Постклассический этап развития понятия наследственности

УДК 57:165

ПОСТКЛАССИЧЕСКИЙ ЭТАП РАЗВИТИЯ ПОНЯТИЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ1

А.А. КОЧЕРГИН

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

Выявляется специфика представлений о понятии наследственности в рамках постклассического этапа развития генетики в контексте философских категорий.

Ключевые слова: наследственность, ген, генотип, фенотип, ДНК, РНК, мутация, признак, вещество, свойство, внутреннее, внешнее, Ф. Крик, Дж. Уотсон, С. Бензер, Л. Полинг.

Классический этап развития генетики охватывает четыре десятилетия XIX в. Успехи генетических исследований привели к становлению следующего этапа в развитии этой области научного знания - молекулярной генетики. За четверть века после окончания классического периода представления о природе и структуре гена значительно углубились: в исследованиях на микроорганизмах была окончательно доказана сложная структура гена, расширена база объектов генетического анализа. Если объектами исследования для Менделя и первых менделистов были растения и позвоночные животные (грызуны, птицы), обеспечивающие получение потомства при скрещиваниях порядка десятков и сотен особей (этого было вполне достаточно для установления основных менделевских законов), то объектами исследований Моргана стали дрозофилы, обеспечившие получение потомства порядка нескольких десятков тысяч особей (что позволяло анализировать явления сцепления и обмена факторов, локализованных в гомологичных хромосомах) [4; 5].

Подведем итог тому, что дала классическая генетика развитию концепции наследственности в качестве ее фундамента.

Первое: выдвижение Менделем понятия гена как единицы наследственности. Молекулярная генетика переосмыслила первоначальное представление о гене - внесла ясность в это понятие, ограничив сферу его применения. Но прогресс в генетике без менделевского представления о гене был бы невозможен - оно, выступив в роли исследовательской программы, определенным образом канализировало дальнейшие генетические исследования. Если геном называют единицу наследственной информации, участок генома, кодирующий одну полипептидную цепь, то аллелем называют один из двух или более вариантов конкретного гена.

Второе: установление взаимодействия аллелей и неаллельных генов. Как показали опыты, доминирование не всегда является правилом - иногда взаимодействие аллелей приводит к образованию промежуточных признаков. Важным моментом является то, что доминантность ал-леля зависит как от среды, в которой развивается та или иная особь, так и от влияния других (неаллельных) генов особи. Классическая генетика в качестве одного из своих важнейших принципов признает постоянное взаимодействие между генетической структурой особи и окружающей ее средой. Комплекс генов особи, унаследованный от родителей, определяет предел возможностям ее развития. Какая из этих возможностей проявится, решают условия среды оби-

1 Статья является продолжением работ автора, опубликованных в нашем журнале: Кочергин А. А. Идеалистические и метафизические представления о наследственности // Научный Вестник МГТУ ГА, - 2009. - № 142. - С. 68-75; Его же. Менделеевский этап развития понятия наследственности: представление о независимости признаков как необходимое методологическое упрощение // Научный Вестник МГТУ ГА, - 2010. - № 155 (Б). - С. 29-36; Его же. Классический этап развития понятия наследственности: хромосомная теория и «материализация» гена // Научный Вестник МГТУ ГА, - 2011. - № 166. - С. 64-70.

тания этой особи. Генотип представляет собой определенный «генетический алгоритм» для ограниченного числа альтернативных путей развития. Реальный же путь развития из этого гена определяется средой. Внутреннее и внешнее, гены и среда, природа организма и условия его существования и развития связаны сложной диалектической связью, их нельзя ни противопоставлять друг другу, ни умалять роль любого из них в развитии органической природы.

Третье: установление соотношения гена и признака. Различные гены могут влиять на один признак и один ген может влиять на несколько признаков. Разнообразие эффектов гена (плейо-тропное действие) и участие многочисленных генов в специфическом процессе развития ставят под сомнение принцип специфичности действия гена. Возникает вопрос: существует ли какое-то действие гена, которое является уникальным (т.е. присущим лишь данному гену). Оказывается, что уникальное действие гена не противоречит плейотропному эффекту, поскольку последний может быть рассмотрен как необычный продукт уникального действия гена. Дело в том, что обмен веществ и развитие являются системой очень сложных взаимосвязей между множеством биохимических реакций и процессов. Изменение в этой системе одной реакции может вызвать несколько эффектов, каждый из которых можно проследить от первоначальной реакции. И плейотропный эффект, и взаимодействие генов, таким образом, можно объяснить на основе специфического действия различных генов.

Четвертое: утверждение хромосомной теории наследственности. Установление того факта, что неаллельные гены не всегда передаются независимо друг от друга, противоречило законам Менделя. Разрешение этого противоречия привело к выяснению локализации гена в живой клетке и утверждению химической природы гена.

Пятое: утверждение универсальности генетической теории. После второго открытия законов Менделя генетические исследования стали проводиться на самых различных организмах - от низших до высших (включая человека) и все они подтвердили существование единиц наследственности - генов, расположенных в хромосоме в линейном порядке. Таким образом, генетические исследования показали, что в основе наследственности, развития всех организмов лежит нечто общее, фундаментальное, познание которого связано с пониманием сущности жизни.

Шестое: стимулирование теоретического подхода к изучению органической эволюции. Эволюция имеет дело с наследственными изменениями организмов и популяций, протекающими во времени. Дарвин еще не знал источника наследственных отклонений и механизма их передачи в поколениях, но уже понимал, что для естественного отбора, выбраковывающего плохо приспособленные формы, должны быть постоянно возникающие наследственные изменения, дающие материал для отбора и создающие возможность его действия. Открытие генов и механизма их передачи явилось первым крупным вкладом в развитие генетической теории эволюции, поставившим теорию эволюции на математическую основу. Так одним из математических следствий дискретности, «несмешиваемости» аллелей какого-либо гена в гетерозиготном индивидууме является то, что для популяции скрещивающихся друг с другом особей частоты аллелей из поколения в поколение остаются постоянными. Эта закономерность именуется законом Харди-Вайнберга (по фамилиям авторов). Этот закон действует, пока не вмешиваются определенные внешние силы, способные изменить частоты генов. И поскольку эволюция состоит как раз в изменении частоты генов, то генетические исследования эволюционных процессов призваны выявлять силы, способствующие этим изменениям.

Седьмое: выявление роли цитоплазмы в наследственности. Классическая генетика доказала несостоятельность примитивного представления о цитоплазме, как части клетки, регулируемую исключительно ядром. Гены, локализирующиеся в ядре, конечно, несут большую часть наследственной информации, однако ядру не принадлежит в этом исключительная роль - роль цитоплазмы не может считаться пренебрежимо малой [2; 3, 5; 6].

Возникновение молекулярной биологии является одним из важнейших событий в биологии ХХ в. [1; 2; 4; 5]. Особенно важное значение имеет экспериментальное доказательство факта записи наследственной информации в молекулярной структуре нуклеиновых кислот. Толчком к

разработке молекулярной генетики явилось обнаружение в 1944 г. О.Т. Эвери, К. Мак-Леодом и М. Мак-Карти возможности изменения наследственности микроорганизмов путем введения в них дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) от других микроорганизмов. В 1952 г. А. Д. Хер-ши и М. Чейз окончательно доказали, что ДНК является носителем наследственных особенностей. На этой основе в 1953 г. Д. Уотсон и Ф. Крик разработали концепцию генетического кода, определяющего наследственные признаки организмов и структуры молекулы ДНК. Важный вклад был сделан С. Бензером в изучение молекулярного строения генома одного из бактериофагов в 1955 - 1961 гг. (результатом чего явилось картирование одного из его участков), а также вывод о том, что ген не является наименьшей и неделимой единицей наследственности.

Свойства гена, по современным представлениям, определяются последовательностью расположения основных элементов ДНК - нуклеотидов, обеспечивающей воспроизведение аминокислот в необходимом для образования конкретного фермента сочетании. Иначе говоря, ген представляет собой участок нити ДНК. При мутациях меняется последовательность расположения определенного участка ДНК или он выпадает. Причем данный процесс необязательно охватывает ген в целом - им может быть охвачена большая или меньшая группа нуклеотидов. Отсюда и следует, что единицей наследственности в мутационном процессе выступает определенная часть гена. В принципе, при процессах рекомбинации могут быть любые обмены участками между нитями ДНК, причем эти участки могут быть представлены даже единичными нуклеотидами. Чтобы их выявить, необходима лишь достаточная численность потомства.

Для различения элементов гена были введены специальные термины. Бензер в 1957 г. назвал наименьшую обнаруживаемую единицу наследственности, способную рекомбинироваться и скрещиваться, реконом, а единицу мутирования - мутоном. Д. Понтекорво в 1958 г. наименьшую единицу мутирования и комбинирования назвал сайтом. Единица, определяющая какую-либо наследственную функцию, получила название цистрона.

Таким образом, ген, существование которого провозглашено классической генетикой, - реальность. Но в рамках современной генетики изменился его онтологический статус - он существует, но в процессах функционирования, комбинирования и мутирования реально проявляет себя в одних случаях как единое целое, а в других - дробится на элементы, которые свои наследственные способности реализуют по-разному. Эволюция гена в генетике подобна эволюции понятия атома в физике. Атом уже не представляется в виде неделимого элемента вещества, но нет никаких сомнений в реальности его существования, как сложного целостного образования. Подобную эволюцию претерпевает и понятие гена [2; 4; 5].

С возникновением клеточной теории стало ясно, что источник наследственности находится в клетке. Но лишь в XX в. развитие цитологических исследований позволило выявить глубинные механизмы строения и функционирования клетки. Наследственные структуры, которые связывают поколения живых существ, передаются через оплодотворенное яйцо. В них передается генетическая информация, обусловливающая особенности организма. С помощью электронного микроскопа были выявлены мельчайшие клеточные структуры (рибосомы, мембраны, крупные молекулы органических веществ), а биофизические и биохимические методы позволили изучить состав и жизнедеятельность клетки. Наружная плазматическая трехслойная мембрана отделяет клетку от окружающей среды. Внутри клетки находятся ядро и цитоплазма, разделенные трехслойной ядерной мембраной. Если элементы цитоплазмы многократно дублируются, то в ядрах наряду с повторами (повторяющимися последовательностями нуклеотидов) содержатся уникальные наследственные структуры.

В течение длительного времени передача наследственных свойств от родителей потомству связывалась с белками - высокомолекулярными органическими веществами, построенными из остатков 20 аминокислот, содержащих в своем составе аминную и карбоксильную группы, которые обладают соответственно щелочными и кислотными свойствами и обеспечивают способность аминокислот активно взаимодействовать с веществами кислотной и щелочной природы. Молекула белка представляет собой последовательность соединений аминокислот друг с дру-

гом. При изменении расположения даже одной аминокислоты происходит видоизменение молекулы. Если учесть, что число исходных аминокислот насчитывает два десятка, то легко представить, сколь огромно число образуемых из них число белковых молекул.

Принято различать первичную, вторичную, третичную и четверичную структуру молекул белка. Соединенные между собой аминокислоты образуют первичную структуру. На ее основе образуется вторичная структура, состоящая из скрученной в спираль белковой цепи. Соседние витки этой спирали соединяются слабыми водородными связями, при многократном повторении обеспечивающими устойчивость молекул с подобной структурой. Спираль вторичной структуры, в свою очередь, свертывается в трехмерный клубок, образующий третичную структуру, удерживающуюся связями между аминокислотами и слабыми электростатическими связями. Каждый из видов белков обладает строго специфичной формой трехмерного клубка. При скручивании нескольких молекул третичной структуры образуется четверичная структура, особенность которой заключается в том, что она может состоять только из молекул белков разных видов. Важно, что с повышением структурного уровня белковых молекул ослабевают поддерживающие их химические связи и повышается чувствительность к физико-химическим условиям среды. При сильных воздействиях физико-химических условий на белок происходит его денатурация - разрушение до первичной структуры, при слабых воздействиях - многие белки обладают способностью самопроизвольно восстанавливать свою исходную структуру.

Белки являются важнейшим компонентом клетки, выполняющим разнообразные функции (каталитическую, отражательную, гормональную, двигательную, строительную, защищающую, энергетическую). Энергия клетки, прежде всего, расходуется на синтез белка и только затем на выполнение разнообразных процессов. Жизнь клетки, представляющей собой сложную систему взаимосвязанных биохимических реакций, невозможна без ферментов - биологических катализаторов, обеспечивающих сложнейшие процессы синтеза в клетке при низкой температуре и малом давлении (подобной эффективности искусственный синтез пока не знает). Сигналы, идущие из внешней среды, (температурный, химический, металлический и прочие факторы среды) вызывают изменения в структуре белков - обратимую денатурацию, способствующую, в свою очередь, запуску химических реакций, которые обеспечивают ответное воздействие клетки на внешнее раздражение. Часть гормонов, осуществляющих наряду с нервной системой управление жизнедеятельностью отдельных органов и организма в целом, являются белками. Сократительный белок обеспечивает все виды движений клетки и организма. Белки выступают и в виде основного строительного материала клеток и организма. Белки-антитела защищают клетки и организм от чужеродных тел. Гемоглобин крови, включающий белок (глобин), связывает кислород воздуха и транспортирует его по всему телу. Белки, наряду с жирами и углеводами, обеспечивают организм энергией. Перечисленные функции белка свидетельствуют о том, что проявление жизни без белка практически невозможно. Оказалось, однако, что передача наследственной информации от поколения к поколению осуществляется не белками, как предполагалось, а нуклеиновыми кислотами.

Свет, освещавший путь к решению проблемы хранителя наследственной информации, был пролит еще в 1868 г. И.Ф. Мишером, открывшем нуклеин (получивший впоследствии название дезоксирибонуклеиновой кислоты - ДНК). Это открытие, однако, опередило свое время (как и открытие Менделя), поэтому внимание ученых к той роли, которую играет ДНК, было привлечено почти столетие спустя (сам термин «нуклеиновые кислоты» был введен Р. Альтманном в 1889 г.). К концу XIX в. исследования нуклеина привели А. Косселя к открытию того, что в ее состав кроме фосфорной кислоты входят пурины и пиримидины (азотистые основания) и углеводные компоненты - были обнаружены 4 азотистых основания (2 пурина - аденин и гуанин и 2 пиримидина - тимин и цитозин). Работы П. Левена, проведенные в течение первой трети ХХ в., позволили выявить основные химические принципы строения сахара нуклеиновых кислот, которые отличались от глюкозы, фруктозы и галактозы тем, что содержали 5 атомов углерода, а не 6, как последние. Группа сахаров нуклеиновых кислот, содержащих на один атом ки-

слорода меньше, получила название дезоксирибозы, а содержащая на один атом кислорода больше - рибозы. Отсюда и названия: кислоты первой группы были названы дезоксирибонук-леиновыми (ДНК), второй - рибонуклеиновыми (РНК). Таким образом, основой названия данной группы нуклеиновых кислот послужила строгая локализация дезоксирибозы в ДНК, а рибо-зы - в РНК.

Установление Мишером внутриядерной локализации нуклеина (соединение нуклеиновой кислоты с основными белками - гистонами) указывало на то, что разгадку наследственности следует искать именно в нуклеине, а не в других компонентах клетки. Однако активные исследования нуклеиновых кислот начались лишь в конце 40-х - начале 50-х гг. XX в. Исследования, проведенные О. Эвери, К. Мак-Леодом, М. Мак-Карти, А. Xерши, М. Чейзом, Дж. Тейлором, Р. Xотчкиссом, Э. Чаргаффом и др., показали важную генетическую роль ДНК. Поэтому направление исследований, связанных с выяснением химического строения ДНК, оказались весьма перспективными с точки зрения понимания механизмов воспроизводства генов. В 1953 г. Дж. Уотсон и Ф. Крик на основе данных рентгеноструктурного анализа ДНК и гипотезы Л. По-линга о возможности существования спиральных полимеров (высказанную последним применительно к белкам) выдвинули предположение о структуре молекулы ДНК. Молекула ДНК была представлена в виде двух полинуклеотидных нитей, соединенных водородными связями и закрученных относительно друг друга [6; 7].

Образование связей в молекуле ДНК характеризуется тем, что аденин может спариваться лишь с тимином, а гуанин - лишь с цитозином. Поэтому две полидезоксинуклеотидные цепи комплементарны друг другу (дополнительны), т. е. последовательность оснований в одной цепи определяет последовательность оснований в другой цепи. ДНК является единственным веществом в живых клетках, которое обладает способностью самовоспроизводиться. Передача генетической информации от родителей потомству (т.е. наследование) невозможна без воспроизводства с большой точностью информации, заключенной в определенной последовательности оснований. При воспроизведении клетки структура ДНК должна копироваться (реплицироваться). Точная репликация возможна тогда, когда в процессе воспроизведения клетки две цепи спиральной молекулы при раскручивании удаляются друг о друга; при этом каждая цепь служит матрицей для образования комплементарной цепи. В процессе воспроизведения молекул ДНК активная роль принадлежит ферментам. Образованные в результате разрыва полинуклеотидных цепей одиночные цепи ДНК достраиваются с помощью фермента за счет свободных нуклеоти-дов, имеющихся в цитоплазме и ядре: напротив гуанинового нуклеотида становится цитозино-вый нуклеотид, а напротив цитозинового - гуаниновый и т. д. В образовавшейся цепи возникают углеродно-фосфатные и водородные связи, что приводит в результате к синтезированию из одной молекулы двух новых.

Итак, с возникновением молекулярной генетики определилось направление дальнейших исследований фактора наследственности: «вглубь» - от внешнего к внутреннему, от визуально наблюдаемых признаков к поиску соответствующих субстанций, химических агентов, ответственных за данные признаки.

ЛИТЕРАТУРА

1. Белозерский А.Н. Молекулярная биология - новая ступень познания природы. - М., 1967.

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

3. Морган Т. Избранные работы по генетике. - М. - Л., 1937.

4. Рейвин А. Эволюция генетики. - М., 1967.

5. Сойфер В.Н. Очерки истории молекулярной генетики. - М., 1970.

6. Уотсон Д. Молекулярная биология гена. - М., 1967.

7. Уотсон Д. Двойная спираль. - М., 1969.

THE POST-CLASSICAL STAGE OF DEVEOPMENT OF THE TERM "HEREDITY"

Kochergin A.A.

The article exposes the specificity of conceptions of the term "heredity" within the post-classical stage of the development of genetics on the context of philosophical categories.

Key words: heredity, gene, genotype, phenotype, DNA, RNA, mutation, substance, property, external, internal, F. Crick, J. Watson, S. Benzer, L. Pauling.

Сведения об авторе

Кочергин Алексей Альбертович, 1963 г.р., окончил Новосибирский государственный университет (1985), МГУ им. М.В. Ломоносова (1999), Московский институт переводчиков (2011), соискатель МГТУ ГА, автор более 40 научных работ, область научных интересов - философия и методология науки.