Нет необходимости освещать историю формирования представлений о специальных носителях наследственности. Большинству она, хотя бы в общем виде, известна.
Напомним, что в современной генетической науке существуют два взгляда на природу наследственности; один отстаивается мичуринской генетикой, другой — так называемой формальной, классической генетикой.
В мичуринской генетике наследственность рассматривается в качестве неотъемлемого свойства живого. Принимается, что как нет наследственности вне живого, так нет и живого, не обладающего свойством наследственности. Другими словами, материальным носителем свойства наследственности в этом случае признается само живое тело.
Иные представления отстаиваются в формальной генетике. Ее основой является утверждение, что наследственность связана со специальными носителями, которые, передаваясь из поколения в поколение, и определяют развитие организма со всеми его особенностями. Б качестве таких элементарных носителей принимаются гены, расположенные в хромосомах ядра клетки в линейном порядке. «Каждая хромосома дифференцирована по своей длине и состоит из большого числа дискретных единиц, носящих название генов; каждый из генов обладает своим специфическим влиянием на развитие организма» (Бельговский и Шапиро, 1957).
Поскольку ген принимается в качестве единицы наследственности, вполне понятно, что учение о гене и разработка теории гена занимают центральное место в классической генетике.
Введенное в 1909 году Б. Иогансеном понятие гена как абстрактной единицы отличия одного генотипа от другого в ходе дальнейшего развития генетической науки перешло в категорию вполне конкретных единиц наследственности, занимающих определенные участки хромосомы. Высшей формой выражения этой конкретности служит построение генетических хромосомных карт.
Не перечисляя всех так называемых доказательств, позволяющих рассматривать ген в качестве элементарной частицы наследственного вещества, упомянем здесь о трех главных из них.
1. Результаты гибридологического анализа (т. е. анализа потомств от скрещиваний), говорящие о дискретном (раздельном) характере наследования признаков, рассматриваются как доказательство наличия независимых единиц, передающихся от родителей и определяющих развитие признаков у потомков.
2. Из изучения перекреста хромосом (кроссинговера) сделали вывод о том, что разрывы хромосом проходят только по границам их специфических участков — генов. Данные по перекресту легли в основу построения генетических карт хромосом, на которых указаны последовательность расположения генов вдоль хромосомы и расстояние между ними в условных единицах — процентах перекреста.
3. Результаты изучения мутационного процесса показали, что мутирует (изменяется) элементарная частица наследственного вещества — ген, о чем свидетельствует последующий характер наследования возникшего изменения. Мутации имеют и еще одно важное значение: только в случаях возникновения мутации фиксируется наличие нового гена, существование которого в хромосоме до этого момента не предполагается.
Какова же подлинная ценность этих доказательств наличия генов?
Без данных по перекресту хромосом и установления частоты появления отдельных кроссоверных классов (разрывов в отдельных участках) не имелось бы доказательств линейного расположения генов в хромосоме, а вместе с этим не было бы и хромосомных карт. Не случайно генетический анализ каждого вновь возникшего наследственного изменения обязательно включает определение группы сцепления, т. е. хромосомы, с которой связано изменение, и места в хромосоме, занимаемого новым геном.
Несмотря на все значение, которое придавалось данным по перекресту хромосом, Гольдшмидт (Goldschmidt, 1955) совершенно справедливо замечает, что кроссоверное определение гена невозможно, поскольку разрывы хромосом проходят не только по границам, отделяющим один ген от другого, но в любом участке хромосомы.
Возьмем другой пример. Видное место в теории гена занимают данные по мутированию. Первый анализ их значения для этой теории был произведен Дельбрюком (Timoféeff-Ressovsky, Zimmer, Delbriück, 1935), который исходил в своих расчетах из «теории мишени». На основании этих расчетов Дельбрюк построил модель гена как очень стабильной молекулы и определил его размеры.
Шредингер в своих спекуляциях относительно физических основ жизни придает большое значение взглядам, развиваемым Дельбрюком. «Следовательно, мы можем спокойно признать, — пишет он, — что нет другой возможности помимо молекулярного представления о наследственном веществе. Взгляды современной физики не оставляют других путей для понимания его постоянства. Если бы представления Дельбрюка оказались несостоятельными, нам пришлось бы оставить дальнейшие попытки» (Шредингер, 1947. Курсив наш. — Авт.).
Нет необходимости вдаваться в критику развиваемых Дельбрюком представлений о гене. Достаточно сказать, что сама основа, на которой строились эти представления, — «теория мишени», — не выдержала экспериментальной проверки К настоящему времени накопилось много данных, противоречащих попыткам истолковывать мутационный процесс, исходя из простых физических принципов. Сошлемся лишь на некоторые из них.
Стон с сотрудниками (Stone и др., 1947, 1948) и Вагнер (Wagner и др., 1950) показали, что облучение питательной среды до ее засева бактериями вызывает у последних мутации Имеется серия данных, показывающих, что изменение условий или наличие тех или иных веществ меняет темп мутирования. Особенно большое значение имеет кислород (Hollaender и др., 1951; Giles, 1952; Nilan, 1956). Теперь можно считать доказанным, что мутации возникают не непосредственно под влиянием облучения, а через промежуточную ступень химических реакций. Это подчеркивают Меллер, Холден, Холлендер и другие авторы (Mülller, 1950; Haldane, 1954; Hollaender, Kimball, 1956).
Особый интерес в этом отношении представляют данные по длительности протекания мутационного процесса, начинающегося под влиянием облучения. Как показал Кларк (Clark, 1956), процесс мутирования у дрозофилы после облучения растягивается до третьего поколения. Следовательно, начавшийся под влиянием ионизирующей радиации процесс, ведущий к наследственным изменениям, не исчерпывается моментом облучения, но продолжается и в последующих поколениях. Интересно, что Ауэрбах (Auerbach, 1949, 1951) получила сходные результаты по мутагенному действию горчичного газа.
Таким образом, из трех приведенных нами основных доказательств наличия гена два последних уже оказались несостоятельными. Но ведь столь же несостоятельно и первое. Достаточно сказать, что явление разнообразия признаков наблюдается не только в потомстве половых гибридов, но и у вегетативных гибридов, а также в потомствах направленно-измененных форм растений и, наконец, у организмов, не имеющих хромосом (вирусы, фаги).
Все сказанное не означает, что факты, на которые опиралась теория гена, ошибочны. Они были лишь неправильно истолкованы и использованы для обоснования представлений, которые не могли обосновать. В этом теперь отдают себе отчет и многие прежние сторонники классической генетики. Итогом этого явился отказ от логически хорошо разработанной и, казалось, фактически обоснованной теории гена.
Необходимо специально подчеркнуть, что Гольдшмидт первым подметил несоответствие накапливаемых в формальной генетике фактов с представлением о гене как единице наследственности. В 1938 году он (Goldschmidt, 1938) выступил с критикой теории гена и с требованием отказаться от гена как единицы наследственности. Правда, в своей критике Гольдшмидт ушел очень недалеко: он попытался заменить ген как единицу наследственности хромосомой и все же, по выражению Добжанского, «изумил своих коллег отрицанием гена» (Dobzhansky, 1953). Было чему изумляться. Старейший генетик, автор количественной теории гена выступил против учения о гене!
В 1942 году одним из авторов настоящей работы (Нуждин, 1942) были подвергнуты критическому анализу как теория гена, так и попытки Гольдшмидта поставить на место гена хромосому.
По мере развития генетических исследований все больше увеличивалась пропасть между теоретической основой формальной генетики и накапливаемыми результатами экспериментальных исследований. Многие новые данные подрывали те критерии, которые ранее служили основой для выделения гена в качестве единицы наследственности. В результате создалось нетерпимое положение. О наличии того или иного гена обычно судили после того, как произошло изменение (мутация) этого гена; новые же экспериментальные данные показали, что отличать внутригенные изменения от внегенных оказывается невозможным.
Это, конечно, заводило всю проблему в тупик.
Большое количество изменений, которые ранее были описаны как генные мутации (на основании чего был постулирован и соответствующий ген в хромосоме), оказались или хромосомными перестройками (эффект положения) или нехватками, или ген оказался сложным образованием, состоящим из серии своего рода подгенов (субгенов), отделимых друг от друга путем перекреста.
К описанным затруднениям добавлялись новые. Все возрастало число случаев так называемой внехромосомной наследственности. Помимо ранее известных случаев цитоплазматической наследственности, описанных в свое время Корренсом (Correns, 1908) у осота (Cirsium), Родсом (Rhoades, 1933) у кукурузы, Михаэлисом (Michaelis, 1954) у кипрея и т. п., отмечен ряд случаев цитоплазматической наследственности особого типа. Для их объяснения пришлось допустить наличие способных самостоятельно размножаться цитоплазматических частиц, получивших различное наименование: геноиды, каппа-частицы, плазмагены и т. п.
Не описывая подробно этих случаев, упомянем лишь некоторые из них. Сюда относится наследование чувствительности к CO2 у дрозофилы, изученное Л’Эритье (L’Heritier, 1951); мутации у дрожжей с появлением форм, лишенных фермента цитохромоксидазы, природа которых подробно проанализирована Эфрусси и Слонимским (Ephrussi, 1950, 1951, 1953; Слонимский, 1956); наследование «каппа-частиц» у инфузории, детально исследованное Соннборном (Sonneborn, 1947, 1951).
Для объяснения случаев, выходящих за пределы ядерной наследственности, было предложено много гипотез. Линдегрен (Lindegren, 1946) предложил новое представление о строении гена, в основу которого был положен принцип двойственного гена, о котором впервые говорил Соннборн. Согласно этому представлению, ген состоит из двух саморепродуцирующихся единиц: хромосомной единицы — хромогена и цитоплазматической единицы — цитогена, который связывается с хромогеном. Цитоген размножается независимо от хромогена.
Эта новая гипотеза явилась попыткой перебросить мост между учением о гене и фактами, которые выходили за теоретические рамки этого учения.
Гипотезой Линдегрена не исчерпываются поиски объяснений природы внеядерной наследственности. Появляются представления о вирусах-генах, о симбиотических саморепродуцирующихся частицах клетки (Lederberg, 1952). Представление о двойственной природе гена при этом сохраняется, бактериофаги рассматриваются как свободно живущие гены бактерий, которые, попадая в бактериальную клетку, прикрепляются к соответствующему участку ее хромосомы. При всем различии в характере этих спекулятивных построений итог их одинаков — все завершается геном. Возьмем в качестве примера уже упоминавшийся случай с наследованием цитохромоксидазы у дрожжей. По представлениям Эфрусси и Слонимского (Ephrussi, Slonimski, 1950), ядерный ген контролирует деятельность цитоплазматических единиц — плазмагенов, которые обеспечивают образование фермента цитохромоксидазы, но не сами, а под влиянием внешнего воздействия — специфического индуктора, в данном случае кислорода.
Между тем, противоречия между теорией гена и фактами, получаемыми в экспериментах в различных областях биологии, становились все более очевидными и не могли быть разрешены гипотезами, вроде приведенных выше. Поэтому все большее число ведущих генетиков, «удивившись» сперва отказу Гольдшмидта от гена, позднее присоединяется к его точке зрения (Stern, 1947; Demerec, 1955; Stadler, 1954 и Др.).
Лернер (Lerner, 1953), подводя итоги IX Международного генетического конгресса 1953 года, дал такую оценку состояния морганистской генетики: «Наиболее знаменательной тенденцией конгресса в Беляджио был фактический отказ от классического понятия гена, как предмета изучения».
Нельзя не подчеркнуть, что это «классическое понятие», которое так отстаивала морганистская генетика, Лернер объявляет наивным и упрощенческим. В связи с этим невольно вспоминаются упреки в адрес мичуринцев за недооценку результатов, достигнутых классической генетикой. Но ведь учение о гене рассматривалось всегда как важнейшее, центральное обобщение, как наиболее ценное достижение хромосомной теории наследственности. Поэтому, думается, что эти упреки было бы правильнее переадресовать в адрес самой формальной генетики, отказавшейся от представлений о гене и даже объявившей эти представления «наивными» и «детскими». Мичуринцы же в свое время правильно показали, что учение о гене, как не отражающее объективных закономерностей природы, не может сохраниться в науке.
Трудно предугадать, как бы выглядела генетическая теория после отказа от гена как единицы наследственности, если бы не были достигнуты значительные успехи в других разделах биологической науки, а также в изучении химии ядра и нуклеиновых кислот.
Какие же это достижения, оказавшие на морганистскую генетику столь существенное влияние и, более того, явившиеся основой построения новой теории гена?
Как на важнейшие из них укажем на следующие:
1) данные о трансформации у бактерий, наступающей в результате действия специфической дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и о трансдукции;
2) результаты цитофизического и цитохимического изучения ДНК в клетках;
3) новые представления о структуре молекулы ДНК.
Это, конечно, довольно грубая классификация, но она облегчит дальнейший анализ.
В 1928 году Гриффитц (Griffith, 1928) в опытах in vivo (т. е. на живом) в организме мышей изменил авирулентную (незаразную) R-форму II типа пневмококка в вирулентную (заразную) S-форму III типа. Это изменение произошло под влиянием убитых клеток S-формы, введенных мышам вместе с живыми клетками R-формы. Затем Даусон и Сиа (Dawson, Sia, 1931) установили возможность такого же превращения in vitro (т. е. вне организма, в искусственных условиях) при выращивании клеток R-формы II типа на средах, содержащих анти-R-сыворотку и убитые высокой температурой S-клетки III типа. Эллоуей (Alloway, 1932, 1933) показал, что стерильные вытяжки из S-клеток, лишенные форменных элементов, при добавлении их к среде оказались столь же активными, как и цельные клетки.
Эйвери, Мак-Леод и Мак-Карти (Avery, MacLeod, McCarty, 1944) опубликовали работу, в которой не только подтверждалась возможность трансформации, но был выделен и тщательно изучен трансформирующий агент; им оказалась ДНК. Трансформирующая активность последней исключительно велика. Разведение 1: 600 000 000 оказалось достаточным для направленного, специфического превращения одного типа пневмококков в другой.
Позднее Буавен (Boivin, 1947), а затем Эфрусси-Тейлор и Хочкис (Ephrussi-Taylor, 1951; Hotchkiss, 1951) установили специфичность действия ДНК, взятой из разных линий. В связи с этим Буавен писал, что каждому типу пневмококков (которых насчитывается около 100), как и каждому типу кишечных бактерий (их существуют сотни или тысячи типов) соответствует своя ДНК. Если в работе Эйвери и др. еще отмечалась возможность того, что трансформирующее начало принадлежит не самой ДНК, а какому-то другому веществу, адсорбированному ею, то Буавен уже со всей определенностью подчеркивал, что в случаях трансформации чистая ДНК способна передавать наследственные особенности. Данные по трансформации стали оцениваться как прямое доказательство генетической роли ДНК, а ген стал рассматриваться в качестве молекулы ДНК.
Приведенными примерами далеко не исчерпываются экспериментальные данные о трансформации. Это явление не ограничивается только миром микроорганизмов. Судя по имеющимся сообщениям, многообещающие результаты получены во Франции профессором Бенуа и его сотрудниками (Benoit, Leroy и др., 1957). В результате многократных инъекций уткам пекинской породы ДНК, выделенной из эритроцитов и из семенников уток породы Хаки, им удалось получить новую породу, названную Белоснежка.
Независимо от истолкования природы трансформации, уже сам факт ее обнаружения представляет исключительный практический интерес. Но результаты работ по трансформации важны и для познания природы наследственности. Наука обогатилась новыми неоспоримыми фактами получения направленных, адекватных изменений. Для мичуринской генетики подобные результаты не были неожиданными. Этим объясняется, в частности, что появившаяся в 1944 году статья Эйвери и его сотрудников была переведена и опубликована в журнале «Агробиология». Нам кажется не случайным, что французские газеты, излагая опыты профессора Бенуа, дают им соответствующую оценку. Так, газета «Монд» (27 июля 1957 г.) указывает, что этими опытами, вероятно, нанесен смертельный удар теории Моргана, Менделя и Вейсмана. По заявлению еженедельника «Франс обсерватер» (1 августа 1957 г.), Мичурин и Лысенко снова возведены на трон в ущерб Вейсману и некоторым другим классикам.
В классической генетике данным о трансформации также придается большое значение. Считается, что наконец-то обнаружено то наследственное вещество, о котором на протяжении ряда десятилетий писали в генетической литературе. Это открытие особенно важно сейчас, когда рушатся устои классической генетики. Разве это не выход из затруднительного положения: гена нет и в то же время он есть, им является молекула ДНК. Это утверждение не оговорка, а мнение очень многих сторонников хромосомной теории наследственности.
Крылья фантазии с легкостью отрывают людей от почвы, унося их в область беспочвенных спекуляций. Например, Хочкис и Мермар (Hotchkiss, Marmur, 1954) обнаружили, что в случае бактериальной трансформации один экстракт ДНК может трансформировать одновременно два генетических свойства. Авторы, не смущаясь, сравнивают это со сцеплением генов.
Пока нет никаких оснований не только строить генетическую карту ДНК, но и выдавать последнюю за наследственное вещество. Прежде чем делать подобные обобщения, необходимо объяснить ряд непонятных явлений в самой трансформации. Отметим некоторые из них.
Прежде всего необходимо указать, что в работе по трансформации надежные результаты получены лишь у немногих форм микроорганизмов. В большинстве же описанных случаев это явление или не подтверждено другими исследованиями, или трансформация носит редко воспроизводимый характер.
Нельзя не подчеркнуть, что трансформировать удается пока лишь незначительное число свойств микробной клетки, чаще всего как раз тех, которые легко изменяются и под действием других влияющих на клетку факторов.
Различия в ходе трансформации наблюдаются не только между различными группами микроорганизмов, но и в пределах одной группы. Например, среди сотни типов пневмококков трансформация удается лишь у нескольких, да и у них трансформируются отдельные, особо чувствительные, или, как их называют, «реактивные», клетки. В чем причина этого — пока неизвестно. Браун (Brawn, 1953) считает, что необходим специфический генотип, чтобы клетки стали доступны для превращения; другими словами, наследственное вещество в форме специфической ДНК трансформирующего агента должно еще дополняться соответствующим генотипом изменяемого организма. Пожалуй, от этого недалеко и до постулирования специальных генов трансформации (как были в свое время постулированы гены мутабильности).
Далее, трансформация R-формы кишечной палочки Escherichia coli в S-форму под влиянием ДНК, выделенной из S-формы, происходит на обычной среде и даже может начаться на среде, не обеспечивающей размножение клеток (Alexander, Leidy, 1951). Для превращения же пневмококков необходим уже ряд условий, и только при наличии их идет процесс трансформации. В этом случае одна ДНК не в состоянии обеспечить трансформацию. Например, для превращения R-формы в S-форму требуются, помимо ДНК, R-антитела, диализирующийся фактор, присутствующий в плазме крови или серозной жидкости, который может быть заменен пирофосфатом, а также дополнительный фактор кровяной сыворотки, который можно восполнить альбуминовой фракцией бычьей сыворотки.
Нельзя не затронуть и вопрос о специфичности самого воздействия. Не во всех случаях имеет место столь строгая специфичность, какую нужно было бы ожидать, если бы ДНК была «наследственным веществом». Ваурека (Vaureka, 1948) показал, что некоторые штаммы стафилококков, устойчивые к пенициллину, становятся чувствительными при совместном их выращивании с другими микроорганизмами, и не только стафилококками но и дифтерийной палочкой (Corynebacterium diphtheriae), стрептококками и пневмококками. Капокаччи (Capocaccia, 1956) обнаружил у четырех из двадцати трех штаммов сальмонелл переход R-форм в S-форму при воспитании их на среде, содержащей не ДНК, а молоко и глицерин.
Имеется уже немало фактов, которые говорят о том, что один и тот же эффект вызывает не только специфическая ДНК, но и другие агенты. Хочкис (Hotchkiss, 1951) установил, что устойчивость к пенициллину можно передавать с помощью ДНК, выделенной из устойчивых пневмококков. Но устойчивые к пенициллину формы пневмококков также легко возникают при выращивании чувствительных форм на среде, содержащей пенициллин. Чем отличаются эти две формы устойчивости, — неизвестно. Правда, сторонники хромосомной теории одну форму связывают со специфическим влиянием ДНК, а другую — с отбором готовых мутаций, но это, конечно, не объяснение, а лишь уход от него.
Сходные результаты получили Хантер и Батлер (Hunter, Butler, 1956) по индуцированному синтезу Р-галактозидазы у бактерии Bacillus megatherium при воспитании ее на среде, содержащей РНК (рибонуклеиновую кислоту), выделенную из В. megatherium, которая выращивалась на среде с лактозой. Но такой же индуцированный синтез Р-галактозидазы можно получить и без воздействия специфической РНК, а при выращивании микроорганизмов на среде, содержащей соответствующий сахар (Ryan, 1952).
Балашша (Balassa, 1955, 1956), воздействуя ДНК, извлеченной из клеток клубеньковых бактерий люцерны (Rhizobium meliloti), изменил штаммы клубеньковых бактерий, специфичных для сои (Rhizobium sojae), которые приобрели способность образовывать клубеньки на корнях люцерны. Н. А. Красильников (1945, 1949, 1955) путем воспитания клубеньковых бактерий одного вида на среде, содержащей фильтрат направляющей культуры, изменял их в сторону этой культуры. Сходные явления удавалось получать и иным путем. Через 3–5 лет повторного выращивания сои на опытных делянках или в сосудах, где в почве не было Rhizobium sojae, эти бактерии появились. Красильников считает, что в этом случае «индуктором», изменяющим почвенные бактерии, являются корневые выделения сои.
Наконец, необходимо преодолеть и те трудности, которые неизбежно возникают при попытке представить механизм проникновения в бактериальную клетку гигантской (молекулярный вес 5–6 млн.) молекулы ДНК, которая в растворе представляет собой развернутый завиток от 5 000 до 10 000 Å в диаметре. Существующие в настоящее время представления о мембранной проницаемости не позволяют устранить эти трудности.
В качестве другого прямого свидетельства монопольной по существу роли ДНК в наследственности называются результаты исследований Херши и Чейз (Hershey, Chase, 1952). Названные авторы заражали кишечную палочку (Escherichia coli) фагом Т2, меченным радиоактивными изотопами фосфора и серы. Они показали, что в бактериальную клетку проникает только фосфор, меченая же сера, входящая в состав аминокислот, в клетке не обнаруживается. Это позволило сделать заключение, что в бактериальную клетку при ее заражении фагом проникает только нуклеиновая кислота последнего, в которую входит фосфор, тогда как белковая часть фага, содержащая серу, остается за пределами клетки. Несмотря на это, проникшая внутрь бактериальной клетки ДНК обеспечивает не только синтез ДНК, специфической для бактериофага, но и синтез его белковой части. Тем самым демонстрировалась ведущая роль ДНК в синтетических процессах, обеспечивающая построение фаговой корпускулы вместе с ее белковой частью.
Эти результаты произвели такое сильное впечатление, что некоторые генетики до сих пор приводят их как прямое доказательство генетической роли ДНК, несмотря на то, что Херши в 1955 году внес существенную поправку к прежним наблюдениям. Анализ, выполненный в более строгих условиях, показал, что в бактериальную клетку проникает не только ДНК, но и меченый по сере и углероду белок фага, который Херши назвал «неосаждаемым». Попытка показать отсутствие связи этого белка с нуклеиновой кислотой пока не увенчалась успехом.
Нельзя не отметить и нерешенность вопроса о механизме заражения бактериальной клетки фагом. Опыты Херши и Чейза в их первом варианте заслуживают внимания только при допущении, что содержимое фага изливается через «хвост», которым он прикрепляется к бактериальной клетке, а его оболочка остается снаружи, как это описывается рядом исследователей. Однако Крисс и Тихоненко (1957), в результате проведенного ими электронно-микроскопического изучения строения корпускулы бактериофага, оспаривают подобный механизм заражения.
Ограничимся только сказанным; из этого видно, что «прямые доказательства» генетической роли ДНК наталкиваются на ряд вопросов, требующих ответа. Число таких вопросов уже сейчас очень велико, а с расширением исследований будет все увеличиваться.
Еще в работе Эйвери с сотрудниками (1944) указывалось на то, что, возможно, не только ДНК отвечает за эффект трансформации. Необходимо подчеркнуть, что в настоящее время нет ясности и в этом важнейшем вопросе. Так, по мнению Маалое (1957), в случаях трансформации «химическая чистота трансформирующего фактора настолько хорошо установлена, что можно считать несомненным, что трансформацию производят молекулы ДНК, содержащие в себе детерминанты специфических наследственных признаков». В то же время этот автор считает, что в случае трансдукции такая отчетливость отсутствует: «Нужно признать, что основания приписывать эту функцию молекулам ДНК во втором случае (т. е. в случае трансдукции. — Н. Н.) не столь вески, как в первом, так как мы не можем инфицировать бактерию ДНК фага, которая была бы искусственно освобождена от белка».
Мюллер (1957), будучи сторонником признания за ДНК роли носителя наследственных детерминантов (определителей), полагает все же, что не только в случае трансдукции, но и в случае трансформации отсутствуют прямые доказательства, которые позволяли бы считать трансформирующим агентом чистую ДНК. «Таким образом, — пишет он, — различные данные указывают, что именно ДНК является носителем наследственных факторов. Но является ли она единственным веществом, которое запечатлевает наследственные свойства? Прямое доказательство этого отсутствует…».
Даже после работ Френкель-Конрата и Вильямса (Fraenkel-Conrat, Williams, 1955) по ресинтезу вируса табачной мозаики и Гершензона (1956) по ресинтезу полиэдренного вируса, исследований Гирера, Шрамма и др. (Gierer, Schramm, 1956; Schuster, Schramm, Zillig, 1956) по инфекционности чистой РНК, выделенной из вируса табачной мозаики, вопрос не стал яснее. При самой тщательной очистке РНК не удалось освободиться от белка. Хотя содержание его остается незначительным (всего 0,25 %), но нельзя забывать о том, что очищенная РНК обладает всего лишь 2 % инфекционности исходного вируса.
Френкель-Конрат (в соавторстве с Сингером и Вильямсом, 1957) в докладе на совещании по происхождению жизни вынужден был признать, что «белок, в конечном счете, может иметь какое-то небольшое влияние на процесс воспроизведения вируса». О роли белка в инфекционности вируса говорят и результаты исследования Липпинкотта и Коммонера (Lippincott, Commoner, 1956), которые показали, что белок и нуклеиновая кислота в отдельности обладают низкой инфекционностью, а полимеризованная их смесь в 3—10 раз более активна, чем каждый компонент в отдельности.
Не слишком ли спешат сторонники хромосомной теории наследственности с новыми широкими обобщениями относительно генетической роли ДНК?
Отметим, что Заменхоф (Zamenhof, 1956) в результате анализа экспериментальных данных по трансформации пришел к выводу о том, что эти данные не дают пока оснований считать ДНК единственным носителем генетических свойств клетки.
Помимо прямых доказательств, некоторые авторы приводят также ряд косвенных данных, используемых для обоснования исключительной генетической роли ДНК. В числе этих данных можно назвать: концентрацию ДНК преимущественно в хромосомах; постоянство количества ДНК и связь этого постоянства с хромосомным набором; совпадение данных о наибольшей частоте возникновения мутаций при облучении ультрафиолетовым светом при длине волны 2 600 Å с максимальным поглощением (абсорбцией) нуклеиновыми кислотами лучей с длиной волны 2 600 Å и т. д.
Несмотря на интерес такого рода данных, они все же не достаточны для выводов, которые из них делают.
Возьмем вопрос о количественном постоянстве ДНК… Гольдшмидт пишет: «Первой и главной поддержкой утверждения, что ДНК является единственным генным материалом, служит ее количественное постоянство в ядрах клеток данного вида и ее абсолютная зависимость от числа хромосом в пределах вида» (Goldschmidt, 1955). Даже если бы факты неизменно подтверждали правильность этого положения, то и тогда еще нельзя делать вывод о том, что только ДНК принадлежит функция носителя наследственных особенностей. Однако и этого нет. Можно привести ряд данных, свидетельствующих как в пользу количественного постоянства ДНК, так и против. Обширный материал по этому вопросу приведен в обзорной статье Макарова (1956).
В процессе развития количественное содержание ДНК может сильно меняться вплоть до ее полного исчезновения, как это наблюдал Браше в неоплодотворенных яйцах морского ежа или как наблюдали Крупко и Денли в ядре яйцеклетки и зрелом зародышевом мешке у Aloe davyana (Krupko, Denley, 1956). Разбирая опыты Лизона и Пастилса, проследивших изменение содержания ДНК в ядрах развивающегося морского ежа, Браше (1955) пишет: «Результаты этого исследования (которое необходимо распространить и на другие виды) показывают также, что содержание ДНК в разных ядрах не обязательно кратно ее содержанию в сперматозоидах, как это предполагали раньше». Демяновская и Белозерский (1954), Демяновская (1957), Прокофьева-Бельговская и Демяновская (1957) показали, что на определенной стадии развития мицелия лучистого гриба Actinomyces globisporus streptomycini ДНК исчезает, а вместо нее появляется другая нуклеиновая кислота, у которой вместо тимина иное основание.
При выяснении роли ДНК большое значение придается специфике воздействия ультрафиолетовых лучей на мутационный процесс. Факты большей частоты мутаций при облучении ультрафиолетовым светом с длиной волны 2 600 Å используются как доказательство связи процесса мутирования с ДНК: последняя как раз максимально адсорбирует лучи с этой длиной волны. Однако необходимо подчеркнуть, что такой вывод сильно преувеличен. Чтобы убедиться в этом, достаточно вспомнить данные Мак-Олей и Форда (McAulay, Ford, 1947) и Холлендера (Hollaender, Emmons, 1941). Первые авторы показали, что наивысшая эффективность облучения гриба Chaetomium globosum соответствует спектру поглощения белка. Холлендер и Эммонс нашли, что кривая частоты мутаций, вызванных ультрафиолетовым облучением, имеет два максимума: больший совпадает с длиной волны 2650 Å, меньший — 2280 Å. Даже максимум при 2650 Å Холлендер и Эммонс не связывают только с ДНК, хотя она и показывает наибольшую величину поглощения лучей этой длины. «Это не обязательно означает, — иишут они, — что нуклеиновая кислота является единственным компонентом клетки, ответственным за этот максимум. Белки и некоторые энзимы, присутствующие в очень низких концентрациях, могут содействовать получению максимума при этой длине волны». Второй же максимум, по мнению названных авторов, обусловлен поглощением лучей ядерным белком.
Хочкис (1957) также не считает возможным рассматривать совпадение данных о поглощении лучей с частотой мутаций как доказательство того, что возникновение мутаций обусловлено изменениями в молекуле ДНК, и видеть в этом подтверждение генетической роли последней. Он пишет: «Однако специфичность этого поглощения недостаточна для того, чтобы считать полученные данные безусловным доказательством отсутствия эффективного поглощения также со стороны белка, и действительно, мутагенное действие в области максимума для белков значительно». И далее: «Эти соображения, а также то обстоятельство, что добавленные вещества и факторы среды могут существенно изменять число мутаций, обнаруживаемых после облучения, заставляют подходить с осторожностью к данным о действии облучения и не делать на основании этих данных заключений о химической природе генов».
Приходится удивляться той легкости, с какой некоторые авторы пытаются опереться на разобранные выше данные, как на несомненное доказательство исключительной генетической роли ДНК.
Выяснению физиологической роли ДНК за последние 15 лет было посвящено большое количество исследований. Эти исследования, давшие исключительно ценные выводы относительно роли ДНК в синтезе белковой — молекулы и о структуре ДНК. выдвинули и ряд новых проблем, ожидающих своего решения. Касперсон (Caspersson, 1941) высказал предположение о том. что ядро является центром синтеза белка, связывая этот синтез с ролью ДНК. Однако прямые исследования биосинтеза в безъядерных фрагментах водоросли Acetabularia, выполненные Геммерлингом, а затем Браше и другими исследователями (Brachet, Feener, 1944; Hultin, 1950; Keller, 1951; Siekevitz, Zamecnik, 1951), показали, что цитоплазматические белки синтезируются в микросомах (зернистых частичках, находящихся в клетках). Так, Геммерлинг и Штих (Hammerling, Stich, 1956) установили, что скорость включения радиоактивного фосфора (Р32) в фрагменты Acetabularia mediterranea, содержащие ядро и лишенные его, одинакова. Браше с сотрудниками (Brachet, 1933; Brachet и др., 1955) изучали роль ядра в синтезе белка также у Acetabularia и установили, что синтез белка возможен и в отсутствии ядра, а включение меченых предшественников в белки в безъядерных фрагментах происходит на протяжении месяцев с нормальной скоростью. Браше считает, что «ядро контролирует синтез белка лишь косвенно» (Браше, 1955). Шпигельман с сотрудниками (Baron, Spiegelman, Quastler, 1953) облучали бактерии летальными (смертельными) дозами Х-лучей и нашли, что синтез ДНК нарушается сравнительно быстро, тогда как синтез протеина и РНК сохраняется.
Много еще неясного и в синтезе нуклеиновых кислот. Освещая работу III Международного биохимического конгресса, состоявшегося в 1955 году, Н. М. Сисакян (1956) пишет: «Оказалось, что ферменты, связанные с обменом РНК и ДНК, локализованы главным образом в митохондриях. Эти факты явились неожиданными, поскольку сама ДНК локализована в ядре, а РНК, хотя и присутствует во всех частях клетки, но главным образом сконцентрирована в микросомах».
Следовательно, и примеры из области «косвенных доказательств» не дают оснований видеть в ДНК единственного, уникального носителя наследственности.
Наконец, укажем еще на один довод, который усиленно используется для обоснования взглядов на ДНК как на наследственный материал. За последние десять лет достигнуты большие успехи в изучении химической структуры нуклеиновых кислот. Исследованиями Гулланда (Gulland и др., 1947), Чаргаффа (Chargaff, 1952) и других было показано несоответствие между имеющимися фактами и тетрануклеотидной теорией строения нуклеиновых кислот. Результаты рентгеноструктурного анализа, выполненного рядом исследователей, позволили Уотсону и Крику (Watson, Crick, 1953) предложить модель стереохимической структуры молекулы ДНК.
Нет возможности изложить здесь химическую основу гипотезы Уотсона и Крика, как и дополняющих или изменяющих ее новых вариантов, предложенных другими исследователями. В этом и нет необходимости, так кап имеется обстоятельное изложение новых представлений о строении нуклеиновых кислот, сделанное одним из лучших наших специалистов в этой области А. Н. Белозерским (Белозерский и Спирин, 1956). Подчеркнем лишь, что эти новые представления облегчили понимание ряда вопросов (но не решили их), таких, как проблема удвоения хромосомы с точным воспроизведением ее качественной дифференцировки, проблема генетической специфичности и ее неисчерпаемого многообразия и т. д. Молекула ДНК с ее специфическим расположением пуриновых и пиримидиновых мононуклеотидов в гигантской поли нуклеотидной цепи рассматривается теперь в качестве матрицы, на которой осуществляется синтез белка.
При всем значении модели строения молекулы ДНК нет еще достаточных данных, которые позволяли бы так широко использовать эту модель для обоснования представлений о природе «наследственного вещества», как это делают сторонники хромосомной теории. Пока и в этом вопросе все еще продолжает оставаться порочный круг, из которого необходимо найти выход.
В самом деле, в своих построениях представители классической генетики опираются теперь на модель, предложенную Уотсоном и Криком, как на нечто окончательно доказанное. В то же время сами Уотсон и Крик для обоснования справедливости предложенной ими модели строения молекулы ДНК ищут поддержки в данных генетики. Об этом говорят следующие заключительные строки одной из их работ: «Во всяком случае, фактические данные, подтверждающие как предложенную нами модель, так и схему самовоспроизведения, будут значительно подкреплены, если удастся ясно показать, что генетическая специфичность обеспечивается одной лишь ДНК и будет выяснено с молекулярной точки зрения, каким образом особенности структуры ДНК могут оказывать специфическое влияние на клетку» (Уотсон и Крик, 1957). О последнем, т. е. специфическом влиянии на клетку, в настоящее время вообще ничего сказать нельзя… Что касается генетической роли ДНК. то, как это видно уже из приведенного материала, нельзя считать, что только ей одной присуща генетическая функция.
Несмотря на недостаточность научных оснований, итогом так называемых прямых и косвенных доказательств все же явился вывод о генетической функции ДНК. По представлению сторонников хромосомной теории наследственности, в молекуле ДНК сосредоточена, зашифрована генетическая информация. Как иллюстрацию к этому приведем одно место из аннотации, предваряющей статью Мюллера «Биохимия наследственных факторов» (Мюллер, 1957), перевод которой опубликован в журнале «Химическая наука и промышленность». В аннотации говорится: «Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), по данным генетики, цитологии, химии и физики, является той структурой, через которую передается запись генетической информации от родителей потомству. Хромосомный аппарат ядра клетки, в котором локализуется ДНК, является основным организатором синтеза белка и регулятором индивидуального развития».
Если раньше ген объявлялся альфой и омегой живого, то теперь такие же свойства приписываются молекуле ДНК. Следовательно, отказавшись от гена в его классическом понимании как кусочка хромосомы, представители моргановской генетики перешли на новые позиции, выдвигая в качестве гена молекулу ДНК.
За геном и в этой новой форме сохраняется все та же сущность. Если «классический» ген объявляли «основой живого», «базисом жизни», «единицей жизни», то теперь в качестве такой единицы жизни выдвигается тот же ген, но уже в форме молекулы ДНК.
Следует отметить и еще один момент. Положив молекулу ДНК в основу жизни, ее, как и «классический» ген, выключают из обменных процессов — основы основ живого. За ней сохраняется лишь способность к «саморепродукции», которая происходит в отрыве от остальных процессов, протекающих в живой структуре. Штих (1957), например, утверждает, что «ДНК можно рассматривать как стабильный компонент клетки, не подвергающийся или мало подвергающийся обновлению». По мнению Синшеймера (Sinsheimer, 1957), «… сейчас в основном все сходятся на том, что ДНК в метаболическом отношении инертна». В этой «метаболической стабильности» ДНК названный автор усматривает постоянство или сохраняемость физической основы гена. Мёллер (Müller, 1955) подчеркивает, что «сущность жизни заключается не в протоплазме или процессах, которые в ней происходят и которые в совокупности называются обменом веществ». По его мнению, сущность жизни заключается в способности гена удваивать свои изменения. Учитывая подобного рода настроения, Поллистер (1955) писал: «Этот взгляд логически приводит к заключению, что ДНК представляет собой относительно инертный компонент содержащего гены хроматина. Несколько вульгаризируя, можно сказать, что с этой точки зрения ДНК является компонентом огромного динамического генного «завода» и, участвуя в выработке разнообразных веществ, не истощается и не нуждается в восстановлении». Но ведь такой же взгляд был характерен и для «классической теории гена». Напомним о генонеме, которую рассматривали как часть хромосомы и которую выключали из обменных реакций (Кольцов, 1938).
В биологической литературе стали появляться заявления о том, что напрасно некоторые генетики пытаются запугивать термином «ген». Как бы в подтверждение этого тут же приводится ссылка на И. В. Мичурина, который не боялся пользоваться термином «ген», и т. д.
Подобные рассуждения не столь безобидны, как это может показаться с первого взгляда. Они, во-первых, дезориентируют читателя, внушая ему мысль о том, что мичуринцы по важнейшему вопросу генетической науки ведут борьбу не по существу, а только по вопросам терминологии. Во-вторых, такие рассуждения скрывают от читателей метафизическую сущность, скрывающуюся за термином «ген». Авторы подобных рассуждений, запутавшись в противоречиях, в которых бьется современный морганизм, видят выход в том, чтобы возвратиться к старому, предложенному еще В. Иогансеном понятию гена как абстракции, нереальной единицы. Очевидно, они рассчитывают на то, что отказ от конкретизации гена позволит снять те противоречия, которые возникли в теории гена в последнее десятилетие. Вряд ли следует особо доказывать, что такие расчеты ни на чем не основаны.
Необходимо со всей категоричностью подчеркнуть, что наша критика представлений о гене как молекуле ДНК ни в какой мере не означает не только отрицания, но даже умаления роли последней в жизненных процессах, в том числе и в наследственности. Являясь важнейшим компонентом живого, ДНК не может не играть большой роли как в наследственной передаче, так и в становлении признаков организма. Но это далеко не означает, что в ней и только в ней зашифрован «секрет» наследственности и что она, в конце концов, является единицей жизни. А ведь именно это имеют в виду, когда говорят о генетической роли ДНК и приравнивают ее к роли гена. Поэтому нельзя не согласиться с Линдегреном (Lindegren, 1955), который, критикуя упоминаемые выше представления Мёллера, пишет: «Сейчас трудно, если не невозможно, ссылаться на ген, как на чисто химическое соединение, и приписывать ему загадочную способность к саморепродукции. Кажется несомненным, что ни одно химическое вещество не обладает автономной способностью к саморепродуцированию, поскольку последнее зависит от окружающих это вещество компонентов, а синтез осуществляется энзимом».
Оценивая значение новых представлений о биохимии нуклеиновых кислот, Гольдшмидт (Goldschmidt, 1955). высказал следующую интересную мысль: «Генетик, который с трепетом ожидает от биохимика объяснения некоторых из его трудностей, ухватится за эти новые идеи, хотя он редко подготовлен к тому, чтобы взвесить биохимические данные». Очевидно, именно это и произошло. Теперь уже биохимики вынуждены предупреждать генетиков от ничем не оправданного увлечения. Такие предупреждения мы находим в монографии А. И. Опарина «Возникновение жизни на Земле» (1957), а также в некоторых докладах на недавно прошедшем совещании по проблеме возникновения жизни. В докладе Чаргаффа (1957), например, говорится: «Если бы научные факты были подвергнуты голосованию, то мнением большинства нуклеиновые кислоты были бы, вероятно, помещены на вершину иерархии, в то время как белки поставлены следующими, т. е. что-нибудь вроде:
ДНК → РНК → белок.
Но, по-моему, более честно признаться, что на самом деле мы знаем очень мало об этих вещах, и сказать, что дорогу в будущее не надо загромождать искусственно построенными, а часто и полностью безосновательными гипотезами».
К этому нет необходимости что-либо добавлять.
Мы рассмотрели одну из проблем, занимающую центральное место в классической генетике. Представители этого направления сосредоточили свое внимание на теоретическом обосновании и экспериментальном доказательстве наличия в хромосомах ядра клетки элементарных носителей наследственности — генов. На протяжении четверти века сторонники мичуринского направления в генетике подвергали критике подобные представления. Итогом, как мы видели, явился крах этих надуманных схем. Генетики моргановского толка сами отказались от установленных ими единиц наследственности.
Однако, отказавшись под напором фактических данных от представлений о гене как кусочке хромосомы, сторонники хромосомной теории наследственности заменили эти кусочки молекулой ДНК. Последней они приписали все свойства, ранее приписывавшиеся гену в его «классической» форме; тем самым сохранилась и вся метафизика, которая была связана с учением о гене.
Еще в 1950 году один из авторов настоящей работы (Нуждин, 1950) провел анализ учения о гене в связи с новым экспериментальным материалом. В этой работе был поставлен вопрос о том, не дошел ли морганизм в своем развитии до состояния, когда вскрытые им факты заставят отбросить идеалистическое учение о гене и стать на правильные материалистические позиции? На этот вопрос в работе давался отрицательный ответ. Прошедшие годы подтвердили правильность такого ответа. Задача борьбы против метафизических построений, за материалистическое понимание природы наследственности и сегодня остается важнейшей в мичуринской генетике.