Текст книги "Мы и её величество ДНК"

ГЛАВА ПЕРВАЯ. НАЧАЛО НАЧАЛ

в которой безвестный монах, даже не подозревая о существовании ДНК, с изумительной прозорливостью прослеживает ее деяния, создает АЛГЕБРУ ЖИЗНИ, прокладывая тем самым пути для разведчиков будущего.

Знаменательный юбилей

В августе 1965 года в чехословацкий город Брно съехались со всего света ученые. Русские и американцы, немцы и бельгийцы, индусы и болгары, представители молодых стран Африки и государств Латинской Америки, они говорили каждый на своем языке, однако был у них всех и общий язык —1:1, 3:1, 9:3, 3:1, – язык генетических формул. Этим формулам, открытию чешского ученого Грегора Менделя, в тот год исполнялось сто лет.

Какое открытие он сделал?

Писатели-фантасты часто описывают будущее, проникновение в него человечества. Для Менделя будущее не было фантастикой. Каждодневная работа вела в него, полное непонимание окружающих не помешало Менделю опередить свой девятнадцатый век.

Но чем же знаменит Мендель?

Отшельник оказывается совсем не отшельником

В начале прошлого века, в 1822 году, в Австрийской Моравии, в деревушке Ханцендорф, в крестьянской семье родился мальчик. Он был вторым ребенком в семье. При рождении его назвали Иоганном, фамилия отца была Мендель.

Жилось нелегко, ребенка не баловали. С детства Иоганн привык к крестьянскому труду и полюбил его, в особенности садоводство и пчеловодство. Как пригодились ему в дальнейшем навыки, приобретенные в детстве!

Выдающиеся способности обнаружились у мальчика рано. Менделю было одиннадцать лет, когда его перевели из деревенской школы в четырехклассное училище ближайшего городка. Он и там сразу проявил себя и уже через год оказался в гимназии, в городе Опаве.

Платить за учебу и содержать сына родителям было трудно. А тут еще обрушилось на семью несчастье: отец тяжело пострадал – ему на грудь упало бревно. В 1840 году Иоганн окончил гимназию и параллельно – школу кандидатов в учителя. Как пишет он сам, это обеспечило ему скромное существование.

Несмотря на трудности, Мендель продолжает учебу. Теперь уже в философских классах в городе Оломеуц. Тут учат не только философии, но и математике, физике – предметам, без которых Мендель, биолог в душе, не мыслил дальнейшей жизни. Биология и математика? В наши дни это сочетание неразрывно, но в XIX веке казалось нелепым. Именно Мендель был первым, кто проложил в биологии широкую колею для математических методов.

Он продолжает учиться, но жизнь тяжела, и вот настают дни, когда, по собственному признанию Менделя, «дальше переносить подобное напряжение уже не под силу». И тогда в его жизни наступает переломный момент: Мендель становится монахом. Он отнюдь не скрывает причин, толкнувших его на этот шаг. В автобиографии пишет: «Оказался вынужденным занять положение, освобождающее от забот о пропитании». Не правда ли, откровенно? И при этом ни слова о религии, боге. Неодолимая тяга к науке, стремление к знаниям, а вовсе не приверженность к религиозной доктрине привели Менделя в монастырь. Ему исполнился двадцать один год. Постригавшиеся в монахи в знак отрешения от мира принимали новое имя. Иоганн стал Грегором.

Грегор Мендель.

Однако что-то не сиделось ему в монастыре. Вот перечень заграничных поездок Менделя: он побывал во Франции, в Англии, Риме, Гамбурге, Киле, Берлине, Венеции. Много ездил он и внутри страны, а в Вене, где учился в университете, жил годами. Лишь одна из поездок – в Рим, где представлялся он папе, – была по монастырским делам, а все остальные – на научные съезды и выставки.

А еще флористические экскурсии. Мендель их совершал постоянно. Бродил в окрестностях Брно, часто весьма далеких, искал редкие и измененные растения. Нет, он не собирал гербарий. Свои находки нес в монастырь, высаживал в маленьком садике, наблюдал за их ростом, за тем, как наследуют они свои особенности. Конечно, это отрывало его от монастырских дел, но, очевидно, именно к этому он и стремился.

Невольно напрашивается вопрос: а как же монастырское начальство? Почему разрешало оно Менделю экскурсии и поездки? Ответить на это не так уж сложно, нужно только учесть историческую обстановку.

Девятнадцатое столетие подвело черту под средневековьем. От безраздельного влияния религии на все стороны жизни остались только воспоминания. Однако католичество все еще сила немалая, но тому, кто недавно был всемогущ, трудно смириться с ограничениями. И от былой отгороженности монастырей от мирской жизни приходится отказаться. Монастыри включаются в активную борьбу за влияние на массы. В школы, больницы, даже в правительства и науку направляются эмиссары в рясах: считается, что тем самым они несут в массы «божье» слово. И Мендель в этой обстановке использует любую возможность для научной работы.

Карта путешествий Менделя.

В науке не было человека более скромного, чем Мендель: никогда он не рекламировал свои работы, свои достижения, никогда ни о ком из ученых не сказал худого слова. Однако в жизни, в обстоятельствах, с наукой не связанных, Мендель был волевым, энергичным, деятельным. Он умел постоять за себя, об этом свидетельств вполне достаточно. И в то же время не сыщешь ни одного, которое бы говорило о... религиозности Менделя. Это не значит, что он был безбожником. Просто не было у него потребности обращаться к богу ни в научной работе, ни в спорах, ни в письмах – обходился без него, объясняя все причинами материальными. Эмиссар в рясе был эмиссаром науки.

О том, как он выглядел, свидетельствует современник: «Еще теперь я его вижу перед собой, как он идет по Булочной улице, спускаясь к монастырю: среднего роста и широкоплечий, хороню настроенный, с крупной головой и высоким лбом и золотыми очками на благожелательных, но проницательных голубых глазах. Почти всегда он носил штатское платье, цилиндр на голове, длинный, черный, обычно чересчур широкий сюртук и короткие брюки, заправленные в высокие, жесткие сапоги». Чей это облик? Скорее, учителя тех лет, горожанина или крестьянина, быть может ученого, но уж никак не монаха.

Был период, когда его сделали священником. Совсем недолгий период. Утешать страждущих, снаряжать в последний путь умирающих. Не очень-то это нравилось Менделю. И он делает все, чтобы освободиться от неприятных обязанностей.

Иное дело учительство. Мендель преподавал в городской школе, не имея диплома учителя, и преподавал хорошо. Его бывшие ученики с теплотой вспоминают о нем – сердечном, благожелательном, умном, увлеченном своим предметом.

Интересно, что Мендель дважды сдавал экзамен на звание учителя и... дважды проваливался! А ведь он был образованнейшим человеком. Нечего говорить о биологии, классиком которой Мендель вскоре стал, он был высокоодаренный математик, очень любил физику и отлично знал ее.

Сохранились сведения об одном из его ответов – речь шла о происхождении Земли. Мендель говорил о теории Канта – Лапласа, об образовании небесных тел из туманностей. Ответ был совершенно правильным с точки зрения науки тех лет. Но он не соответствовал религиозным догмам о божественном акте творения. Не поэтому ли Мендель и получал неудовлетворительные оценки?

Провалы на экзаменах не мешали его преподавательской деятельности. В городском училище Брно Менделя-учителя очень ценили. И он преподавал, не имея диплома.

«Период «затворничества». Правило доминирования

В жизни Менделя были годы, когда он и впрямь превратился в затворника. Но не перед иконами склонял он колена, а... перед грядками с горохом. С утра и до позднего вечера трудился он в маленьком монастырском садике (35 метров длины и 7 метров ширины). Здесь с 1854 по 1863 год провел Мендель свои классические опыты, результаты которых не устарели и по сей день.

Этим опытам предшествовала длительная подготовка.

До нас не дошли ни перечень прочитанных Менделем книг, ни записи его; однако по письмам к ботанику Негели нетрудно заключить: перечитал он всё, что писалось до него по вопросам наследственности.

А до Менделя в вопросах наследственности не было ясности. Каких только не высказывалось гипотез! И в общем-то все они были несостоятельными. Только лишь двое – Огюстон Сажрэ и Шарль Ноден – были близки к открытию законов, по праву называемых менделевскими. Можно даже сказать, что этим ученым оставалось сделать один только шаг, но, чтобы его сделать, надо было быть Менделем!

Мы не будем здесь рассматривать взгляды ученых, предшественников Менделя, – нет в этом нужды. Однако о некоторых представлениях, существовавших в ту пору в среде селекционеров, сказать нужно хотя бы потому, что и ныне они кое-где бытуют. Так, рассматривая гибриды, говорили о доли «крови» родителей: полукровки, четвертькровки и т. д. Между тем первая и очень важная заслуга Менделя состоит именно в том, что он понял: такие расчеты не ведут ни к чему. Напротив, они заслоняют от исследователя картину наследования. Организм – единое целое. Это верно. Но ведь и целое состоит из частей! Эти части неразрывно связаны между собой, но тем не менее они существуют раздельно. Недаром говорят: глаза отцовские, а волосы как у матери!

Монастырский садик в Брно.

Мендель понял: организм слагается из признаков. Нет, это не мозаика признаков, не простая сумма, потому что ни глаза, ни волосы отдельно от организма существовать не могут. И все же наследуются именно признаки: карие или голубые глаза, курчавость или прямоволосость.

Это было первое открытие Менделя, сделанное им еще до опытов с горохами. Однако это не теоретическое открытие. Мендель в своей монастырской келье занимался скрещиваниями мышей разных окрасок. Результаты опытов он не публиковал, церковники могли бы их счесть греховными.

Свои основные опыты – с горохом – Мендель очень хорошо продумал. Четкая постановка опытов, совершенно новые для тех лет методы удивляют даже нас, людей XX века.

Опыт должен быть чист. Мендель понимает это и тратит два года на то, чтобы проверить выбранные для эксперимента горохи: как они себя поведут, достаточно ли четко будут наследовать свои признаки? А маленькие жучки, ползающие по растениям и могущие ненароком перенести пыльцу или попортить горошины? Сколько хлопот они доставили Менделю! Нелегко было их победить, и все же своего он добился: ни один из его опытов не был испорчен. Он изучил десять тысяч растений и лишь в нескольких случаях обнаружил случайную примесь чужой пыльцы!

Мендель выбрал семь пар горохов. Партнеры каждой из пар отличались друг от друга лишь по одному, четко выраженному признаку:

семена гладкие или морщинистые,

семядоли желтые или зеленые,

семенная кожура белая или серая,

бобы гладкие или с перехватами,

зрелые бобы зеленые или желтые,

цветы пазушные или верхушечные,

оси короткие или длинные.

Инструментарий Менделя.

Как ужо было сказано, Мендель проверял растения в течение двух лет (1854—1855) и всегда они давали одинаковое потомство.

Выбранные горохи скрещивались попарно. Взяв кисточкой пыльцу с одного растения, Мендель переносил ее на пестик другого. Всего таким образом было проведено 287 искусственных оплодотворений: исследователь понимал, что для надежных выводов нужен большой материал.

Но вот наконец пришло время, когда стали ясны результаты опытов. Они были предельно четкими и, с точки зрения представлений, существовавших до Менделя, удивительными.

Гибриды первого поколения – полукровки. Какими же они оказались? Вовсе не промежуточными.

В каждом из скрещиваний проявился только один из признаков.

Когда у одного из родителей семена были гладкими, а у другого морщинистыми, все сто процентов потомков имели гладкие семена. Точно так же при скрещивании растений с зелеными семядолями; с теми, у которых семядоли были желтыми, потомство имело желтые семена.

И так по всем скрещиваниям. Один из признаков господствовал, подавлял другой признак.

Такой господствующий, подавляющий признак Мендель назвал доминантным; другой же, подавляемый признак, носит название рецессивного. Рецессивные признаки в первом поколении не проявлялись ни у одного из многих сотен гибридов.

Правило и исключения. Закон единообразия первого поколения

«Но, быть может, так бывает лишь у горохов?» – подумает пытливый читатель. И тут же вспомнит, что совсем недавно противники современной генетики называли законы Менделя «гороховыми».

Пытливый читатель прав. Ничто нельзя принимать на веру. Проверять, проверять, проверять – это главное свойство, которое должно быть присуще исследователю. Не верить единичному результату! Без этого не может существовать ни одна наука.

В угоду такому читателю обратимся к иным, «негороховым» примерам.

Тюльпаны. Что получится, если белый цветок опылить пыльцой красного? Каковы будут цветы у гибридов? Розовые? Нет. Все они окажутся красными. Красный цвет у тюльпанов – доминант, белый – рецессив.

Но тюльпаны – растения. А как обстоит дело с животными? Сейчас посмотрим. Начнем с самых простых позвоночных – с рыб.

У диких панцирных сомиков тело серое, а по нему правильным орнаментом лежат коричнево-черные пятна. Но встречаются сомики иные – розовые альбиносы. Что получится, если серого коврового скрестить с розовым? Ковровая окраска будет доминировать, а альбинизм окажется рецессивом. Все потомство в первом поколении будет ковровым.

Подобные примеры можно было бы подобрать для любого класса животных, но мы перепрыгнем через несколько ступеней систематической лестницы живых существ и обратимся к птицам. На цветной вклейке нарисованы павлины. Пава обычная, пестрая, а самец – белый. Каким будет потомство? В первом поколении оно все окажется пестрым, дикого типа. Он – доминант, белая окраска здесь рецессив.

А вот еще любопытная фотография: жираф-альбинос в стаде обычных жирафов. Какое будет потомство от пестрого жирафа и альбиноса? Обязательно пестрое (конечно, если пестрый жираф негибриден).

Жираф-альбинос в стаде обычных жирафов.

И наконец, человек. Здесь есть тоже рецессивные и доминантные признаки. Темные глаза (карие, черные) доминируют, например, над голубыми.

Что скажет теперь пытливый читатель? Быть может, следующее: а нельзя ли проверить самому?

Пожалуйста! У тебя есть аквариум? Если нет, возьми трехлитровую банку.

В аквариумах водятся улитки – катушки. Есть специальная аквариумная порода: катушка красная. Это альбинос, сквозь прозрачные покровы которого просвечивает алая кровь. А в природных водоемах – прудах, медленных речках – тьма-тьмущая катушек обычных, коричневых или черных. Налей в банку воды, дай ей отстояться, брось туда несколько веточек водных растений и поставь на свет. Примерно через неделю можно пустить туда крупных катушек: красную и черную. Изредка бросай на поверхность маленький кусочек морковки, ею катушки будут питаться. При температуре 20—30° улитки уже через несколько дней отложат икру. А через 3—5 недель из икры вылупятся катушата. Они подрастут, и ты увидишь: все будут черные, ни одной красной. Черный цвет здесь доминант, красный – рецессив.

Число примеров я мог бы значительно увеличить, мог бы заполнить ими всю эту книжку. Но вряд ли есть в этом нужда. Уже сейчас можно сформулировать правило доминирования: при скрещивании наследственно чистых форм в первом поколении проявляются доминантные, господствующие признаки, а признаки рецессивные не проявляются.

Из правила есть исключения. Одно из них – наследование окраски цветков у растения мирабилис (ночная красавица). У этого растения имеются две расы: с красными и белыми цветками. Если их скрестить между собой, потомство получится не красным, не белым, а промежуточным – розовым. Это видно из рисунка (см. стр. 18).

Примеров промежуточного доминирования можно привести немало. Обратимся к аквариумным рыбкам. Если выбрать ярко-красного меченосца и скрестить его с серым, потомство получится красным – казалось бы, красный цвет доминирует. Но, присмотревшись к потомкам и сравнив их с родителями, нельзя не заметить, что у потомков красная окраска иная – много бледнее. Здесь имеет место доминирование не совсем промежуточное, но неполное.

Что же тогда получается с правилом Менделя?

«Неправильное правило! – скажет недоверчивый читатель. – Столько же подтверждений, сколько и исключений!»

Да, это так! Но тем не менее это нисколько не умаляет значение открытия Менделя. Суть этого открытия не в явлении доминирования, а в том, что в первом поколении либо проявляются признаки одного из родителей, либо же первое поколение промежуточно, но никогда (если исходный материал наследственно чист!) не возникает разнообразия. Не бывает так, что один потомок похож на отца, другой – на мать.

Поэтому теперь, когда стало известно множество исключений из правила доминирования, первый закон Менделя генетики называют законом единообразия первого поколения гибридов.

Где рецессивы?

А куда же делись рецессивные признаки? Пропали, исчезли? Не волнуйтесь, сейчас мы их найдем, они лишь до поры до времени «спрятались».

С растений первого поколения Мендель собрал семена и на следующий год высеял их, чтобы получить второе поколение, уже от скрещивания гибридов между собой. Вот тут-то и появились рецессивные признаки!

Рассмотрим для начала два опыта Менделя. Рассмотрим подробно, с цифрами, и недоверчивый читатель сможет сам все просчитать.

Б одном из опытов Мендель скрещивал растения с круглыми и угловатыми (морщинистыми) семенами. Круглые семена доминировали, и, значит, для получения второго поколения скрещивались между собой гибриды из первого, по виду круглосеменные.

В другом опыте исходные формы имели зеленые и желтые семядоли; желтые доминировали. Затем гибриды скрещивались между собой. Во втором поколении преобладали доминантные формы, но обязательно были и рецессивные, всегда в меньшем числе. Очень важно определить, в каком именно, поэтому приведу табличку из работы Менделя.

А теперь пусть читатель подумает, как опровергнуть Менделя. Но опровергнуть Менделя трудно. Его выводы основываются на большом экспериментальном материале. Так, в опыте первом было 253 растения, а семян от них получено 7324. Из них круглыми оказалось 5474 семени, а угловатыми 1850! Тут уже можно прикинуть долю рецессивов. Разделив первое число на второе (5474 : 1850), получим 2,96 :1.

Законы наследования одинаковы для всего живого.

А во втором опыте 258 растений дали 8023 семени – 6022 желтых и 2001 зеленое. И соотношение 3,01 : 1.

Посмотрим соотношения доминантов и рецессивов в других опытах, всего их было семь – Мендель отобрал для скрещиваний семь пар горохов. Вот они, эти соотношения: 3,15 : 1; 2,95 : 1; 2,82 : 1; 3,14 : 1; 2,84 : 1.

А всего в опыте было 19 960 потомков второго поколения. Почти двадцать тысяч!

Ну, а теперь выводы. На основе цифр Менделя вы уже сами можете заключить, что закономерное соотношение доминантных и рецессивных форм во втором поколении гибридов равно 3:1.

Три к одному – это нужно запомнить.