Азимов Айзек Краткая история биологии. От алхимии до генетики

МУТАЦИИ

Голландский ботаник Хуго де Ври (1848—1935) был одним из сторонников эволюции скачков. К своей теории мутаций он пришел позже Менделя, но тем же путем, наблюдая за растущими в собственном саду растениями. Он обнаружил, что индивидуальные характеристики передаются из поколения в поколение без смешения и усреднения, причем в каждом поколении появляется новая разновидность растений одного и того же вида, отчетливо отличающаяся от прочих, и она также закрепляется наследственно. Де Ври назвал эти внезапные изменения мутациями (по-латыни — «изменения»).

Такие скачкообразные изменения в генетике всегда были известны простым скотоводам. К примеру, в Новой Англии в 1791 г. появилась закрепленная мутация коротконогой овцы. Ее закрепляли и разводили только потому, что она не могла перепрыгивать изгороди — а значит, облегчала задачу скотовода. Однако скотоводы не были озабочены теоретическими изысканиями, а ученые до поры до времени не вдавались в проблемы скотоводов.

Когда де Ври уже готовился опубликовать свои выводы, добросовестное изучение предыдущих работ по теме открыло перед его изумленным взором 34-летней давности изыскания Менделя. Кроме того, еще двое ученых, немец Карл Э{5их Корренс и австриец Эрих фон Сейсенег, в том же году опубликовали работы, весьма сходные с работой де Ври. И все трое независимо процитировали выводы Менделя и привели свои в подтверждение его прозорливости.

Таким образом, были разрешены казавшиеся неразрешимыми вопросы дарвинизма.
ХРОМОСОМЫ
В XX в. законы Менделя приобрели еще большее значение.

Ученые, работавшие над клеточной теорией в течение XVIII и начала XIX в., не видели слишком многого, даже имея улучшенный микроскоп. Клетка — это прозрачное тело, следовательно, специалисты должны были описать ее вдоль и поперек. Но они не видели в ней ядра — уплотнения в центре. Первым его обнаружил шотландец-ботаник Роберт Браун (1773 — 1858), сделавший предположение о ядре в 1831 г.

Семь лет спустя, когда Шлейден выдвинул клеточную теорию, он обратил особое внимание на ядро. Ученый догадался, что именно ядро связано с репродуктивной функцией, однако считал, что новые клетки «вырастают» прямо из его поверхности. К 1846 г. Нагели показал, что это неверно. И все же в первой части своего предположения Шлейден оказался прав: именно ядро отвечало за деление. Накопленные знания требовали усовершенствования методики детального изучения строения клетки.

Методика пришла сама собою и совсем из иной области: из органической химии. Вслед за открытиями Бертло химики-органики начали разрабатывать методики синтеза органических веществ, которых нет в природе. Многие из них были ярко окрашенными и в 1850-х годах положили начало гигантской индустрии синтетических красителей.

Если содержание клетки действительно гетерогенно, вполне возможно, что некоторые части могут реагировать с определенным химическим агентом и абсорбировать его, в то время как другие части не могут. Если агент является красителем, то в результате некоторые части клетки будут окрашены, в то время как иные — нет. Благодаря такой методике можно наблюдать не замеченные прежде детали строения.

Наиболее известным в биологии экспериментатором в данной области является немецкий цитолог Уолтер Флемминг (1843—1905). Он изучал животные клетки и обнаружил, что внутри ядра клетки имеются пятна материала, интенсивно абсорбируемые красителем. Они ярко выступают на бесцветном фоне. Флемминг назвал этот абсорбирующий материал хроматином (от греческого «цвет»).

Когда Флемминг окрашивал сектор растущей ткани, он убивал клетки, однако каждая из _>шх находилась на определенной стадии деления. В 1870-х годах Флемминг начал работать над изменениями в хроматиновом (окрашенном) материале, которые сопровождают прогрессивные изменения в делении клеток.

Он обнаружил, что, как только начался процесс деления клеток, окрашенный материал разделился на короткие нитеобразные объекты, которые позже были названы хромосомами (окрашенными телами). Поскольку эти нитеобразные хромосомы характерны для делящихся клеток, Флемминг назвал процесс митозом (от греческого «нить»).

Другие изменения, сопровождающие начало митоза, демонстрировали звездообразные фигуры (по-гречески «астра» — «звезда»). Объекты были похожи на крошечные точки, окруженные тонкими, расходящимися во все стороны нитями. По окончании деления астры два объекта расходились к разным полюсам клетки. Тонкие нити будто натягивали хромосомы, которые группировались посередине клетки.

В решающий момент деления каждая хромосома давала точную копию самой себя. Сдвоенные хромосомы впоследствии расходились поврозь, но одной из каждого дуплета—к каждому полюсу.

Клетка делилась, и посередине ее формировалась мембрана. На месте одной материнской клетки возникали две дочерние, каждая — с равным числом окрашенного материала (благодаря дублированию хромосом), таким образом, чтобы каждая хромосома дочерней клетки присутствовала когда-то в материнской клетке. В 1882 г. Флемминг опубликовал свои наблюдения.

Далее работу продолжил бельгийский цитолог Эдуард ван Бенеден (1864 — 1910). В 1887 г. он продемонстрировал два важных факта поведения хромосом. Во-первых, он представил доказательства того, что число хромосом постоянно в разных клетках организма, а во-вторых, что каждый вид характеризуется своим числом хромосом (теперь, к примеру, известно, что каждая клетка человека содержит 46 хромосом).

Далее он обнаружил, что формирование половых клеток — яйцеклеток и сперматозоидов — не сопровождается репликацией (удвоением) хромосом. Каждая яйцеклетка и каждый сперматозоид получают только половину обычного набора хромосом.

Американский цитолог Уолтер Саттон (1876 — 1916) указал в 1902 г., что поведение хромосом подтверждают наследственные факторы по Менделю. Каждая клетка имеет фиксированное число пар хромосом. Они способны продуцировать физические характеристики от клетки к клетке, поскольку при каждом клеточном делении число хромосом аккуратно сохраняется; каждая хромосома реплицируется для того, чтобы сформировать новую клетку.

Стадии митоза:

1 — хромосомы формируют ядро; 2 — они начинают расщепляться на две идентичные половины; 3 — хромосомы разделились, однако остаются сдвоенными у центра; 4 — они выстроились в линию, и «астры» отодвинулись к двум полюсам; 5 — хромосомы разделились и двинулись к полюсам; 6 — клетка начинает удлиняться; в результате сформировываются две идентичные клетки, каждая со своим ядром и одинаковым количеством хроматина, как в материнской клетке на первой стадии.

В начале XX в. теорией эволюции и генетикой была достигнута определенная вершина. Однако оказалось, что это лишь прелюдия к еще более потрясающим открытиям.

Дарвинизм, таким образом, благоприятствовал витализму: в воображении людском между живым и неживым вырос немалый барьер. И действительно, во второй половине XIX в. витализм вновь стал популярен.

Однако наибольшая опасность поджидала витализм в среде химиков-органиков. Против него была на щите поднята модель молекулы протеина — и обсуждение ее поглотило химиков вплоть до конца века.

Первым заговорил о важности протеина для жизни французский физиолог Франсуа Мажанди (1783—1855). Экономические дислокации, привнесенные наполеоновскими войнами, привели к массовому голоду во многих странах, и положение беднейших слоев стало ухудшаться. Правительства забили тревогу; во Франции была создана специальная комиссия; во главе ее встал Мажанди. Целью комиссии была разработка технологии производства пищи из дешевых компонентов вроде желатина.

В 1816 г. Мажанди в опытах по кормлению собак беспротеиновой пищей, содержащей сахар, оливковое масло и воду, потерпел неудачу: собаки сдохли с голоду. Одних лишь калорий не хватало для полноценной работы организма. Кроме того, не все протеины равно полезны. К сожалению, и в опытах, где желатин был единственным протеином, собаки погибали также. Так начиналась тогда наука диетология, или изучение состава питания и его связи с жизнью и здоровьем.

Протеины отличаются от гидрокарбонатов и липидов тем, что включают в свой состав азот. По этой причине на азот как на необходимый компонент для живых организмов было обращено пристальное внимание. Французский химик Жан Батист Буссенго (1802 — 1887) начал в 1840-х годах изучать потребности растений в азоте. Он обнаружил, что у некоторых растений, например у овощей (горошка, бобов и прочих), имеется отличительная от других особенность успешно расти на безазотной почве, причем без удобрения азотом. Они не только росли, но и увеличивали содержание азота в своих тканях. Единственное заключение, к которому мог прийти Буссенго, — что эти растения потребляют азот прямо из воздуха. (Теперь нам известно, что не растения сами по себе делают это, но азотфиксирующие бактерии, поселяющиеся в клубеньках корней.)

Вместе с тем Буссенго пошел дальше, чтобы показать, что животные не могут получать азот из воздуха, а получают его с нищей.

Для этого он заострил практические и обоснованные выводы Мажанди, соотнеся содержание азота в некоторых продуктах со скоростью роста подопытных. Взаимосвязь оказалась прямой, при условии, что в качестве источника азота берется одна и та же пища. И все-таки некоторые виды питания были более эффективны, нежели другие, при аналогичном содержании азота. Это означало, что одни протеины более используются организмами, чем другие. Вплоть до конца века причины этого факта были неясны. Однако уже к 1844 г. сам Буссенго эмпирически смог составить шкалу полезности различных продуктов в качестве источника протеина.

Дальнейшую работу осуществил немецкий химик Юстус фон Либих (1805 — 1873), который за последующую декаду лет подготовил обоснованный список полезных продуктов питания. Либих сильно полагался на механистические взгляды, поэтому обосновывал проблему с точки зрения агрохимии. Он считал, что потеря урожайности культур в результате многолетнего использования земель происходит из-за разложения и потребления некоторых минеральных составляющих, необходимых растениям. Растительные ткани содержат небольшое количество натрия, калия, кальция, фосфора, а те, в свою очередь, поступают с растворимыми веществами, которые растения в состоянии поглотить. С незапамятных времен люди увеличивали плодородие почвы, возвращая ей израсходованное питание с пометом животных. Так отчего же не добавить в почву сами минералы, чистые химически и механически, не несущие неприятного запаха, вместо того чтобы вносить навоз?

Он первый начал эксперименты с химическими удобрениями. Поначалу, слишком полагаясь на выводы Буссенго о поглощении растениями азота воздуха, он потерпел неудачу. Когда Либих понял, что большинство растений получают азот от растворимых азотных компонентов почвы (нитратов), он добавил их в удобрения. Как Буссенго, так и Либиха можно считать основателями агрохимии.