home | login | register | DMCA | contacts | help | donate |      

A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z
А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я


my bookshelf | genres | recommend | rating of books | rating of authors | reviews | new | форум | collections | читалки | авторам | add
fantasy
space fantasy
fantasy is horrors
heroic
prose
  military
  child
  russian
detective
  action
  child
  ironical
  historical
  political
western
adventure
adventure (child)
child's stories
love
religion
antique
Scientific literature
biography
business
home pets
animals
art
history
computers
linguistics
mathematics
religion
home_garden
sport
technique
publicism
philosophy
chemistry
close

реклама - advertisement



Дарвинизм в XX веке

Б. Медников

Дарвинизм в XX веке

Светлой памяти

Андрея Николаевича Белозерского


Дарвинизм в XX веке

Закон гомологических рядов, или параллельная изменчивость

У читателя может сложиться впечатление, что если «запасы изменчивости», накопленные в генофондах и непрерывно пополняемые мутационным процессом, столь велики, то в принципе возможно получение организмов с любым набором признаков.

Однако это далеко не так. Цветоводы с незапамятных времен выводили розы с цветами самой невероятной окраски. Тем не менее, никто не видел синюю розу. Нормальный цвет глаз плодовой мушки — дрозофилы — красновато-коричневый, но генетики вывели мутантные линии с глазами белыми, киноварными, ярко-красными и бурыми. А вот дрозофилу с голубыми или зелеными глазами никто не смог получить — и вряд ли это вообще возможно. Есть признаки для того или иного вида как бы запретные.

И наоборот, уже давно было подмечено, что если какой-либо признак встречается у одной из форм вида, весьма вероятно, что он обнаружится у вида близкородственного. Фигурально выражаясь, ген нельзя уподобить бильярдному шару, который случайно может обратиться к вам любой точкой своей поверхности. Скорее, это монета, которая падает или орлом, или решкой, а в случае множественного аллелизма — игральная кость, выпадающая лишь какой-либо из своих шести граней.

Такие случаи знал уже Дарвин: «…одинаковые признаки время от времени проявляются у некоторых разновидностей или рас, ведущих начало от одного и того же вида и, реже, в потомстве отдаленных видов». В подтверждение этого он ссылался на французского ботаника Ш. Нодэна, обнаружившего параллельную изменчивость у тыквенных, и английского энтомолога Б. Уолша. Впоследствии много подобных фактов обнаружили ботаники (М. Дюваль-Жув и уже известный нам Де Фриз) и палеонтологи (Э. Коп и Г. Осборн). Однако не хватало исследователя с синтетическим складом ума, способного охватить умственным взором (как писал М. В. Ломоносов — «умными очами») все это громадное скопище разрозненных фактов и построить общую теорию.

А теперь перенесемся в 1920 год. Казалось бы, до науки ли тут — но в Саратове собирается III Всероссийский селекционный съезд. После доклада молодого, но уже пользующегося заслуженной известностью генетика Н. И. Вавилова аудитория разражается громом рукоплесканий. И на вопрос — что происходит? — посторонний свидетель слышит ответ — «это биологи приветствуют своего Менделеева».

Сравнение весьма лестное, образное, но обязывающее. Что же сделал Вавилов? Можно ли его труд сравнить с периодической системой Д. И. Менделеева? Попробуем проследить ход мыслей Вавилова, путь, по которому он прошел, когда делал свое открытие.

В начале XX века систематика растений (да и животных) чудовищно осложнилась по сравнению с той, что дал отец систематики Карл Линней в XVIII веке. Линней знал одну пшеницу, одну рожь, один рис. Но линнеевские виды — линнеоны — оказались отнюдь не однородными единицами. Их удалось разделить на сотни и тысячи наследственных форм, причем процесс дробления представлялся явно бесконечным. Дикие, неокультуренные человеком виды не являлись исключением. А. Жордан, например, обыкновенную невзрачную травку — крупку разбил более чем на 200 видов! Такие мини-виды стали в отличие от линнеонов называть жорданонами. Систематики уже захлебывались в океане видов, которые описывали сами.

Итак, исходная точка Вавилова — полиморфизм крупных видов — линнеонов. Оттолкнувшись от нее, он подмечает параллелизм изменчивости линнеонов. Пшеницы, например, распадаются на три группы видов — с 42, 28 и 14 хромосомами. В каждой из этих групп имеются сходные формы, или возникшие параллельно, или унаследованные от общего предка: остистые и безостые, бело-, красно- и черноколосые, озимые и яровые. Такие же ряды Вавилов находит у ячменей и ржи, овсов и проса, хлопчатника и пырея, огурцов, дынь и тыкв.

Этого мало. Параллельная изменчивость обнаружилась и у представителей различных родов. Так, если у пшениц имеются формы с опушенными колосьями, то у ржи они также должны иметься. И действительно, Вавилов находит их сначала на Памире, а потом в Армении. Сходство гомологичных[8] форм из разных родов настолько велико, что их порой принимали за межродовые гибриды. Например, С. И. Коржинский за 23 года до доклада Вавилова описал гибриды арбузов и дынь — гибриды ложные, никогда не существовавшие. Вавилов нашел сорта арбузов, похожие не только на дыни, но и на тыквы и кабачки.

Я вспомнил этот пример Вавилова, когда мы как-то достали в туземной деревне на острове Молекула (архипелаг Новые Гебриды) загадочные плоды, формой и размером семечек похожие на огурцы, но по вкусу — типичные арбузы.

Насколько же далеко идет гомология изменчивости? Оказывается, ее можно проследить между весьма отдаленными семействами и даже классами. Однако эти примеры, естественно, касаются лишь самых общих черт строения. Так, альбинизм (возникновение бесхлорофильных форм), гигантизм и карликовость, превращение корней в корнеплоды, сходные форма плодов и окраска цветов возникают в семействах, связанных друг с другом чрезвычайно отдаленным родством. Свекла, например, родственница лебеды и дерева пустынь — саксаула (семейство маревых), но она образует корнеплоды, удивительно похожие на корнеплоды моркови (семейство зонтичных) или редьки (семейство крестоцветных).

Вавилов отметил также, что процессы параллельной изменчивости наблюдались не только у высших растений, но и у водорослей и грибов. Гомологические ряды изменчивости установлены у таких животных, как инфузория и паразитические черви, моллюски и морские пауки — пантоподы, земноводные, черепахи, ящерицы, птицы и млекопитающие. Например, известный генетик Дж. Холдэйн изучил параллелизм окраски шерсти у грызунов и хищных. Оказалось, что у мышей, крыс, кроликов и морских свинок, по-видимому, есть идентичные гены окраски, хотя кроликов сейчас вообще выделяют из грызунов в самостоятельный отряд зайцеобразных, а морская свинка — родственница, как ни странно, не крысе, а дикобразу.

Дальнейшая судьба закона гомологических рядов, или гомологической изменчивости, оказалась весьма оригинальной.

Генетики и селекционеры в большинстве восторженно приветствовали идеи Вавилова и охотно применяли их в своей работе. Подобно тому, как химики искали новые элементы по карте — периодической системе Менделеева, селекционеры искали и находили нужные им формы, исходя из закона гомологии. Бобовое растение люпин, часто произрастающее в подмосковных палисадниках, кроме красивых цветов, дает большой выход зеленой массы и отлично обогащает почву азотом. Казалось бы, это прекрасная кормовая культура. Однако люпины не поедаются скотом из-за горького вкуса. Руководствуясь трудами Вавилова, селекционеры из ГДР довольно быстро нашли негорькие формы люпинов, которые и стали родоначальниками новых сортов.

Отношение же к закону Вавилова теоретиков порой было скептическим. Речь идет не о тех, кто отказывал Вавилову в праве на приоритет, вспоминая всех его предшественников. (Отдавать предшественникам должное, разумеется, необходимо, но здесь не следует перегибать палки, в противном случае творцом закона гомологических рядов следует признать первого человека, заметившего, что кроме белых и черных собак существуют белые и черные кошки). Гораздо опаснее были те, кто признавал параллелизм в изменчивости, но делал из этого антидарвиновские выводы.

Ход рассуждений был при этом следующим. Согласно Дарвину, изменчивость неопределенна. Однако сами факты гомологической изменчивости якобы свидетельствуют, что Дарвин ошибался: изменчивость направленна, она имеет цель. В результате сложилось парадоксальное положение — в конце концов трудно поверить, что творец закона гомологических рядов был ограниченнее (если не сказать — глупее) легиона последующих комментаторов и, оставаясь на стороне дарвинизма, не догадывался, что он одним из самых своих значительных открытий опровергает Дарвина.

Следует все же отметить, что дело прояснилось лишь с созданием так называемой биохимической генетики. Эта отрасль генетики изучает механизмы наследования и возникновения в фенотипе признаков более простых, чем морфологические, связанных с синтезом в организме того или иного химического соединения.

Еще в 1914 году М. Онслоу показала, что окраска цветов наследуется по менделевским принципам (на что, впрочем, указывал и сам Мендель). Р. Вильштеттер исследовал пигменты, вызывающие окраску цветов, и реакции, в процессе которых они возникают в организме. Цветы, например, душистого горошка окрашены пигментами антоцианами (это те же пигменты, которые окрашивают фиолетовые и розовые клубни картофеля, ягоды черники, листья синей капусты и многое другое в растительном мире). Антоциан возникает в клетках в результате длинной цепи биохимических реакций, последовательным превращением одного вещества в другое. Обозначим эти промежуточные этапы синтеза буквами, чтобы не перегружать текст биохимической терминологией:

А -> Б -> В -> Г………. -> антоциан.

По скорости протекания химических реакций организмы не имеют конкурентов. Это тем более поразительно, что в живой природе не применяются такие мощные ускорители реакций, как высокое давление и температура. Организмы в данном случае пошли другим путем — путем использования катализа.

Что такое катализатор, читателям известно из курса школьной химии. На всякий случай напомним, что катализатор — вещество, которое, не расходуясь само, ускоряет процесс реакции (точнее, сдвигает равновесие реакции в одну сторону). Например, смесь водорода с кислородом или воздухом чрезвычайно взрывоопасна (гремучий газ). При низкой температуре реакция окисления водорода в воду может тянуться тысячи лет. Но стоит лишь внести в реакционную смесь кусочек платины, как произойдет взрыв — платина в данном случае послужит катализатором.

Катализаторы живой природы — специальные белки — ферменты, они же энзимы.

В клетках практически нет реакций, которые бы не катализировались теми или иными ферментами. Естественно предположить, что для каждого звена в цепи реакций, приводящих к возникновению признака, требуется фермент. Синтез каждого фермента контролируется определенным геном. Представим теперь, что мутантный аллель приводит к синтезу фермента со сниженной активностью или вообще не действующего. Цепь реакций, в результате которой возникает антоциан, оборвется, пигмент синтезироваться не будет, и рецессивные гомозиготы будут иметь не фиолетовые, а белые цветы.

Важно помнить, что обрыв цепи, ведущей к признаку, может произойти в любом месте, но эффект будет один — антоциан у гомозигот возникать не будет. Это знал Вавилов, указывая, что «одинаковые изменения фенотипического порядка могут быть вызваны и разными генами». Гомология, истинная на уровне фенотипа, на уровне генотипа оказывается ложной.

Второй шаг вперед биохимическая генетика сделала после того, как Бидл, Эфрусси и ряд других ученых выполнили детальные исследования окраски глаз дрозофилы. Нормальный цвет ее глаз, как мы уже говорили, красновато-коричневый и обусловлен наличием двух пигментов — коричневого и красного. Оказалось, что генов, контролирующих синтез каждого фермента, несколько, они расположены в разных хромосомах и могут быть представлены разными аллелями. Различные комбинации их в зиготе приводят к появлению мушек с коричневыми, киноварными, ярко-красными, алыми и белыми глазами (в последнем случае заблокирован синтез обоих пигментов). А так как биохимические механизмы, обеспечивающие пигментацию глаз у насекомых, общие для представителей разных отрядов (например, дрозофилы из отряда двукрылых и бабочки — амбарной огневки, шелкопряда и ряда других), то гомология изменчивости по этим признакам просто не может не возникнуть. Конечно, в ряде случаев все обстоит гораздо сложнее. В результате обрыва цепи реакции может не образовываться конечный продукт. Так, если заблокирован синтез пигмента меланина, во всех группах позвоночных, вплоть до людей, возникают альбиносы — особи с белыми волосами и красными глазами. Все отлично знают белых мышей и крыс, разводимых в лабораториях, описаны альбиносы гориллы, тигры, жирафы, пингвины и вороны. Мало кто, однако, знает, что на Новой Гвинее существуют целые семьи и даже деревни папуасов-альбиносов (оранг-булаи). Темнокожие меланезийцы побаиваются столь непохожих на них собратьев, поэтому альбиносы с большей вероятностью вступают в браки друг с другом. Дети их, естественно, тоже рецессивные гомозиготы по гену альбинизма. Сходные случаи описаны и для экваториальной Африки.

Далеко не всегда блокада пути превращений ограничивается отсутствием конечного продукта. Часто она сопровождается накоплением в организме предшественника заблокированной реакции. Такая изменчивость может кончаться фатально. Практически все наследственные болезни человека оказалось возможным свести к дефекту какого-нибудь определенного белка, например, к снижению активности того или иного фермента.

Можно, конечно, утверждать, что рассмотренное нами объяснение гомологической изменчивости касается только изменчивости биохимической. Однако это апелляция к незнанию. В громадном большинстве случаев мы не знаем, каким образом изменение структуры гена приводит к изменению признака, — для этого каждый раз приходится разгадывать сложную цепь биохимических превращений, идущих в клетках растущего организма. Но есть уже прямые доказательства, полученные на разных объектах — от вирусов до человека — того, что дефектный фермент, обрывая цепь превращений веществ в организме, приводит к изменениям в морфологии. Например, при наследственной болезни человека гомоцистинурии, помимо умственной отсталости и тромбозов, возникают множественные аномалии развития костей, и все из-за того, что организм больного синтезирует дефектный фермент (L-сериндегидрогеназу), не справляющийся с превращением метионина в цистин. Как в английской детской песенке, переведенной С. Я. Маршаком, государство проигрывает войну из-за того, что в подкове командирской лошади не было гвоздя.

А вот пример не столь трагический. Мы уже говорили о гималайских и горностаевых кроликах с черными ушами, мордочкой, лапами и хвостом. Сходный тип окраски (светлоокрашенное туловище с темными конечностями, ушами и хвостом) наблюдается и у других млекопитающих из разных отрядов. Всем известны сиамские кошки. Любители этих милейших зверьков должны знать, что их подопечные — мутанты по гену фермента, превращающего аминокислоту тирозин в пигмент меланин (этот фермент называется тирозиказой). Мутантная тирозиназа неактивна при 37° — температуре тела млекопитающих, поэтому мех темнеет у мутантов лишь на выдающихся, охлажденных частях тела. А так как тирозиназа имеется у всех млекопитающих, то гомологические формы с гималайским (или, если хотите, сиамским) фенотипом просто не могут не возникнуть, как и разноцветные глаза у насекомых.

Дарвинизм в XX веке

Темный пигмент меланин, окрашивающий шерсть животных, синтезируется из аминокислоты тирозина особым ферментом — тирозиназон. Есть мутантные аллели, вырабатывающие тирозиназу, неактивную при 37 °C; у таких животных мех темнеет лишь на выдающихся, охлажденных частях тела (сиамские кошки и гималайские кролики).

Фенотипический признак может контролироваться целой группой генов — сочетание их аллелей и приводит к множественному полиморфизму, гомологическому для родственных групп. Удивляться этому не приходится — пути превращений веществ в организме необычайно консервативны, многие из них возникли во времена до архейской эры и потому оказываются общими для всех животных (да и растений). Но, как мы уже говорили, параллелизм изменчивости убывает по мере снижения степени родства. Хотя в пределах семейства, отряда или даже более высоких категорий он может привести к возникновению сходных, но не родственных форм, чаще мы имеем дело с ложными гомологиями. Это не параллелизм в эволюции генов, а параллелизм в эволюции фенотипов, обусловленный разными генами со сходными эффектами. Саблезубые тигры, например, возникали в эволюции по меньшей мере трижды — в отряде сумчатых и в двух семействах кошек. Известны также ископаемые саблезубые пресмыкающиеся. Я бы, тем не менее, не рискнул утверждать, что в данном случае гомология признаков возникла на одинаковой генетической основе. Чем дальше отстоят друг от друга сопоставляемые формы, тем менее применим закон гомологических рядов. Объяснять им, например, сходство между дельфином и акулой так же правомочно, как сходство между дельфином и подводной лодкой.

И все же правило Вавилова — одно из самых привлекательных и красивых достижений генетики. Ограничивая неопределенность изменчивости, оно позволяет предсказывать в сложном и в основе своей случайном мире органической эволюции. А это отвечает глубинным требованиям человеческой натуры — ведь человек постоянно пытается что-то прогнозировать — со времен первобытных шаманов и древнеримских авгуров. Практическая значимость гомологического закона несомненна, ее уже не нужно доказывать. Это компас селекционера, указывающий верный курс в океане разновидностей, рас, сортов и форм.

Итак, генетики XX века разобрались во многих важных сторонах наследственности и изменчивости. На повестке дня встал вопрос: как объединить эти достижения с теорией эволюции?


| Дарвинизм в XX веке |