Постнеклассический этап развития понятия наследственности

УДК 57:165

ПОСТНЕКЛАССИЧЕСКИЙ ЭТАП РАЗВИТИЯ ПОНЯТИЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ1

А.А. КОЧЕРГИН

Статья представлена доктором философских наук, профессором Гараниной О.Д.

Выявляется специфика представлений о понятии наследственности в контексте философских категорий в рамках концепции гена как системы и мутационной концепции наследственности, свойственных постнеклассиче-скому этапу развития генетики.

Ключевые слова: наследственность, изменчивость, эволюция, ген, генотип, фенотип, ДНК, РНК, мутация, признак, вещество, свойство, внутреннее, внешнее, диалектика, Демокрит, Гиппократ, Г. Мендель, Г. де Фриз, В. Иогансен, У. Сэттон, Т. Бовери, Г. Меллер, В.В. Сахаров, Г. Пайтнер, К. Бриджес, Ф.Г. Добржанский, Н.П. Дубинин, Н.В. Тимофеев-Ресовский, Г.С. Филиппов, А.С. Серебровский.

Мутационная концепция наследственности

Установление в 1953 г. химической структуры ДНК знаменовало собой новый этап развития науки о наследственности. Стало очевидным, что гены - не что иное, как участки линейной молекулы геномной ДНК, и различные свойства организма определяются химической структурой соответствующих генов (их нуклеотидным составом и их последовательностью). Если структура гена по той или иной причине изменяется (т.е. происходит его мутация), то изменяется и соответствующее свойство. Именно на этой «формуле» и основана мутационная концепция гена и наследственности. (Здесь следует напомнить, что основы мутационной концепции ввел еще в 1901 г. Г. де Фриз, который описал внезапные, скачкообразные изменения наследственных признаков и назвал их мутациями; однако тогда, ввиду ограниченности возможностей исследовательского инструментария, нельзя было выявить сущность и механизм мутаций «на элементарном уровне»). И одной из задач науки о наследственности стало выявление на молекулярном уровне механизмов возникновения мутаций и того, как конкретные мутации отражаются на конкретных признаках и свойствах.

Г. де Фриз сформулировал мутационную концепцию и ввел в научный обиход термин «мутация» в начале ХХ в. [4]. В. Иогансен ввел представление о чистых линиях, изучение которых позволило установить, что мутации поставляют материал для эволюции. Г.А. Надсон, Г.С. Филиппов, Г. Меллер, И.Л. Стадлер установили мутагенное действие рентгеновых лучей, а В.В. Сахаров, М.Е. Лобашев, Ф. Олькерс, Ш. Ауэрбах, И. А. Рапопорт и др. - явление химического мутагенеза [2; 3; 7; 8; 11; 12].

Г. де Фриз назвал термином «мутация» скачкообразное изменение наследственного признака. Он установил внезапность возникновения мутаций, устойчивый качественный характер новых возникших форм, полезность или вредность для организма, возможность повторного возникновения, зависимость выявления мутаций от числа исследованных на предмет их обнаружения особей. Вместе с тем Г. де Фриз, ошибочно противопоставив теорию мутаций теории есте-

1 Статья является продолжением работ автора Кочергина А.А.: Развитие понятий как форма исторического развития науки // Научный Вестник МГТУ ГА. - 2007. - № 113. - С. 55-58; Идеалистические и метафизические представления о наследственности // Научный Вестник МГТУ ГА. - 2009. - № 142. - С. 68-75; Менделеевский этап развития понятия наследственности: представление о независимости признаков как необходимое методологическое упрощение // Научный Вестник МГТУ ГА. - 2010. - № 155 (Б). - С. 29-36; Классический этап развития понятия наследственности: хромосомная теория и «материализация» гена // Научный Вестник МГТУ ГА. - 2011. - № 166. - С. 64-70; Постнеклас-сический этап развития понятия наследственности // Научный Вестник МГТУ ГА. - 2012. - № 182. - С. 58-63.

ственного отбора, пришел к неверному выводу о том, что мутации могут без участия естественного отбора приводить к образованию новых видов, приспособленных к среде обитания. Открытие менделевских законов и выявление Т. Морганом с его сотрудниками закономерностей сцепления генов и их рекомбинации в результате кроссинговера, установление дискретного характера наследования создало базу для изучения мутаций.

Новые гены возникают мутационным путем. Содержащиеся в клетке гены контролируют работу клетки. При делении клетки содержащиеся в ней молекулы ДНК удваиваются. Как правило, механизм создания геном своей точной копии срабатывает безошибочно. Но в некоторых случаях в молекулу ДНК (по неизвестным пока причинам) вместо обычного нуклеотида попадает другой или в молекуле оказывается одним нуклеотидом больше или меньше, что модифицирует молекулу ДНК и изменяет генетическую информацию, содержащуюся в нуклеотидах. Изменение информации, в свою очередь, влияет на изменение синтезированного на ее основе белка. Таким способом мутация привносит в клетку изменение. Это изменение может быть очень малым, практически не заметным, но мутация может воздействовать на синтез какого-то важного фермента, что приведет к гибели клетки. В поле зрения биологов в большинстве случаев оказываются мутации, находящиеся между этими двумя полосами, т.е. мутации, которые можно фиксировать и которые вызывают гибель клетки. Каждый ген в процессе мутации может давать различные формы (аллели), которые в хромосоме занимают всегда одно и то же место.

Мутации у большинства генов происходят редко, оставаясь часто не замеченными. Большое значение для эволюции организмов, размножающихся половым путем, имеют мутации в репродуктивных клетках (яйцах и спермиях), поскольку передаются следующему поколению. В природе естественный отбор - числа вредных аллелей, возникающих в результате мутаций, поддерживает на уровне, не угрожающем генофонду и жизни популяций. Увеличение числа мутаций под влиянием каких-то факторов (в том числе деятельности человека) расценивается как явление, неблагоприятное для биосферы. Человек вводит в окружающую среду все возрастающее количество химических, физических и биологических агентов (мутагенов), вызывающих мутации. К их числу относятся и искусственно синтезированные вещества, а также различные виды ионизирующих излучений.

В настоящее время по фенотипу (по признакам и свойствам, на которые действует ген) выделяют следующие типы мутации: морфологические (изменяющие характер роста и формирования органов у животных и растений, обусловливающие, например, коротконогость у сельскохозяйственных животных, бесшерстность у млекопитающих и т.д.), физиологические (повышающие или понижающие жизнеспособность организмов, т. е. полностью или частично тормозящие развитие), биохимические (тормозящие или изменяющие синтез определенных химических веществ в организме - мутанты такого типа, называемые ауксотрофами, не могут без введения недостающих веществ развиваться в отличие от организмов дикого типа, называемых прототрофами, способных самостоятельно синтезировать необходимые для своего роста вещества). В зависимости от направления и силы действия мутантного аллеля по сравнению с действием нормального (дикого) аллеля выделяют мутации гипоморфные (действующие в том же направлении, что и ген нормального (дикого) типа, но слабее), аморфные (полностью тормозящие развитие пигментов у животных или хлорофилла у растений, вызывающие, например, явление альбинизма), антиморфные (действующие в направлении, противоположном аморфным), неоморфные (действующие в направлении, полностью отличном от действия генов дикого типа), гиперморфные (действующие в том же направлении, что и ген нормального (дикого) типа, но сильнее).

Поскольку к мутациям относят изменения отдельных генов, хромосомные перестройки и изменение числа хромосом, то типы мутаций выделяются по характеру изменения генотипа. С этой точки зрения выделяются генные (точковые), хромосомные и геномные типы мутаций. Генными (точковыми) мутациями являются цитологически нефиксируемые изменения в хромосомах (обычно эти мутации касаются изменения нуклеотидной структуры мутируемого гена). Хромосомными мутациями являются различные внутрихромосомные и межхромосомные пере-

стройки: транслокации (взаимные обмены негомологичными участками между хромосомами), инверсии (повороты участка хромосомы на 180°, вызывающие изменения порядка расположения генов в хромосоме), делеции (утеря частей хромосомы), дупликации (удвоения отдельных участков хромосом); вставки (перемещения участков внутри хромосом).

Геномные мутации - это изменение качества хромосом: полиплоидия (увеличение числа хромосом в ядрах клетки), что приводит к возникновению триплоидов (организмов с утроенным числом хромосом) в соматических клетках тетраплоидов (организмов с учетверенным числом хромосом) и т.д.; амфидиплоидия - удвоение числа хромосом каждого родителя у межвидовых и межродовых гибридов, что обеспечивает у них нормальный ход мейоза и восстановление плодовитости стерильных гибридов; анеуплоидия (или гетероплоидия) - увеличение или уменьшение числа хромосом одной или нескольких гомологичных пар, что вызывает изменение ряда признаков организма (у человека может быть причиной тяжелых заболеваний).

Кроме того, существуют мутации генеративные (возникающие в клетках полового зачатка и в половых клетках) и соматические (возникающие в клетках других тканей тела), а также прямые (мутации от состояния дикого типа к новому состоянию) и обратные (мутации от му-тантного состояния к дикому).

Итак, мутационная концепция наследственности восходит фактически к началу прошлого века - когда де Фриз описал явление мутации и ввел само это понятие. А молекулярно-биологический этап развития науки о наследственности (начало - 1953 г.) можно назвать периодом торжества молекулярной концепции наследственности, нашедшей (и находящей) убедительные подтверждения. Значение данной концепции для представлений о наследственности трудно переоценить. Если в менделевский период о носителях наследственности могло бытовать мнение как о раз и навсегда данных неизменных факторах, то открытие явления мутации указало на то, что наследственные факторы (гены) есть «переменные величины». Последующие в дальнейшем успехи молекулярной биологии сняли всякие сомнения в правоте мутационной концепции наследственности.

Концепция гена как системы

Представления о дискретности наследственного вещества появились еще в эпоху античности (Демокрит, Гиппократ), но они носили умозрительный характер. Экспериментальное доказательство дискретности наследственности вещества было осуществлено лишь во второй половине XIX века. Вначале И.К. Кельрейтер выявил существование наследственных признаков у цветковых растений. Т. Найт обосновал наличие элементарных наследственных признаков [3], О. Сажрэ и Ш. Нодэн сформулировали представления о доминантности и рецессивности проявления наследственных признаков. Но лишь Г. Мендель четко сформулировал идею о дискретных наследственных факторах, управляющих в организме определенными элементарными наследственными признаками, и установил статистические закономерности комбинирования наследственных факторов при скрещиваниях организмов [9].

Параллельно с переоткрытием менделевских законов начались экспериментальные цитологические исследования наследственности. В 1902 г. У. Сэттон и Т. Бовери [3] устанавливают параллелизм между независимостью поведения аллеломорфов в скрещиваниях, распределением гомологичных хромосом по гаметам и их последующим случайным комбинированием в зиготах после взаимного оплодотворения этих гамет. Т. Морган и его ученики доказывают связь генов (наследственных факторов) и хромосом, убедительно демонстрируют дискретность наследственных факторов, открывают перекрест хромосом, что дало возможность обосновать методы генетического картирования [10]. К. Штерн и др. обосновывают хромосомную локализацию кроссинговера. Т. Пайтнер, К. Бриджес и др. на основе открытия гигантских полигенных хромосом создают цитологические карты наследственности. Все названные достижения привели к тому, что к середине 30-х гг. XIX века были накоплены убедительные доказательства дискрет-

ной природы наследственного вещества: представление гена как элементарной единицы наследственного материала, описание его структуры, обоснование его поведения как целостного образования при мутациях и передаче структуры при кроссинговере, т.е. ген стал выступать единицей функции, мутации и кроссинговера [3]. Если учесть также успехи в исследовании поведения гена в эволюции (Г. Харди, С.С. Четвериков, Р. Фишер, С. Райт, Н.П. Дубинин, Ф.Г. Добржанский, Н.В. Тимофеев-Ресовский и др.), приведшие к созданию основ генетики популяций, то можно с уверенностью сказать, что проблема гена стала центральной не только для генетики, но и для биологии.

Работы по ступенчатому аллеломорфизму Н.П. Дубинина, А.С. Серебровского и др. внесли существенные изменения в концепцию мутационной и функциональной неделимости гена, позволившие преодолеть абсолютизацию представлений о том, что развитием одного признака управляет один ген, и обосновать вывод о том, что ген состоит из отдельных участков. Классическая генетика исходила из представлений, что гены отделены друг от друга межгенным веществом, которое наследственной информации не несет. Опыты по ступенчатому аллеломорфизму привели к выводу об отсутствии непрерывного расположения генов в хромосомах. Концепция, согласно которой ген признавался единицей функции, мутации и кроссинговера, оказалась во многом несостоятельной, поскольку была установлена функциональная и физическая дроби-мость гена. Дальнейшее исследование проблемы топографии генов в хромосомах требовало уточнения представлений о гене - носителе наследственных признаков.

Для Г. Менделя и Г.де Фриза было характерно представление о том, что каждый ген действует на присущий ему индивидуальный признак и что проявление гена не зависит ни от внешних воздействий, ни от места его расположения в хромосоме. В 1913 г. Л. Плате высказывает предположение о плейотропном (множественном) действии гена, а в 1926 г. С. С. Четвериков -о генотипической среде (зависимости проявления генов от их перестановки в хромосомах), годом раньше явление "эффекта положения" было открыто А. Стертевантом. Проблема изменения активности гена при перемене места в хромосоме ("эффект положения") привлекла внимание генетиков (Ф.Г. Добржанский, Л. Морган, Н.П. Дубинин, Б.Н. Сидоров и др.). Первые опытные доказательства «эффекта положения», полученные в 30-х гг. Н.П. Дубининым, Б.Н. Сидоровым, а впоследствии и многими другими генетиками (Л. Расселом и др.), подтвердили широкую распространенность этого явления. Так был поставлен вопрос о функциональной сложности гена (однако причина возникновения явления эффекта положения остается еще не ясной) [3].

В пользу сложности гена свидетельствовало обнаружение явления множественного алле-лизма. Как оказалось, ген в результате мутирования может находиться более чем в двух различных состояниях, а не только в доминантном и рецессивном, т.е. стало допускаться существование нескольких доминантных и несколько рецессивных аллелей одного гена. Т. Морган полагал, что ген является элементарным, неделимым образованием, изменяющимся при мутациях в целом. Отсюда следовал вывод о том, что кроссинговер происходит между генами (что и послужило основой для представления гена единицей функции, мутаций и рекомбинаций). Открытие в 1928 году Н.П. Дубининым явления ступенчатого аллелизма позволило выдвинуть идею о сложной структуре гена, т.е. обосновать представление о гене как системе, включающей в себя в качестве своих элементов различные материальные субстраты. (Подобная идея "подпи-тывалась" и гипотезой "присутствие-отсутствие", предполагающей делимость гена.) Изучение мутаций на дрозофилах выявило тот факт, что аллели в компаундах (в особях, гетерозиготных по двум разным аллелям) по своему действию на фенотип частично совпадают друг с другом, а частично не совпадают, причем в случаях несовпадения фиксировался возврат к норме. Это свидетельствовало о существовании нового типа взаимодействия аллелей. Степень несовпадения в действии на фенотип в разных компаундах была разной. (Ступенчатый характер копмле-ментационного взаимодействия аллелей и побудил назвать данное явление ступенчатым алле-лизмом). Изучение закономерностей мутагенеза и фенотического проявления компаундов разных пар и позволило выдвинуть концепцию дробимости гена на части. (Данная концепция была

названа Н.П. Дубининым центровой). Принципиальными положениями этой концепции явились следующие: во-первых, ген дробен, а его элементы расположены в линейном порядке; во-вторых, участки гена, локализованные в разных местах гена, могут самостоятельно мутировать с разной частотой, причем часть этих участков обладает максимальной мутабильностью; в-третьих, ген не является единицей рекомбинаций; в-четвертых, ген в функциональном отношении является сложным образованием. Таким образом, принципы центровой концепции позволяли утверждать: ген дробен, он не является единицей мутаций и рекомбинаций, он дискретен в функциональном отношении [5, с. 192 - 193].

Следующий шаг в выявлении природы гена был сделан при изучении явления псевдоалле-лизма. В начале 40-х г. К. Оливер, М. Грин и др. назвали псевдоаллелями такие аллели, которые состоят из линейно расположенных "субаллелей", способных самостоятельно мутировать, причем мутация какого-либо "субаллеля" проявляется фенотически лишь в случае, если оказывается в гомозиготном состоянии (т.е. когда обе гомологичные хромосомы содержат один и тот же мутантный "субаллель"). Это открытие свидетельствовало о том, что ген не является элементарной единицей функции и мутации, а выступает в виде системы, имеющей свою архитектонику и уровни организации. (Впоследствии убедительным аргументом в пользу этого вывода явились результаты исследований С. Бензера, выявившего сложное строение молекул ДНК, перебросившего тем самым мост между классическими и молекулярно-генетическими исследованиями гена. С. Бензер показал, что ген является отрезком молекулы ДНК, который имеет линейный характер, обосновал различие между единицей рекомбинации (реконом), единицей функции (цистроном) и единицей мутации (мутоном), а также доказал принципиальную возможность применения данных понятий при характеристике генной организации высших животных. Так были заложены молекулярные основы строения гена, позволившие в дальнейшем ставить и решать проблемы генетического кода, регуляции действия генов (в том числе применительно к управлению нервной деятельностью) [3]. Таким образом, представления о гене как системе постоянно углубляются за счет выявления новых структурных образований гена и их связей.

Рассматриваемый период развития генетики в сравнении с предшествующими характеризуется существенным расширением исследовательского инструментария, что естественно, для изучения феномена наследственности необходимо обращаться к методам самых разных наук: цитологии, химии, физики, статистики и даже палеонтологии. Нельзя здесь не отметить того, что по мере «проникновения вглубь «святая святых» - наследственности человека - все острее встают вопросы морального плана (допустимо или нет вмешательство в наследственность). Т.е. современная генетика соприкоснулась и с такой «отраслью», как этика. Очевидно, что достижения науки о наследственности, совершенствующийся генетический инструментарий должны быть призваны использоваться только во благо человека и не нарушать принцип «не навреди». Для данного периода основными исследовательскими задачами явились как дальнейшее «проникновение вглубь» - изучение структуры, свойств и локализации наследственных факторов, так и выявление механизмов реализации наследственной программы - принципы функционирования клеточной «биохимической машины». Т.е. исследования стали приобретать (в отличие от предшествующего периода) направленность не только «внешнее внутреннее», но и, напротив, - «внутреннее — внешнее», «вещество — свойство».

ЛИТЕРАТУРА

1. Антология мировой философии. - М., 1969. - Т. 1. - Ч. 1.

2. Ауэрбах Ш. Проблемы мутагенеза. - М., 1978.

3. Гайсинович А.Е. Зарождение и развитие генетики. - М., 1988.

4. Де Фриз Г. Избранные произведения. - М., 1932.

5. Дубинин Н.П. Общая генетика. - М., 1986.

6. Дубинин Н.П. Молекулярная генетика и их действие излучений на наследственность. - М., 1963.

7. Иогансен В.Л. О наследовании в популяциях и чистых линиях. - М., 1935.

8. Лобашев М.Е. Генетика. - Л., 1967.

9. Мендель Г., Нодэн Ш., Сажрэ О. Избранные работы. - М., 1968.

10. Морган Т. Структурные основы наследственности. - М. - П., 1924.

11. Надсон Г. А. Экспериментальное изменение наследственных свойств. - М.-Л., 1935.

12. Сахаров В.В. Наследственность // Философская энциклопедия. - М., 1964. - Т. 3.

THE POST-CLASSICAL STAGE OF DEVELOPMENT OF THE TERM «HEREDITY»

Kochergin A.A.

The article exposes the specific character of the notion of heredity in the context of philosophical categories and within the framework of two things: 1) the conception of gene as a system; 2) the mutational conception of heredity characteristic of the post-neoclassical period of genetic's development.

Key words: heredity, variability, evolution, gene, genotype, phenotype, DNA, RNA, mutation, sign, substance, property, interior, exterior, dialectics, Democritus, Hippocrates, G. Mendel, H. de Vries, W. Johansen, W. Satton, T. Boveri, H. Muller, V.V. Sakharov, T. Painter, K. Bridges, F.G. Dobzhansky, N.P. Dubinin, N.V. Timofeev-Resovsky, G.S. Philip-pov, A.S. Serebrovsky.

Сведения об авторе

Кочергин Алексей Альбертович, 1963 г.р., окончил Новосибирский государственный университет (1985), МГУ им. М.В. Ломоносова (1999), соискатель кафедры гуманитарных и социально-политических наук МГТУ ГА, автор более 40 научных работ, область научных интересов - философия и методология науки.