Гены под обстрелом

Крепость рушится

Тяжелая задача выпала на долю Ивана-царевича. Если бы не Серый волк, да Баба-яга, да Говорящая щука - не удалось бы ему справиться, не пришлось бы играть свадьбу с Еленой Прекрасной. Труднее всего оказалось убить Кащея (на то он и бессмертный). Помните, какие инструкции выдала Ивану Яга:

...на море на Окияне, 
На острове великом на Буяне 
Есть старый дуб; под этим старым дубом 
Зарыт сундук, окованный железом; 
В том сундуке лежит пушистый заяц; 
В том зайце утка серая сидит; 
А в утке той яйцо; в яйце же смерть 
Кащеева... 
Иди прямой дорогою к Кащею 
Бессмертному; в минуту он издохнет, 
Как скоро ты при нем яйцо раздавишь.

Задача, давно уже вставшая перед генетиками, - вызвать наследственные изменения генов - довольно-таки сильно напоминает то, что описал В. А. Жуковский в "Сказке об Иване-царевиче и Сером волке". Природа запрятала гены не менее надежно, чем царь Кащей свою смерть. Гены в полном комплекте имеются во всех клетках организма. Но чтобы вызванные изменения передались потомкам, нужно изменить те гены, которые находятся в яйце (или, соответственно, в мужских половых клетках). И так же как яйцо в сказке В. А. Жуковского, половые клетки запрятаны глубоко в теле именно для того, чтобы они не могли измениться под влиянием внешних воздействий. А в половых клетках находятся ядра, а в ядрах хромосомы, а в хромосомах - те самые гены, до которых нужно добраться.

Не случайно многочисленные попытки искусственно вызвать мутации в течение долгого времени заканчивались неудачами. Многие воздействия не достигают генов половых клеток либо достигают их уже в сильно измененном виде.

Только в 1927 году генетики услышали об удачных опытах по искусственному вызыванию мутаций. О них рассказал на V Международном генетическом конгрессе (на том самом, где и С. С. Четвериков докладывал о своей работе) известный американский генетик, один из "четырех разбойников", будущий лауреат Нобелевской премии Герман Меллер. Ему удалось вызвать большое число мутаций у дрозофилы с помощью рентгеновых лучей. Долгожданное совершилось!

Открытия часто делаются параллельно. В том же году, когда вышла в свет работа Меллера, была опубликована также и статья его соотечественника Л. Стадлера, получившего искусственные мутации у ячменя и кукурузы. Работал он независимо от Меллера и достиг успеха с помощью того же воздействия - рентгеновых лучей.

Однако еще за два года до Меллера удалось искусственно получить мутации двум ленинградским ученым - академику Георгию Адамовичу Надсону и его молодому сотруднику Григорию Семеновичу Филиппову, работавшим в Институте рентгенологии и радиологии. Они получили мутации под действием радиоактивных веществ. Объект, который они использовали в своих опытах, были дрожжи. Их первая статья об этих опытах была напечатана в трудах института, в котором они работали, в 1925 году. Тогда же они опубликовали статью о полученных ими результатах и во французском журнале.

Таким образом, в первых же опытах мутации были получены и у животных, и у растений, и у микроорганизмов. Во всех трех случаях мутации были вызваны с помощью радиации. С этого времени начала быстро развиваться новая наука - радиационная генетика, о которой у нас пойдет речь в этой главе.

Как это ни печально, но возникновение радиационной генетики обычно связывают с именами Меллера и Стадлера, преимущественно с именем Меллера. Особенно это печально потому, что в работе Надсона и Филиппова речь идет вовсе не о случайном наблюдении, которому авторы сами не придали значения, как это нередко бывает. Нет, ученые пришли к своим опытам вполне сознательно: ведь и работали-то они в рентгеновском институте. И они вполне оценили возможное значение своего открытия. В первой же публикации, даже в самом заглавии этой исторической статьи они писали о возможном практическом использовании радиационных мутантов. Вслед за первой работой последовал ряд других, где те же авторы планомерно получали мутации все новых и новых видов дрожжей. В чем же дело?

В мае 1965 года в Государственном научно-исследовательском рентгено-радиологическом институте состоялся симпозиум, посвященный 40-летию открытия мутагенного действия радиации, которое было сделано в стенах этого института. С пригласительного билета, который сейчас лежит передо мной, смотрит умное и приятное лицо Филиппова. Открытое русское лицо, зачесанные на сторону волосы, печальная улыбка. Пальцы сжимают неизменную папиросу. Внизу подпись: Григорий Семенович Филиппов, 1898-1933. Он умер от туберкулеза в возрасте всего лишь 35 лет. Ненадолго пережил его и Георгий Адамович Надсон. Это, конечно, одна из причин того, что работы Филиппова и Надсона, несмотря на их безусловный приоритет, не сыграли в развитии радиационной генетики заметной роли.

Хотелось бы рассказать больше о наших замечательных соотечественниках. В пригласительном билете - программа симпозиума. Первым стоит доклад Жореса Александровича Медведева "История открытия мутагенного действия ионизирующей радиации и значение этого открытия в развитии генетических представлений". Чего, казалось бы, проще - обратиться к автору доклада за материалом. А это очень просто: мы работаем в одном и том же институте. Но я к нему не пойду. Мне и без того известно, что доклад на симпозиуме не состоялся, так как не удалось найти никаких материалов. Еще более печально!

Крепость рушится

Но сказанное не единственная причина. Важно и то, что работы Надсона и Филиппова печатались на русском языке (а по-русски иностранные ученые в те времена читали меньше, чем теперь) да к тому же в малораспространенном издании. И еще одно обстоятельство играет немаловажную роль. Ведь Меллер и Стадлер опубликовали свои работы одновременно в одном и том же журнале, а чаще говорят все же о Меллере. Почему?

Большую роль сыграл здесь и объект работы. Меллер ставил свои опыты на дрозофиле. Тогда эта мушка была излюбленным генетическим объектом. Ее генетику изучили до мельчайших подробностей. Во всех лабораториях разводили множество чистых линий дрозофилы. Научились легко и быстро улавливать у нее мельчайшие наследственные изменения. Не мудрено, что и хромосомная теория наследственности была создана прежде всего в опытах на дрозофиле, и основы радиационной генетики были заложены главным образом на том же замечательном лабораторном объекте. Вот и оказалось, что большая часть классических работ по радиационной генетике оказалась наиболее тесно связанной именно о первыми работами Меллера, а не с работами Стадлера или Надсона и Филиппова. Что же касается дрожжей, того объекта, на котором ставили свои опыты ленинградские ученые, то их генетика сложна и трудна. Даже сейчас здесь много неясного.

Академик Надсон был крупнейшим специалистом по дрожжам. И в наше время опыты по вызыванию мутаций у дрожжей ставят по методике, разработанной Надсоном. А сорок лет назад вряд ли вообще были специалисты, которые могли бы продолжить работу с дрожжами на том уровне, на котором она была начата Надсоном и его талантливым учеником Филипповым.

Как мы видели, непрекращающиеся попытки получить наследственные изменения (или доказать невозможность этого) начались с работ Вейсмана еще в конце прошлого века. Для этого использовали температуру, влажность, механические воздействия и так далее и тому подобное. Но все попытки оставались безуспешными. А когда в середине 20-х годов трем лабораториям удалось получить, наконец, искусственные мутации, во всех случаях это было достигнуто с помощью облучения.

Чтобы понять, почему именно радиация оказалась мутагенным фактором, придется на некоторое время оставить биологию и обратиться к физике.

Физикам известны многие виды лучей, но далеко не все из них способны вызывать наследственные изменения. Ни видимый свет, ни тепловое излучение, ни радиоволны мутаций не вызывают. Лучи, испускаемые радиоактивными веществами, использованные Надсоном и Филипповым, и рентгеновы лучи, которые применяли американские ученые, физики объединяют в одну группу ионизирующих излучений, включая туда и некоторые другие виды лучей.

Общим для всех этих лучей является то, что они, проходя через любое вещество, ионизируют его, откуда и происходит их название. Если не сами ионизации, то их результат нетрудно увидеть собственными глазами.

В любой современной физической лаборатории, занимающейся проблемами ядерной физики или изучением космических лучей, можно увидеть прибор, носящий имя его изобретателя, - камера Вильсона. В принципе он устроен просто. Это камера, насыщенная водяными парами, объем которой можно быстро изменять, что вызывает конденсацию паров. Если через камеру проходит ионизирующая частица, она оставляет в ней тонкий туманный след, состоящий из мельчайших капелек воды, осевших вдоль пути частицы.

Еще более просто можно обнаружить ионизации с помощью электроскопа - сосуда, в котором на металлическом стержне висят две полоски тонкой фольги. Прикоснитесь к стержню наэлектризованным предметом - листочки расходятся. Положите рядом с ним кусочек радиоактивного вещества - они быстро опадут. Есть много других способов обнаружить эти лучи, и большинство их связано с электрическими явлениями, которые они вызывают. Потому что ионизация - не что иное, как электризация атомов вещества. След в камере Вильсона получается потому, что капельки воды собираются на заряженных частицах воздуха. Листочки электроскопа опадают потому, что ионизированный воздух начинает проводить ток.

Как же происходит электризация атомов? Вы, конечно, знаете, что любой атом состоит из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него отрицательных электронов. Число электронов соответствует заряду ядра, и в целом атом электрически нейтрален. Чтобы его электризовать, нужно разделить заряды - оторвать от атома электрон. Тогда возникнут два иона: атом, лишенный одного электрона и потому заряженный положительно, и отрицательно заряженный электрон.

Нетрудно себе представить: нужна большая энергия для того, чтобы оторвать от атома электрон. Поэтому далеко не все лучи способны производить ионизации. Лучи видимого света и даже более "энергичные" ультрафиолетовые лучи, поглощаясь частицами вещества, только временно приводят их в "возбужденное состояние": электрон на очень короткое время немного отдаляется от ядра, а затем снова возвращается на свою обычную орбиту.

Ионизирующие лучи имеют ту же природу, что и видимый свет, и ультрафиолетовые, и инфракрасные лучи, и радиоволны. Все это электромагнитные излучения.

Ионизирующие лучи отличаются от остальных электромагнитных излучений только тем, что несут гораздо большую энергию. Отличие весьма существенное. Благодаря этому они способны ионизировать вещество. А ионизированное состояние очень неустойчиво. Ионизированный атом стремится как можно скорее вступить в какую-нибудь химическую реакцию. Поэтому ионизирующие лучи способны вызывать химические изменения в любом веществе. Кроме того, благодаря той же энергии эти лучи способны проникать через любые преграды, на чем основано их использование в медицине и в технике для "просвечивания". Вещества, которое полностью задерживало бы эти лучи, вообще не существует. Любое вещество только ослабляет их поток. Воздух - совсем незначительно, стекло или дерево - сильнее, свинец - еще сильнее. Но (во всяком случае, теоретически) нет такого слоя свинца, который полностью поглотил бы излучение. Поэтому, например, при расчетах защиты от излучений говорят не о полной их задержке, а об ослаблении до безопасного уровня.

А теперь вернемся к генетике. Чтобы вызвать мутацию, нужно, очевидно, изменить ген. Что собой представляет ген, в те времена не знали, но совершенно ясно, что ничем иным, кроме химического вещества, он не мог быть. Подействовать на гены химически? Это не так просто. Природа надежно защитила наследственность от случайных воздействий. Трудно химическому веществу добраться до таинственных генов, не изменившись по пути, не вступив в реакцию с чем-либо, что лежит ближе. Да и какое вещество применить, если неизвестно, из чего построен ген?

А вот ионизирующие лучи - как раз то, что нужно. Они проникают сквозь любые преграды, добираются до любого атома, а кроме того, могут химически изменить любое вещество.

Вероятно, именно так и рассуждали первооткрыватели мутагенного действия радиации. И, как мы видели, их рассуждения оказались правильными. Когда после долгой осады пустили в ход ионизирующие снаряды, генная крепость зашаталась и рухнула!

Во всех опытах было получено большое количество новых стойких наследственных изменений. У Надсона и Филиппова вырастали колонии, отличавшиеся величиной, формой, окраской, дрожжевые клетки изменяли свои биохимические свойства. У Стадлера растения отличались ростом, окраской, формой листьев, у Меллера появились мухи с более темной или более светлой окраской тела, с иной окраской глаз, с другим расположением щетинок на поверхности тела, с закрученными крыльями, вообще без крыльев...

Другие ученые стали пытаться получать мутации у все новых и новых организмов и неизменно добивались успеха. И, что самое главное, новые признаки передавались по наследству.

Подавляющее большинство мутаций носило отрицательный характер: они понижали жизнеспособность и даже вызывали гибель организмов. В опытах Меллера чаще всего получались "рецессивные летали". Этим термином называют мутации, которые в гетерозиготном состоянии не влияют на жизнеспособность носителя, а в гомозиготном вызывают его гибель, происходящую обычно на стадии зародыша. Другими словами, если такая мутация есть только в одной хромосоме, она своего вредного действия не проявляет или почти не проявляет. А если мутация находится в обеих гомологичных (одинаковых) хромосомах, то проявляет свое действие. То, что такие мутации были обнаружены именно в опытах Меллера, связано с методикой проведения опытов, которая позволяла их учитывать. В ранних опытах с другими объектами такие мутации не бросались в глаза только по техническим причинам.

Крепость рушится

При облучении любых организмов подавляющее большинство мутаций являются летальными, вызывают гибель их носителей. Во многих случаях летали бывают не только рецессивными, но и доминантными, то есть вызывают гибель, даже если присутствуют в клетке в единственном числе. И жизнеспособные мутации в подавляющем большинстве оказываются вредными и в той или иной степени снижают жизнеспособность. Только очень незначительная доля мутаций вносит в организм "улучшение".

Этому не приходится удивляться. Ведь все организмы, обитающие на нашей планете, - продукт длительного отбора, приспособления к условиям их жизни. Совершенно ясно, что случайные изменения в такой сложной системе, как живой организм, скорее всего внесут в него непоправимые повреждения. Попробуйте дать ребенку (или даже взрослому человеку) карманные часы и поручите что-нибудь в них изменить. Вероятнее всего, они вообще остановятся, а если и не остановятся, то станут работать хуже.