Перед вами книга о генетике, науке о наследственности и изменчивости, о ее целях и проблемах, победах и неудачах, поисках и открытиях. Оговорюсь сразу: в этом рассказе безусловное предпочтение будет отдано наследственности человека — предмету моего научного интереса. Любой рассказ о науке невозможен без рассказа о людях, просто работавших в ней или составивших ее славу и гордость. Личность ученого, его талант, социальная и гражданская позиция занимали в развитии генетики, может быть, больше, чем в других науках, особое место.

Генетика — одна из главных теоретических основ селекции, и потому ее прогресс способствует повышению плодородия полей, продуктивности животноводства, а в целом успешному разрешению продовольственной проблемы. С генетикой связаны также надежды в борьбе за здоровье человека, главным образом за счет ранней диагностики, профилактики и эффективного лечения наследственных болезней.

Генетические исследования особенно притягательны для ученого тем, что одновременно широки по своим размахам и чрезвычайно глубоки по направленности, ибо включают в себя великое множество процессов и явлений; от первичных химических трансформаций в нуклеиновых кислотах до генетических механизмов взаимодействия биологических сообществ.

Творческий почерк исследователя-генетика в чем-то похож на почерк любого ученого из области естественных наук. Он должен оригинально подходить к изучаемой проблеме, уметь обобщать и сопоставлять факты, приходить к неординарным, единственно правильным выводам, планировать изящные эксперименты и филигранно осуществлять их. Однако генетикам в гораздо большей степени, чем другим биологам и медикам, необходимы элементы абстрактного мышления и широкий диапазон знаний в смежных, а иногда и несмежных научных областях.

В объективном естественнонаучном познании общебиологических процессов живой природы генетика сосредоточила свое внимание на изучении первичных свойств организмов, сделавших возможной саму эволюцию жизни на Земле, — наследственности и изменчивости.

Развиваясь от эмпирических наблюдений к обобщениям, на основе которых каждый раз строились новые гипотезы, проверявшиеся экспериментами и снова рождавшие еще более глубокие обобщения, генетика не раз и не два открывала за кажущейся сложностью уникальную по своей гениальности простоту, а явная простота, пройдя свой строгий «досмотр», представала вдруг в необычайно сложном свете.

Своим рождением генетика в прямом смысле слова обязана прогрессу биологии. Ведь ее первоисточники — это наблюдения человека за домашними животными, это первые ботанические опыты. Со временем генетика взяла за основу экспериментальное скрещивание, а когда такого подхода стало недостаточно, то она привлекла для своего развития математические, физические, химические и другие методы. Это привело к тому, что в ее недрах родились со временем основы неизвестной прежде науки — молекулярной биологии.

Впрочем, весьма расплывчатое понятие «со временем» ассоциируется с вполне конкретным и очень значительным событием в биологии XX века — созданием модели пространственной структуры ДНК (знаменитой «двойной спирали» дезоксирибонуклеиновой кислоты). Именно это открытие лауреатов Нобелевской премии Джеймса Уотсона и Френсиса Крика дало ученым ответ сразу на две сокровенные загадки природы: каким образом в молекуле ДНК записана генетическая информация и как она передается по наследству. Тайнопись наследственности оказалась, как все в природе, до предела простой: ДНК как хранительница наследственной информации оказалась всего лишь определенной комбинацией четырех нуклеотидов: аденина (А), гуанина (Г), тимина (Т), цитозина (Ц).

Открытие двухспиральной структуры ДНК стимулировало реализацию весьма заманчивой идеи понимания принципов биологического кодирования. Разумеется, для этого оказались необходимы объединенные усилия собственных «полпредов», да и представителей не только биологической науки, особенно с 50-х годов, когда стала все более и более ясна необходимость применения физических, химических, математических методов для анализа явлений в животном организме.

Так или иначе, а жажда вечного познания заставляла исследователей идти все дальше, чтобы открывать все новое и новое. Что же влекло к генетическим проблемам самые выдающиеся умы нашего столетия?

Думаю, что в первую очередь процесс научного познания. И прежде всего потому, что он не знает ни временных ограничений, ни государственных границ, ни национальных или религиозных различий. К тому же, как известно, ученые никогда не останавливаются на достигнутом. Это удивительное свойство одни считают врожденным даром, другие — приобретенным качеством.

Что же касается конкретно генетики, то немаловажное стимулирующее значение в ее развитии имело решение практических задач. Возможность понять и использовать для многочисленных нужд устройство и работу гена, заставить его трудиться над практическими проблемами означало бы и решение многих глобальных проблем, стоящих перед современным человечеством. Той же продовольственной, например. В общем, перспективы открывались удивительные и совсем не иллюзорные. Кроме того, рассекречивание тайн наследственности давало возможность по-новому оценить и уже ранее достигнутое, но не полностью понятное.

Взять хотя бы возможность предвидения нужных свойств в селекции сельскохозяйственных животных и растений: яйценосности у птицы, цвета шкурки у пушных зверей, формирования короткостебельности у злаков (дабы «кормить» не соломину, а тяжелый колос), засухо- и морозоустойчивости, числа зерен в колосе и т. д. Селекционер, прежде трудившийся над теми же самыми проблемами нередко целую жизнь, получил наконец уникальную возможность осуществить свои мечты в считанные годы. Недаром, оценивая эти удивительные перспективы, наш выдающийся ученый Н. И. Вавилов сказал: «Научная работа в генетике и смежных с нею областях имеет в настоящее время одну особенность, делающую ее привлекательной для исследователя, это — исключительно ясная, конкретная постановка проблем…» Эта привлекательность по тем же причинам сохраняется и сегодня.

В книге, которую вы держите сейчас в руках, написано об одном из самых сокровенных таинств природы — наследственности и изменчивости. Речь пойдет о материальных носителях наследственности — хромосомах и генах. Тех самых генах и хромосомах, о которых в любом современном учебнике по биологии говорится, что именно через них передается наследственность. Однако должно было миновать целое столетие, прежде чем тайное стало явным, а наследственность стала бы изучаться на молекулярном, клеточном, организменном и популяционном уровнях.

Думаю, что в наши дни трудно, а может быть, даже и невозможно отыскать в научном мире человека, рискнувшего бы отрицать увлекательность познания генов и хромосом, изучения их функции. И можно только вообразить, во сколько раз сложнее этот путь оказался при изучении наследственности человека. Ведь человек не мог стать предметом экспериментального манипулирования. К тому же он всегда представлял собой результат биологической и социальной эволюций, взаимодействие которых особенно сложно и загадочно. Да и понимание сути биологической природы человека — задача нелегкая. И только прогресс генетики человека позволяет оценивать его эволюционные связи как биологического вида с другими видами приматов и млекопитающих в терминах молекулярного и хромосомного соответствия его «прародителям».

Одновременно новые методы позволили заняться и «инвентаризацией» наследственных признаков в отдельных семьях и в больших популяциях. И хотя один из величайших авторитетов рода людского Лев Николаевич Толстой сказал как-то, что все счастливые семьи похожи друг на друга, а каждая несчастливая семья несчастлива по-своему, посмею все же не согласиться с ним до конца.

Спору нет, с социальной точки зрения это так. А с биологической? Исходя из многообразия наследственных признаков, счастье всех счастливых семей столь же разнообразно, отлично друг от друга, как и несчастье несчастных. Такова, увы, жизненная аксиома. С точки зрения генетики несчастливыми семьями считаются те, в которых есть дети с наследственными болезнями. В чем же причины многообразия наследственных признаков человека и почему в некоторых семьях рождаются больные дети?

Причины — в наследственности, одном из фундаментальных свойств жизни. И я постараюсь как можно понятнее рассказать здесь о принципах передачи признаков, отразив наиболее волнующие и сложные вопросы наследственного здоровья людей, то есть те самые вопросы, от которых в конечном счете и зависит счастье или несчастье каждой семьи, каждого человека.

Но для этого необходимо прежде всего познакомиться с причинами и механизмами возникновения наследственных заболеваний, которые поставляет «беспорядочная» наследственная изменчивость, происходящая в живой природе на протяжении всей эволюции.

Думаю, что вам небезынтересно будет узнать одну удивительную особенность о природе человека. С генетической точки зрения не существует принципиальной разницы между нормальной наследственной изменчивостью и наследственными болезнями. К этому пониманию пришли не сразу. Еще в прошлом столетии родилась концепция «вырождающихся семей». Речь шла о семьях, в которых наследственные болезни встречались в нескольких поколениях. Она еще имела права гражданства до 30-х годов XX века. Первым против этой порочной идеи, отнимавшей у людей будущее, выступил основатель клинической генетики в СССР Сергей Николаевич Давиденков. Врач, ученый, гуманист, он подверг научно обоснованной критике само утверждение о вырождении таких семей. Хочу подчеркнуть, что свою концепцию С. Н. Давиденков отстаивал именно в те времена, когда в фашистской Германии целый ряд генетиков и антропологов (некоторые с мировой известностью) «обосновывали» расовую гигиену, доказывая необходимость генетического очищения человечества, подводя научный фундамент под гитлеровскую политику геноцида применительно к неарийским расам.

Тому, кто посвятил себя генетике, не только приходится непрерывно работать в лабораториях, библиотеках, клиниках, на опытных полях, сражаться за нее (как это выпало на долю Н. И. Вавилова), отстаивать свои позиции и многое другое, но одновременно они должны и популяризировать основные положения своей науки. Причем аудитории могут оказаться самыми разными — и по составу, и по подготовленности к восприятию материала, и, разумеется, по возрасту. Мне, например, вспоминается случай, когда пришлось рассказать популярно о наследственности всего для… одного человека. Случилось это в Соединенных Штатах Америки, куда я был командирован Советским комитетом «Врачи за предотвращение ядерной войны». Наши американские коллеги, дабы мы лучше «вжились» в «американский образ жизни», расселили нас не в гостиницах, а в американских семьях.

Так вот, в той семье, где довелось мне прожить несколько дней, была 14-летняя девочка. Узнав, что я генетик, она спросила меня: «А почему я не похожа на маму? Почему у меня не мамины волосы?» И тогда мне пришлось рассказать ей не только о том, как передаются признаки по наследству, но и как они развиваются на основе взаимодействия наследственности и среды, о многоступенчатой системе реализации действия генов, и, наконец, об их неравнозначности, чем и объясняется тот факт, что некоторые дети больше похожи на одного из родителей, другие — меньше. По одним признакам они сходны с ними, по другим — нет.

И вот что удивительно: каждый раз, когда приходится объяснять кому-то этот вроде бы тысячекратно знакомый материал, вновь и вновь увлекаешься им сам. Да и как остаться равнодушным, говоря о том, как передаются признаки по наследству, как прослеживаются признаки в семье (этот метод называется у генетиков генеалогическим), какое чудо природы — идентичные, то есть одинаковые, близнецы (существует даже близнецовый метод изучения наследственности человека), какие различия наблюдаются в наследственности разных людей, этнических групп, рас (популяционно-статистический метод). И хотя все эти методы родились еще в конце прошлого столетия, они и в наши дни исправно служат генетике человека, которая пополнилась цитогенетическими, биохимическими, молекулярно-генетическими методами.

Что же дает человечеству то разнообразие, за которое «ответственна» перед природой наследственность? Представьте, как скучно и неинтересно было, если бы все мы физически и психически оказались как две капли воды похожими друг на друга. Миру нужны не только гении, такие, как Моцарт, Пушкин, Леонардо да Винчи, но и те, кто их самозабвенно слушает, читает, смотрит. Искусство гениев пробуждает в каждом человеке его творческие силы. И тогда создаются летательные аппараты, новые материалы, изумительные по красоте цветы, талантливые фильмы, спектакли.

Центральным вопросом для понимания наследственного многообразия людей, проявляющегося в физических и психических особенностях каждого человека, является вопрос о взаимодействии генов в развитии организма. Чтобы понять его до конца, необходимо дальнейшее изучение и самих генов (здесь прогресс во многом уже достигнут), и механизмов их функционирования в зависимости от условий. Ведь унаследованная от родителей индивидуальная биологическая программа реализуется в конкретной, также индивидуальной для каждого человека среде. Но «среда» в данном случае — это не только воздух, вода, пища, но и социальное окружение. Все это в совокупности и обусловливает индивидуальность, неповторимость личности.

Часто, характеризуя особенности генетики и ее место среди других наук, говорят, что в биологии она занимает центральное место. Преувеличения в подобной оценке, на мой взгляд, нет. Дело в том, что именно генетика выступает в роли своеобразного переводчика с «языка» всех наук о живом. Это ответственное лидерство принадлежит ей в современном естествознании по праву, потому что благодаря своим концепциям и методам она дает надежные и рациональные объяснения, позволяющие осмыслить и слить воедино самые разнообразные биологические явления. А поскольку к их числу относятся и болезни человека, генетика по праву становится одним из краеугольных камней фундамента современной медицины. Особенно важен обширный ее раздел — медицинская генетика, которая изучает роль наследственности в патологии человека. Глубина проникновения генетики в медицину обусловливает ее тесный контакт почти со всеми направлениями клинической медицины, особенно с педиатрией, акушерством, неврологией, психиатрией.

Вряд ли стоит объяснять, как остро современное здравоохранение нуждается в эффективных методах профилактики, диагностики и лечения наследственных болезней. Речь здесь идет о мутациях (изменениях), накопившихся в популяциях человека в результате эволюции и о возникающих вновь уже в наши дни.

Наследственные аномалии прослеживаются на протяжении многих поколений и даже веков. Так, в костях, найденных при раскопках, обнаруживают наследственные аномалии, сходные с теми, что наблюдаются и у современного человека. К их числу, например, относится сращение костей пальцев, передававшееся у потомков знаменитого английского полководца Джона Тальбота на протяжении 14 поколений. А высокая частота тяжелейшего заболевания печени — порфирии — среди белого населения Южно-Африканской Республики оказалась связанной с тем, что первые переселенцы из Европы (400 лет назад) страдали именно им.

Есть аналогичные примеры и у нас в стране. Так, исследовав кровь нескольких десятков тысяч жителей Азербайджана, Средней Азии, врачи и генетики обнаружили в этом регионе гораздо более высокую частоту наследственной анемии (малокровия) по сравнению с населением России. О чем же говорят данные факты?

В первую очередь о том, как важно знать механизмы распространения случайно возникших мутаций. И потому их изучение является предметом многочисленных исследований, осуществляемых объединенными усилиями врачей и генетиков.

Здесь, вероятно, стоит сказать, что интерес к наследственным болезням стал особенно возрастать по мере развития медицины и здравоохранения. Успешная борьба с тяжелыми инфекционными заболеваниями, ликвидация эпидемий и тех недугов, которые обусловливались социальными причинами (например, туберкулез, сыпной тиф), выдвинула наконец проблему изучения наследственных болезней на одно из первых мест.

Стоит обратить внимание читателя на следующий факт, с которым ему наверняка приходилось встречаться в жизни. Если речь заходит о распространенной болезни, от которой страдают многие, то от медицины тотчас требуют принятия самых незамедлительных мер по борьбе с нею. Возьмите, к примеру, время от времени прокатывающиеся по планете эпидемии гриппа. К сожалению, к наследственным заболеваниям отношение совсем иное. Для многих работников здравоохранения они всего лишь болезни «вообще», весьма редкие и чуть ли не экзотические. Но в семье, где такая болезнь олицетворяет собой несчастье, к ней относятся по-иному. Здесь она — конкретная причина несчастья. И для врачей, пытающихся помочь своим пациентам, она тоже — конкретная. С ней необходимо бороться. Так что, не боясь показаться банальным, рискну повторить вывод, который усвоил во время учебы в медицинском институте: любые достижения науки должны быть направлены на предотвращение болезней или, где это еще невозможно, — на уменьшение человеческих страданий. Даже в том случае, если речь идет о судьбе одного-единственного больного человека.

Так как же и чем конкретно может помочь генетика людям, страдающим наследственными болезнями?

Как вы узнаете из этой книги, очень многим. Прежде всего она способна предупредить большой «груз» этих болезней. Здесь просто незаменимы и медико-генетические советы при планировании деторождения, и ранняя дородовая диагностика, и хирургическая коррекция, и диетотерапия, и еще многое, многое другое.

Сегодня возникновение и развитие наследственных болезней в главном уже не представляет секрета, поскольку известен весь их путь — от первичного продукта гена до формирования патологического признака. Значит, надо научиться делать на каком-то этапе данного пути соответствующую коррекцию, чтобы исправить унаследованную ошибку природы. Разумеется, это несколько труднее, чем пластическая операция по исправлению формы носа или дефекта губы. Но тем человек и велик, что для него практически не существует невозможного.

Уже сегодня детей с врожденной патологией оперируют сразу после рождения. Разрабатываются методы внутриутробного лечения, в том числе хирургического. Более того, уже предпринимаются попытки введения синтезированных генов в клетки человека.

И все это для того, чтобы сделать каждого из нас счастливым, отвести беду обреченности. И не надо думать, что, борясь с наследственными заболеваниями, мы исправляем несправедливость, проявленную природой только сегодня. Нет, это и забота о будущем. А человечество должно торопиться в своей заботе о нем. Ведь уже налицо, и все отчетливее и ярче проявляют себя не встречавшиеся ранее в его истории явления.

Первое из них — глобальная миграция населения, за которой, соответственно, следуют смешанные браки. Прежде во все времена существовали так называемые территориальные, национальные, классовые, религиозные и прочие ограничения для заключения браков. Ведь человечество веками существовало в виде племен, родов, изолированных деревень, маленьких княжеств. И всего лишь за какие-то 100–200 лет (а особенно в последние несколько десятилетий) произошло резкое изменение брачной структуры. Словно невидимый миру смерч разбросал, смел все существовавшие прежде запреты и табу на воссоединение двух людей. А что мы знаем о возможных последствиях такой широкой миграции? Очень немного.

Второе глобальное явление, имеющее непосредственное отношение к обсуждаемой здесь теме, — резкое возрастание численности населения Земли (с одновременным уменьшением количества детей в семье). Так что, если в прежние времена естественный отбор в разных семьях проявлялся по-разному из-за наследственной отягощенности (разное количество беременностей, родов, выживших детей), то теперь все семьи «сравнялись», имея одного-двух детей.

И наконец, третье — необычайно быстрая смена условий окружающей среды. Прежде всего ее загрязнение. Например, в некоторых городах СССР выбрасывается в воздух более двух тонн вредных веществ на одного человека в год. Не повредит ли современная экология наследственности человека? Не изучив данной проблемы, нельзя устранить и потенциальную угрозу здоровью будущих поколений. Да, научно-технический прогресс изменяет среду. Сегодня об этом известно всем. Остановить его не в силах ни одно, даже самое мощное государство в мире. О данном факте надо помнить, проектируя химические предприятия, атомные станции. Помнить и заранее думать о безопасности человека и его будущих поколений.

Неудивительно, что генетика человека уже сейчас относится к наукам, достижения которых должны подвергаться прежде всего анализу и с моральной точки зрения. Она давно знакома с нравственными подходами к решению своих проблем. Ведь евгеника — наука об улучшении природы человека — родилась в ее недрах. К сожалению, «улучшение» осуществлялось зачастую в виде насильственной стерилизации и других весьма негуманных методов.

Между тем генетика должна служить благу человечества. Не случайно XIV Международный генетический конгресс (Москва, 1978 г.) проходил под девизом «Генетика и благосостояние человечества». И это не только главный мотив данной книги, но и предмет раздумий и активных действий для всех, кто работает в генетике. Общими усилиями должны быть созданы подходы к такой системе охраны наследственного здоровья, в которой соблюдение интересов общества не попирало бы индивидуальные права личности, а забота о здоровье человеческого рода в целом совпадала бы с заботой о здоровье каждого.

Вот почему перед теми, кто решил сегодня посвятить себя служению генетике, стоят необозримо бóльшие задачи, чем перед прошлыми поколениями ученых. Общий смысл их заключается в том, чтобы сохранить все уникальное многообразие свойств человека, сделавшего его Человеком разумным. Здесь придется решать проблемы не только высоконаучные, но и социальные. А они могут возникать неожиданно, отчего их острота, разумеется, не становится меньше.

Вот какая проблема возникла, например, в связи с успехами генной инженерии или рекомбинантной ДНК в начале 70-х годов. Об истоках ее Джеймс Уотсон написал так: «Когда я был мальчишкой в Чикаго, ученый представлял собой плохо оплачиваемого и не от мира сего мечтателя, умного или даже гениального, но не способного сообщить публике что-нибудь более значимое, чем школьные истины. Потом появились Оппенгеймер и атомная бомба, и физики стали важными персонами, без которых ни мы, ни генералы теперь жить не можем. Другое дело — биологи. Никто не думал, что они могут представлять для кого-нибудь угрозу: да они скорее вырастят полезный гибридный злак или в один прекрасный день вылечат рак… И вдруг говорят, что ДНК, материал, составляющий наши гены, может всех нас уничтожить и что мы, биологи, имеем теперь свою собственную дьявольскую бомбу…»

Но почему, собственно, возникло это опасение? Как родилась сама мысль о возможности и, главное, о последствиях создания «генетической» бомбы?

Почвой для нее послужили несколько событий, происшедших независимо друг от друга в различных лабораториях и научных центрах США. Коротко их содержание можно изложить следующим образом. Летом 1971 года один из сотрудников лаборатории, руководимой Дж. Уотсоном, Р. Поллак узнает о том, что в другой лаборатории П. Берг планирует эксперимент по встраиванию ДНК онкогенного вируса в наследственный аппарат (геном) кишечной палочки. Эта информация чрезвычайно встревожила Р. Поллака, поскольку сам он вместе с сотрудниками коллектива лаборатории Дж. Уотсона занимался изучением вирусов, вызывающих рак у животных. Но кишечная палочка — это безобидная флора, которая постоянно присутствует в кишечнике животных и человека. Не приведет ли опасный эксперимент, задуманный П. Бергом, к тому, что «джинн выйдет из сосуда»? Ведь измененная кишечная палочка с опасным геном может поселиться в кишечнике человека. Ученый немедленно излагает свое опасение коллеге. П. Берг откладывает запланированные опыты.

Не будем далее описывать все детали обсуждения на двух специальных конференциях проблемы предотвращения биологической опасности работ по генной инженерии. Действительно, вскоре были сконструированы бактерии с чужеродным геном. Тогда-то (в 1974 г.) ведущие генетики многих стран (в том числе СССР) приняли решение о мерах предосторожности работы с рекомбинантными молекулами ДНК. Решение на первых порах, может быть, кое-кому казалось излишне ограничивающим возможности работы с ДНК. Но социальная ответственность генетиков диктовала им свои требования, и они исходили из того, что «возможная переоценка биоопасности предпочтительнее, чем ее недооценка». И я, как врач и генетик, всегда разделял данную точку зрения. Достижения генетики должны служить благу человечества, а не подвергать опасности само его существование.

К вышесказанному хотелось бы добавить, что генетики, когда это было необходимо, выступали с высоких гражданских позиций в оценке тех или иных явлений общественной жизни. Так, на VI Международном генетическом конгрессе в 1939 году они приняли манифест против расовой дискриминации. Это было как раз в то время, когда Гитлер уже приступил к осуществлению геноцида. А спустя более чем 40 лет, в 1983 году, на Международной конференции по мутагенам окружающей среды в Токио ученые разных стран, в том числе США, подписывают обращение за прекращение гонки ядерных вооружений, подписывают в тот период, когда она достигает невероятного ускорения. И я тоже удостоился чести подписать этот документ.

Но гражданская позиция ученого должна проявляться не только в том, чтобы не допустить, предотвратить неправильное использование генетических открытий, но и в том, чтобы как можно активнее содействовать своевременной реализации ее достижений в сельском хозяйстве, медицине, микробиологической промышленности.

Вот, пожалуй, и все, что хотелось бы сказать читателям в этом предисловии. А теперь — в путь. Нас ждут на страницах этой книги загадки, тайны, захватывающие дух перспективы науки, имя которой — генетика.