц + Т). Так же и содержание гуанина и тимина равно содержанию аденина и цитозина. Изменяться в ДНК мог лишь процент суммы гуанина и цитозина (% ГЦ). Состав РНК не был так жестко запрограммирован.

Слева – матричный синтез гена, как он представлялся Н. К. Кольцову в 1929 г. Справа – современная схема репликации ДНК.

Правила Чаргаффа, наряду с рентгенографическими исследованиями английских физиков М. Уилкинса и Р. Франклин, дали возможность физику Ф. Крику и генетику Д. Уотсону в Кембриджской лаборатории разгадать структуру ДНК – она оказалась двойной спиралью, легко разделяющейся на две половинки. В этом строении был великий смысл: отсюда автоматически вытекала возможность самоудвоения, репликации молекулы, репликации гена. Именно этот процесс протекает в клетках при делении, и именно его предсказал Н. К. Кольцов (только он полагал, что ген – белковая молекула). Так протянулась на сто лет цепь от исследователя к исследователю; Крик и Уотсон завершили дело, начатое Мишером в лаборатории Гоппе-Зейлера. Но эстафету от Мишера к ним на протяжении века передавали друг другу Коссель и Левин, Фельген и Белозерский, Гулланд и Чаргафф; лишь наше поколение достигло цели (я хотел написать – финиша, но финиша в науке нет, есть только следующий старт).

Жизнь на уровне молекул

Итак, гены оказались гигантскими, хорошо различимыми в электронный микроскоп нитевидными молекулами нуклеиновых кислот – ДНК и РНК. ДНК – генный материал подавляющего большинства организмов. В норме она двуцепочечна – это скрученная в спираль двойная нить, вернее, цепочка, структура которой поддерживается водородными связями, возникающими между смежными азотистыми основаниями нитей. При этом гуанин присоединяется к цитозину, а аденин к тимину. Г всегда столько же, сколько Ц, а А столько же, сколько Т. Из такой структуры автоматически вытекают правила Чаргаффа.

Однако ДНК не всегда двуцепочечна. Некоторые вирусы имеют одноцепочечную ДНК. В такой ДНК правила Чаргаффа не соблюдаются. У множества других вирусов в качестве генного материала выступает РНК (как двуцепочечная, так и одноцепочечная). Встречается у вирусов также и ДНК, содержащая рибозу вместо дезоксирибозы, и РНК с тимином вместо урацила.

Трудно сказать, какая из двух нуклеиновых кислот возникла первой в процессе становления жизни. На этот счет существуют разные мнения. Вернее всего, вначале было нечто среднее: икс-НК, сополимер рибоз и дезоксирибоз, который удается получить сейчас в эксперименте. Впоследствии роль главного носителя генетической информации взяла на себя ДНК по простой причине – она была более устойчива из-за отсутствия одного из гидроксилов в ее пентозе и двуспиральности. Генетическая информация закодирована лишь в одной из цепей. Вторая, комплементарная, нужна для репликации (удвоения) и репарации. Последний термин требует пояснения. Если из какой-либо цепи ДНК в результате мутационного процесса будет вырвано звено, специальные ферменты, репаразы, «исправят» разрыв, вставив основание, комплементарное к оставшемуся соседу: аденин пристроят к тимину, а гуанин – к цитозину.

Вирусы с одноцепочечными нуклеиновыми кислотами вряд ли были первыми обитателями нашей планеты. Все они – паразиты и размножаться могут только в клетках хозяев. У них нет механизмов для репликации ДНК и синтеза белковых молекул, слагающих оболочку. Все это они заимствуют у хозяев. Поэтому, быть может, справедливо мнение, что организация вирусов – результат вторичного упрощения. Они отказались от белоксинтезирующих систем как многие паразитические черви, обитающие в кишечнике, отказались от ставшей ненужной пищеварительной системы. Образно выражаясь, каждая вирусная частица подобна магнитофонной кассете с записью, а клетка, начиная с бактериальной, – целому магнитофону.

У вирусов нуклеиновые кислоты – относительно короткие цепочки. Наименьшие из известных имеют всего 1000–3000 пар звеньев. Начиная с бактерий геном существенно усложняется, хотя бактериальная ДНК также представлена одной молекулой, образующей единственную хромосому. Звеньев в ее цепи уже около трех миллионов. Бактериальные хромосомы – кольцевые, концы их состыкованы.

При делении клетки хромосома удваивается. Этот процесс осуществляет молекула фермента ДНК-полимеразы, похожая несколько на пуговицу с двумя отверстиями. ДНК-полимераза надевается на хромосому и движется по ней, пристраивая к каждой половине ДНК комплементарную ей половину. Эта реакция требует затраты энергии. Естественно, кольцо хромосомы должно при этом разорваться и потом воссоединиться, иначе дочерние кольца останутся связанными и не разойдутся по клеткам.

Каждая новая хромосома имеет одну половину от старой, а другую – синтезированную заново. Такое деление называется полуконсервативным.

Так же удваиваются гены в хромосомах высших организмов с оформленным ядром. Однако геном животных, растений и простейших устроен много сложнее, чем у бактерий, и содержит, кроме ДНК, комплексированные с нею белки. О структуре его до сих пор идут весьма оживленные дискуссии. Механизм многих явлений, наблюдавшихся издавна цитологами, пока еще остается неясным. Мы даже не знаем, состоит ли хромосома ядерных организмов из одной или нескольких молекул ДНК. На этом основании многие считают, что называть хромосомами генный аппарат бактерий неправильно, и предлагают другой термин – генофор, носитель генов. Но, в конце концов, дело не в названии.

РНК досталась не менее важная роль посредника между ДНК и белком, она же отвечает за перенос аминокислот к фабрикам белка – рибосомам и входит в состав тех же рибосом. Лишь у некоторых групп вирусов РНК переносит генетическую информацию от поколения к поколению. Трудно сказать, всегда ли гены этих вирусов были РНКовыми или же это явление вторично. Во всяком случае многие вирусы, в том числе первый из открытых – вирус табачной мозаики, отлично обходятся без ДНК.

Но так бывает далеко не всегда. Во многих случаях вирус не подавляет клетку своим бурным размножением, а предпочитает встроиться в геном хозяина, передаваясь его дочерним клеткам при каждом новом их делении. Разбойник становится приживальщиком. Это легко сделать ДНК-содержащим вирусам, но как быть РНК-содержащими? Выход один – стать ДНК-содержащими. В белковых оболочках таких вирусов есть особый фермент (обратная транскриптаза, или, как его еще называют, ревертаза), который синтезирует ДНК на нити РНК, и вновь синтезированная ДНК встраивается в геном хозяина. Это явление сейчас усиленно изучается – ведь оно широко распространено у онкогенных вирусов!

Одним из важнейших достижений биологии XX столетия является разгадка способа, при помощи которого генетическая информация закодирована в ДНК, и путей, которыми она передается на белок, а через белок определяет все признаки фенотипа. «Алфавит» жизни, генетический код, представляет тройные сочетания четырех нуклеотидов. Всего может быть 64 таких сочетания; из них 61 кодирует двадцать используемых в белках аминокислот, а три знаменуют окончание «белкового слова», на них синтез белка обрывается. Каждая из аминокислот кодируется несколькими сочетаниями нуклеотидов (триплетами, или, как их иногда называют, кодонами). Такой код называют вырожденным.

Слово «вырожденный» звучит неприятно и даже обидно. Однако ничего обидного в нем нет. Оно просто означает, что на каждую аминокислоту приходится не один, а несколько кодонов. Аналогию можно найти в языке – в соотношениях между звуками и буквами. Нередко одному звуку соответствует несколько букв. Так, в старорусской орфографии было два обозначения для звука «ф» (ферт и фита) и целых три для «и» («и» просто, «и» с точкой и редко применявшаяся ижица). Реформа 1917 года резко снизила вырожденность нашей орфографии, но не уничтожила ее. Именно поэтому Маяковский мог рифмовать – ленив, лифт, прилив – «в» и «ф» в конце слова читаются одинаково.

Какое же значение имеет вырожденность генетического кода для эволюции? Весьма большое – она значительно повышает надежность передачи информации с ДНК на белок. Сначала на матрице ДНК синтезируется так называемая информационная ДНК – так с исходных чертежей снимаются рабочие копии. При этом перекодировки не происходит – лишь тимин заменяется урацилом. На нити информационной РНК (сокращенно иРНК) синтезируются крошечными фабриками белка – рибосомами белковые молекулы. Как раз отсутствие рибосомного аппарата и заставляет вирусы быть облигатными, обязательными, паразитами.

Рибосома «считывает» генетическую информацию с иРНК, причем алфавит из 64 триплетов сменяется алфавитом из 20 аминокислот. Большая часть последних нуклеотидов в триплете необязательна для точного прочтения. Поэтому, если точковая мутация или ошибка считывания изменит третий нуклеотид, то беды не будет – в белок будет включена та же аминокислота и в том же месте.

А если мутация затронет первый или второй нуклеотид? Здесь положение сложнее, но отнюдь не безнадежно. Эта проблема – лишь часть гораздо более общего вопроса о так называемой неизбежной вредности мутаций.

Данные молекулярной биологии позволили по-новому оценить значение мутаций в эволюции. До сих пор распространено мнение о неизбежной вредности мутаций (излюбленная аналогия – попытка улучшить ход часов, ударяя их об стену). Сама по себе эта точка зрения довольно бессмысленна и недиалектична. Мутация вредна – но в каких условиях? Мы уже видели, что для обезьяны в условиях ее обычной диеты мутация в гене фермента, синтезирующего витамин С из глюкозы, безразлична, а у человека может стать причиной цинги. Есть и более эффектные примеры. Известны случаи, когда концентрация гена, летального для гомозигот, тем не менее поддерживается в популяции на высоком уровне, потому что гетерозиготы обладают большим селективным преимуществом.

У человека известна мутация, вызывающая серповидноклеточную анемию (ген S). При этой болезни эритроциты гомозигот имеют форму не круглой лепешки, а серпа. Кислород эти клетки связывают плохо, и рецессивные гомозиготы гибнут в младенчестве от анемии. Согласно уравнению Харди – Вейнберга, концентрация гена S должна быть низкой. На деле она достигает 36–40 % у ряда африканских племен. Оказалось, что гетерозиготы не заболевают малярией или сравнительно легко переносят ее. Установлена прямая связь между заболеваемостью малярией и частотой носительства гена S. Сходный эффект вызывают гены Т (средиземноморские страны) и некоторые другие. Любопытно, что гены, не обеспечивающие иммунитет к малярии, отбором не закрепляются (мутанты гемоглобина Пенджаб, Аравия, Сан-Хозе, названные так по месту обнаружения, и ряд других). Почему же ген S дает устойчивость к малярии?

Оказалось, что в гене S произошла точковая мутация, вызвавшая в строго определенном положении замену глутаминовой кислоты на другую аминокислоту – валин. В результате гемоглобин для малярийного плазмодия стал ядовитым.

Отсюда видно, что отбор исходит из интересов всей популяции и как бы равнодушен к судьбам отдельных особей. В результате вырабатывается механизм, при котором гомозиготы SS гибнут (в данном случае до миллиона детей ежегодно), но в целом популяция приспособлена к среде, где важным фактором является возбудитель малярии, из-за мутации, летальной для значительной ее части[10]10
  Известен один вид оленей, у которого серповидноклеточность эритроцитов стала видовым признаком и встречается у всех особей. По-видимому, в данном случае мутация гена S компенсируется другой мутацией, чем и снимается летальный эффект.


[Закрыть].

Кроме того, разные мутации по-разному изменяют фенотип. Сравним мутацию – с ампутацией: ампутация головы летальна, ампутация конечности понижает жизнеспособности организма. Но ведь возможны ампутация пальца, мозоли, злокачественной опухоли; они могут быть не только нейтральными, но и полезными.

В классической генетике чаще всего использовались для анализа мутации, довольно резко изменяющие строение фенотипа. Такие изменения генома действительно существенно снижали жизнеспособность фенотипа – вплоть до нуля. Анализ аминокислотных замен в белках открыл перед генетиками всю широту мутационных изменений. Прежде всего вырожденность кода приводит к тому, что далеко не каждая мутация изменяет аминокислотную последовательность. Если же замена произошла, например, не в функциональной части молекулы фермента и не изменила существенно ее структуры, свойства белка меняются очень незначительно. Эти-то ничтожные изменения, приводящие к сдвигу оптимальной зоны действия фермента, снижению или повышению его активности, большей или меньшей избирательности субстрата, и являются основным материалом для эволюционного процесса. Так по-новому осмысливается положение Дарвина: «Природа не делает скачков». Хотя каждая мутация – скачкообразное, качественное изменение генома (нуклеотид в триплете может быть либо тем, либо другим – середины нет), подавляющее большинство этих скачков лишь незначительно изменяют фенотип и создается неверное представление о постепенных количественных изменениях. Причина слабого воздействия большинства мутаций на фенотип – сохранение при мутации полярности аминокислот.

Аминокислоты, входящие в состав белков, различаются по химическим свойствам на полярные и неполярные. Полярные аминокислоты обладают группами с резко выраженным сродством к молекулам воды, они как бы смачиваются ею. Неполярные, наоборот, слипаются друг с другом. Поэтому произошедшая в результате мутации замена полярной аминокислоты на неполярную (и наоборот) резко изменяет всю конфигурацию белковой молекулы, ее вторичную структуру. Такие мутации часто бывают летальными (в гене S и произошла подобная замена полярной глутаминовой кислоты на неполярный валин). Однако, как показывают расчеты, генетический код построен так, что точковая мутация в большинстве случаев не изменяет полярности аминокислоты. Поэтому конфигурация белковой молекулы меняется не так значительно. В настоящее время большинство исследователей полагает, что на одну крупную мутацию, существенно изменяющую фенотип, а потому, возможно, летальную, приходятся сотни, а то и тысячи для нас практически незаметных. Мы можем их обнаружить, лишь определив аминокислотную последовательность в белке мутантной формы.

У ряда исследователей сложилось впечатление, что эволюция идет путем накопления безразличных (нейтральных, неприспособительных) замен белков в аминокислотах (так называемая «недарвиновская эволюция»). Нетрудно заметить, что ошибка эта довольно стара и представляет не что иное, как перенос идей Райта о нейтральных признаках на молекулярный уровень. Коэффициент отбора для таких аллелей может быть ничтожно мал; тогда адаптивность мутации может стать очевидной лишь через сотни поколений. Мы не способны ее заметить, как не замечаем течение ледника. И опять возникает вопрос – ведь так можно объяснить дивергенцию, обособление видов, но как в процессе эволюции без отбора может возникнуть целесообразность?

Неядерная наследственность и роль симбиоза в эволюции

Молекулярная биология не только необычайно расширила наши знания о природе генов и мутаций, но и пролила свет на природу неядерной (цитоплазматической) наследственности. Существование в цитоплазме клеток каких-либо внеядерных факторов, влияющих на признаки организмов, ламаркистами считалось (и считается до сих пор) одним из самых важных доводов против дарвинизма. Я, впрочем, никогда не мог оценить силы подобного довода. В самом деле: есть гены, локализованные в хромосомах ядра, и есть гены цитоплазматические, рассеянные в цитоплазме клетки. Чем это может помочь гипотезе о наследовании приобретаемых свойств? Даже классическую, домолекулярную генетику существование этого факта опровергнуть не может – сами генетики (К. Корренс – один из первооткрывателей менделизма и Э. Бауэр) открыли явление цитоплазматической наследственности и основательно его изучали.

Явление цитоплазматической наследственности лучше всего прослеживается на так называемых реципрокных – обратных – скрещиваниях. Сперматозоид представляет практически голое ядро с очень небольшим количеством цитоплазмы. Наоборот, яйцеклетка цитоплазмой богата. Поэтому, если в плазме есть какие-либо наследственные факторы, они окажут действие на признаки гибрида с материнской стороны. Цитоплазматически наследуемый признак отцом не передается; отсюда вероятно, что, если мы возьмем отца из породы с изучаемым признаком и этот признак не проявится в потомстве, вызывающий его фактор находится в цитоплазме.

Эти цитоплазматические факторы должны размножаться, реплицироваться так же, как ядерные гены. Иначе через, допустим, 50 делений в клетках останется этих факторов в 250 меньше, чем исходных. Репликация – удвоение – основное свойство наследственной частицы.

Например, некоторые разводимые в лабораториях линии всем известной инфузории туфельки обладают свойством выделять в среду вещество, губительно действующее на инфузории из других линий. Их называют «убийцами», по-английски – киллерами.

Оказалось, что в цитоплазме «убийц» есть крохотные и, очевидно, симбиотического происхождения частицы, содержащие ДНК и способные к размножению, так называемые каппа-частицы. Если темп деления каппа-частиц меньше темпа деления туфелек (а такие условия в опыте можно создать), через ряд поколений можно получить инфузорий без каппа-частиц, потерявших убийственные свойства.

У инфузорий наблюдается процесс половой рекомбинации, при котором они обмениваются ядрами через цитоплазматический мостик между клетками. Если по этому мостику успеют переплыть каппа-частицы, вторая клетка обретет свойства убийцы – при условии, если в ее геноме имеется ген К, без которого существование каппа-частиц в цитоплазме невозможно.

Всем известны очень эффектные пестролистные формы растений, часто разводимые в садах. Зеленая окраска обычных листьев обуславливается находящимися в цитоплазме частицами – хлоропластами, содержащими хлорофилл. Хлоропласты размножаются делением и передаются из поколения в поколение только через яйцеклетки, но не через пыльцу. Есть у них и ДНК, крайне похожая на ДНК сине-зеленых водорослей. В случае некоторых мутаций хлоропласты теряют способность к синтезу хлорофилла, но не к размножению. Такие обесцвеченные частицы передаются делящимся клеткам почек – и возникают листья сложно, мозаично окрашенные.

Так, может быть, хлоропласты – отдаленнейшие потомки сине-зеленых водорослей, некогда бывших симбионтами предков высших растений, как и каппа-частицы – симбионты инфузорий?

Полностью этот вопрос не решен, однако есть факты, позволяющие серьезно над ним задуматься. Ведь само явление симбиоза с фотосинтезирующими водорослями хорошо известно для грибов (лишайники!), простейших, рифообразующих кораллов, низших червей и даже моллюсков, вплоть до таких огромных, как тридакна. У хлоропластов есть свои собственные рибосомы, отличающиеся от обычных растительных, но как две капли воды схожие с рибосомами бактерий и сине-зеленых водорослей.

Наконец, известны опыты, в которых хлоропласты успешно осуществляли фотосинтез в синтетической среде и даже в совершенно чуждых для них клетках (хлоропласты шпината и фиалки хорошо себя чувствуют в фибробластах – клетках соединительной ткани – белых мышей). Все это позволяет считать гипотезу о симбиотической природе хлоропластов чрезвычайно вероятной.

Быть может, и все другие случаи цитоплазматической наследственности не что иное, как проявление далеко зашедшего симбиоза, нахлебничества или паразитизма? Каждый отдельный случай требует специального рассмотрения. Не исключена возможность, что иногда по каким-то неясным причинам кусок генома смог бы выйти из ядра и начать вести в плазме клетки самостоятельную жизнь. Ведь обратный процесс включения в геном хозяина вирусной ДНК мы уже знаем, как знаем и то, что он обратим. Именно этим объясняется эффект, когда бактериофаг, прежде встроенный в геном бактерии, вдруг «выходит из повиновения» и взрывает ее бурным размножением.

Не менее вероятный претендент на симбиотическое происхождение – митохондрии, энергетические фабрики клетки. В них происходит синтез аденозинтрифосфата – АТФ, поставляющего энергию для большинства жизненных процессов – будь то биосинтез белков, работа мышцы или мозга. Удивительное морфологическое сходство митохондрий с некоторыми бактериями давно было подмечено исследователями. Однако сейчас у нас есть и более серьезные доказательства их родства с бактериями. Митохондрии размножаются делением, имеют свою собственную ДНК, построенную по типу бактериальной кольцевой хромосомы, а также рибосомы – по всем деталям структуры не животные и растительные, а бактериальные.

Итак, весьма правдоподобно утверждение, что все организмы с оформленным ядром – симбиотического происхождения. Синтез АТФ у них выполняют митохондрии – потомки симбиотических бактерий. Растения же, помимо симбионтов-митохондрий, имеют еще и другие симбиотические органеллы – пластиды, ведающие фотосинтезом. Иногда это предположение опровергают тем, что для нормального функционирования митохондрий нужны ферменты, информация о которых содержится в ядре, без них они существовать не могут. Но ведь и солитер не может жить вне кишечника человека, однако ему никто не отказывает в самостоятельности.

В целом получается стройная концепция, похожая на описанную в фантастическом рассказе Р. Шекли. Там выведен космический корабль, представляющий содружество разумных существ с разных планет – Двигателя и Стенок, Глаза и Мозга. Но он не может летать без Ускорителя – и эту роль Шекли отводит человеку.

Вряд ли когда-нибудь такой корабль взлетит в космос, но на Земле некое подобие такого содружества существует уже не менее двух миллиардов лет.

В настоящее время установлено достаточно твердо, что все факты существования цитоплазматической наследственности связаны с наличием в цитоплазме самовоспроизводящихся и не возникающих заново структур. Эти структуры определяют какие-либо стороны жизнедеятельности клеток. К ним относятся самовоспроизводящиеся органеллы клеток (митохондрии, пластиды или хлоропласты растений, кинетопласты простейших), симбионты (частицы каппа у инфузорий туфелек) и паразиты (вирусы, вызывающие чувствительность к СО₂ у дрозофил).

Старая, но живучая гипотеза о том, что цитоплазматическая наследственность определяет признаки высших систематических единиц, а ядерная – признаки лишь в пределах вида, оказалась несостоятельной. Хотя митохондрии и пластиды отвечают за важнейшие функции организмов (дыхание и фотосинтез), генетическая информация, заключающаяся в них, по сравнению с ядерной ничтожна. В эволюции изменения генного материала органелл играют также небольшую роль, потому что митохондрии и пластиды в клетках представлены в большом количестве.

Мутация ДНК одной митохондрии не влияет на жизнедеятельность остальных. Так, сороконожка, потеряв одну ногу, ползет с прежней скоростью. Как и у бактериеподобных предков, у митохондрий и пластид практически отсутствует постоянная генетическая рекомбинация и кроссинговер, а это еще более снижает их пригодность в качестве материала для эволюции. Заметим, что генетическая рекомбинация у бактерий возможна лишь при наличии так называемого полового фактора и эписом – структур явно вирусного происхождения.

Так что все попытки использовать феномены цитоплазматической наследственности для опровержения дарвинизма оказались несостоятельными. Наоборот, в свете данных молекулярной биологии они позволили рассмотреть с совершенно иной стороны вопрос о значении симбиоза в эволюции. Симбиоз – это не только содружество актинии и рака-отшельника, но и путь возникновения принципиально новых групп организмов, завоевавших Землю – растений и животных.

Опровергнута ли центральная догма?

В последнее время, главным образом в популярной литературе и особенно в газетных статьях, начался ажиотаж вокруг так называемого «опровержения центральной догмы». У ряда читателей могло сложиться впечатление, что молекулярная биология восстановила в правах ламаркизм. Остановимся на этом вопросе подробнее.

В примитивном варианте центральная догма молекулярной биологии выглядит так:

ДНК → РНК → белок

Фактически это развернутая и расшифрованная на молекулярном уровне схема классической генетики:

генотип → фенотип,

которая означает вот что: информация передается от генотипа (ДНК) к фенотипу (белок), но не наоборот. Правда, у многих вирусов выпадает первое звено (ДНК): для них геномом является сама РНК. Бывает и наоборот: встроенные в геном хозяина вирусы отказываются от конечного звена цепи – фенотипа и лишь передают свою генетическую информацию вместе с хозяйской.

Эта схема, в общем правильная, была неполной. Поэтому когда американский вирусолог Г. М. Темин открыл фермент, названный им РНК-направляемой ДНК-полимеразой, его открытие произвело впечатление разорвавшейся бомбы и сбило с толку многих журналистов (да и не только журналистов). Фермент Темина – это как бы РНК-полимераза навыворот. Он синтезирует не иРНК на ДНК, а ДНК на матрице онкогенного, опухолеродного вируса. Информация идет наоборот? Так и решили – информация-де идет от фенотипа к генотипу.

Справедливости ради следует отметить, что Темин не был первым. Ученик Н. К. Кольцова и С. С. Четверикова С. М. Гершензон много раньше (1960) столкнулся с загадочным явлением: ДНК-содержащий палочковидный вирус тутового шелкопряда в организме хозяина исчезал; взамен его появлялись многогранники – полиэдры. Выделенная из больных насекомых РНК, введенная здоровым, вызывала появление полиэдров и ДНК-содержащих палочковидных вирусов! Это можно было объяснить лишь тем, что вирус ядерного полиэдроза может существовать в двух взаимопереходящих формах: ДНК– и РНК-содержащей. Однако Гершензону и его сотрудникам не поверили, отчасти потому, что они не смогли выделить сам фермент, отчасти и потому, что, как известно, нет пророка в своем отечестве. А зря: тот же Темин показал, что в зависимости от ряда условий одни и те же ДНК-полимеразы могут считывать информацию с РНК на ДНК.

Однако как же быть с центральной догмой?.. Весь вопрос в том, будем ли мы считать РНК фенотипом или генотипом. РНК двойственна: транспортная РНК, переносящая аминокислоты к рибосомам, и рибосомная РНК относятся к фенотипу, вирусная РНК составляет геном вируса и потому должна быть генотипом. Информационная РНК (иРНК) как бы посредине: являясь точным слепком гена, она может вернуться в прежнее состояние. Есть вполне обоснованная гипотеза о том, что все РНК-содержащие вирусы были прежде ДНК-содержащими, но потом стадия ДНК выпала из цикла их развития. Однако она может и восстановиться, как это мы видим у вирусов онкогенных, опухолеродных.

Только если мы отождествим ген с ДНК, можно говорить о крушении центральной догмы. Но, как и в случае с цитоплазматической наследственностью, когда наличие генов ограничивали ядром, это будет борьба с выдуманным противником.

После шума в печати, вызванного открытием Темина, один из основателей «центральной догмы» Ф. Крик выступил со специальными разъяснениями. Он разделил всевозможные пути переноса генетической информации на три группы – общие, специальные и неизвестные. В каждой группе по три канала. Группу общих путей мы уже знаем:

1. ДНК → ДНК; процесс, постулированный еще Н. К, Кольцовым. Это самоудвоение, репликация гена, осуществляемая при каждом делении бактериальной клетки, хлоропласта и митохондрии, при каждом митозе.

2. ДНК → РНК; процесс синтеза РНК на матрице ДНК. Таким путем синтезируются транспортные, рибосомные и информационные РНК (так называемая транскрипция).

3. РНК → белок; процесс трансляции, то есть синтеза белковой цепи на рибосоме, считывающей информацию с иРНК. Он-то и создает основу для построения фенотипа.

Вторая группа переносов, специальная, нам тоже известна:

1. РНК → РНК: это синтез РНК-содержащих вирусов, например, вируса табачной мозаики. Ясно, что этот процесс может осуществляться не в каждой клетке, а лишь в клетке, зараженной вирусом.

2. РНК → ДНК; синтез ДНК на матрице вирусной РНК с последующим включением в геном хозяина. Из-за этого-то процесса и разыгрался весь спор о центральной догме. В последнее время уже упоминавшийся нами Темин выступил со смелой гипотезой: он предположил, что такой синтез идет в обычных клетках; информационная РНК может снова перейти в стадию ДНК и вернуться в геном. Она же может переходить от клетки к клетке, «заражая» последнюю информацией. Такие молекулы Темин называет протовирусами и полагает, что, «взбесившись» в результате мутации, протовирус может стать онкогенным (опухолеродным) вирусом. Гипотеза очень заманчивая, объясняющая многие проблемы становления организма из яйцеклетки. Хорошо бы найти эти протовирусы, но пока прямых доказательств их существования не имеется.

3. ДНК → белок; этот процесс использования однонитчатой ДНК как матрицы для работы рибосомы удалось воспроизвести в лаборатории. В природе он не наблюдался, но, как указывает Крик, вполне вероятен для каких-либо вирусов, особенно с однонитчатой ДНК.

И наконец, третья группа – неизвестных переносов:

1. Белок → белок; синтез белка на белковой же матрице. Он никогда не наблюдался и все меньше шансов, что будет когда-нибудь обнаружен. Некоторое оживление вызвало открытие антибиотиков группы грамицидина. Эти цикличные десятизвеньевые цепочки, содержащие необычные и непригодные для обычного матричного синтеза аминокислоты, создаются всего двумя ферментами. Но информация о постройке этих ферментов также идет из генома.