g_ryurikov | Введение в биологию

XI
Наследственная информация

Воспроизведение свойств живого в череде поколений, то есть наследственность, как уже говорилось, — важнейшее свойство живых систем. Механизмы, с помощью которых осуществляется передача наследственных свойств, — величайшая загадка наук о живом в прошлом, и отчасти в настоящем. Сейчас мы знаем, что новый организм не «срисовывается» с родительского организма, не сами свойства родителя служат образцом; но передаётся некая программа развития, по которой строился и сам родитель.

Такой способ передачи наследственных свойств является, вообще говоря, довольно нетривиальным. Механизм любых других явлений в природе, напоминающих наследственность, проще. Будь то оставленный ботинком отпечаток в грязи, или отражение в зеркале, или форма отбрасываемой тени, или отломанный и продолжающий свой рост кусочек кристалла, — везде свойства «дочернего» объекта «списываются» с аналогичных свойств «родительского».

В живой природе развитие организма-потомка может происходить «в отрыве» от родительского организма, без каких-либо видимых способов передачи информации от родителей по ходу развития: ну, скажем, как формируется детёныш черепахи в закопанном в песок яйце? — ведь родителей-то может не быть даже и рядом. Если детёныш «срисовывается» с черепахи-родителя, то в яйце с самого начала должен находиться уже «срисованный» черепашонок. Таких взглядов всерьёз придерживались сторонники преформизма в XVII-XVIII вв. (в широком смысле под преформизмом понимается учение о «предсуществовании» информации о будущем организме в половых клетках хоть в каком-то виде). Тогдашние сторонники преформизма делились на овистов (от лат. ovum — «яйцо»), которые считали, что уже сформированный маленький организм содержится в яйцеклетке, и анималькулистов (от лат. animalculum — «зверёк», в данном случае имеется в виду сперматозоид), полагавших, что сформированный организм спрятан в сперматозоиде.

Ещё Дарвин (а это по историческим меркам уже совсем недавно) полагал, что наследственная информация делегируется в половые клетки всеми частями тела в виде мельчайших частиц — геммул (теория пангенезиса). Эта теория изложена Дарвином в книге «Изменения домашних животных и культурных растений» (1868). По Дарвину, геммулы, производимые разными органами, с током крови достигают половых клеток; таким образом, источником информации о руке является рука, источником информации о сердце — само сердце и т. д. Такого рода взгляды, вообще говоря, вполне соответствовали представлениям людей о природе наследственности, сформировавшиеся ещё в античные времена. Ещё автор книги «О семени и природе ребёнка» (обычно её авторство приписывают Гиппократу) писал: «Я утверждаю, что семя отделяется из всего тела».

Здесь возникает вопрос о том, каким именно образом записана информация, и, в частности, что является её материальным носителем. Если ни в яйцеклетках, ни в сперматозоидах не содержится «готового маленького человечка» (а в XIX веке уже было ясно, что это так), но информация о нём там так или иначе имеется, то есть ли какой-то отдельный, выделенный субстрат для записи этой информации, или информация просто «распределена» во всём строении половых клеток? Например, немецкий ботаник Карл фон Негели (восьмидесятые годы XIX в.) разработал теорию «идиоплазмы», под которой он понимал специфическую субстанцию, являющуюся носителем наследственных свойств. По Негели, идиоплазма половых клеток соединяется своего рода нитями с идиоплазмой остальных частей тела и получает от них информацию.

Все концепции, исходящие из того, что наследственная информация концентрируется в половых клетках на основе каких-то сигналов от остальных частей, то есть «списывается» со всего организма, очевидно, подразумевают возможность наследования приобретённых в течение жизни свойств. Если источником наследственной информации о свойствах органа являются сами свойства органа, то после того, как он под действием среды изменился, изменяется и наследственная информация, изначальное состояние «забывается». Обычно, когда говорят о «наследовании приобретённых свойств», вспоминают Ламарка, но надо понимать, что Ламарк здесь примечателен лишь тем, что построил на этом всю свою теорию. Но само признание возможности такого наследования было в XIX веке общим местом, его не отрицал и Дарвин, и большинство его современников.

Настойчивую и последовательную критику возможности наследования приобретённых свойств мы находим у немецкого зоолога Августа Вейсмана. Главный труд Вейсмана «Зародышевая плазма. Теория наследственности» опубликован в 1892 году. Под зародышевой плазмой Вейсман понимал «вещество наследственности», заключённое в половых клетках и содержащее информацию о свойствах будущего организма. По Вейсману, информация, содержащаяся в зародышевой плазме, не «списывается» со свойств организма, а просто передаётся из поколения в поколение, каждый раз служа основой для развития. В развивающемся организме сразу обособляются клетки «зародышевой линии», которые потом превратятся в половые, таким образом сохраняется непрерывная генеалогия зародышевой плазмы, передающейся из поколения в поколение. Вейсман полагал, что зародышевая плазма находится в хромосомах (клеточные структуры, видимые в микроскоп во время деления клетки).

Теория Вейсмана, довольно умозрительная, оказалась неверной в деталях, но вместе с тем буквально пророческой в отношении очень важных моментов: как нам сейчас известно, действительно существует особое, специальное «вещество наследственности» (это ДНК), и оно на самом деле служит программой развития организма, передаваемой из поколения в поколение. И оно на самом деле находится в хромосомах.

Сама по себе ДНК как вещество была открыта ещё в 1869 году швейцарским физиологом Фридрихом Мишером. Но детали строения ДНК были неизвестны, и никто не полагал, что это вещество может быть носителем наследственной информации. Роль хромосом в наследственности была показана американским биологом Томасом Морганом во втором десятилетии XX в. Опыты Германа Мёллера, открывшего радиационный мутагенез (1926), указывали на то, что носители наследственной информации имеют химическую природу — это молекулы, которые, следовательно, должны описываться какой-то формулой. За исключением отдельных высказываний некоторых биологов, из которых никто не делал далеко идущих выводов, большинство учёных склонялось к мысли, что «веществом наследственности» являются белки. Только в 1944 году американский биолог Освальд Эвери с соавторами показал, что именно ДНК может менять наследственные свойства бактерий. Опыт Эвери считается поворотной точкой в споре о материальной природе «вещества наследственности». После этого началась очень активная работа по изучению структуры ДНК и расшифровке генетического кода. В 1953 году Уотсон и Крик описали строение двойной спирали ДНК и указали, что наследственная информация, по-видимому, зашифрована в последовательности азотистых оснований. На то, чтобы овладеть «ключом», позволяющим расшифровывать информацию и «переводить» последовательность нуклеотидов в последовательность аминокислот в белке, у биологов ушло ещё около десяти лет.

Человеческую культуру пронизывает символьность. Для нас привычно, что что-то одно может обозначать что-то другое. Несколько закорючек, которые мы называем буквами (Т, Р, У, Б, К, А), составленные вместе, могут обозначать курительную трубку. Они сами по себе совсем не похожи на трубку, но дают информацию о ней. Кулинарная книга сделана из бумаги, а пирог сделан из муки — это совсем разные объекты, но первый содержит информацию о втором. В конце концов, устройство, с которого вы читаете этот текст, может содержать информацию о структуре ДНК.

Где в природе, если отбросить человеческую цивилизацию, используется этот привычный нам принцип? Есть ли примеры, чтобы свойства одного материального объекта регулярно воссоздавались на основе информации, закодированной в материальном объекте иной природы? Весь опыт истории науки говорил о том, что системы подобного рода в природе отсутствуют. Казалось, такие вещи — это что-то сугубо человеческое, никак не из области естественных наук. В это было действительно трудно поверить — что биологическая наследственность организована именно так. Поставьте себя на место учёных, не впитавших со школьной скамьи знание о существовании генетического кода, — сколь наивным антропоморфизмом должны были казаться им подобные идеи! Отдельные рецидивы отрицания существования «вещества наследственности» продолжались до середины XX в. (например, «лысенковщина» в СССР), хотя к этому времени было накоплено уже слишком много фактов, никак не совместимых с логической возможностью такого отрицания.

Существование «вещества наследственности» было убедительно доказано, — и это ДНК. ДНК не содержит буквально всю информацию об организме (это просто теоретически невозможно), но ДНК действительно является специальным субстратом, выполняющем функции хранения информации о наследственных свойствах организма в закодированном виде. Генетический код существует.