Открытие материальной «структуры жизни»

В начале XX в., именно тогда, когда произошло вторжение в сферу микромира, человек приблизился к пониманию феномена жизни. Таинственность и тбинственность жизни не может не поразить всякого, кто даст себе труд хоть немного внимательней присмотреться к тому, что нас окружает, - и к тому, что есть мы сами. Однако, несмотря потрясающие успехи естествознания, вплоть до начала XX в. феномену жизни не было места в научной картине мира. Связано это было с тем, что классическая физика строго детерминистична, состояние сложной системы в любой момент времени однозначно предопределяется предшествующим состоянием ее частей, а потому в рамках классической физики не может быть и речи о какой-либо «свободе воли» живых организмов. Получалось, что « с научной точки зрения» все живые существа - всего лишь «автоматы», пусть и очень сложные. Но как же быть с тем, что мы эту свободу ощущаем, неужели это всего лишь иллюзия? Кроме того, вызывал чрезвычайное недоумение и вопрос об обратимости времени. С точки зрения классической механики необратимых процессов нет, - но весь опыт убеждает нас в обратном. Правда, возникшая во второй половине XIX в. статистическая физика научилась описывать необратимые процессы, происходящие в системах, состоящих из большого числа частиц. Однако, также процессы могут идти лишь в направлении возрастания энтропии, т. е. в направлении возрастания хаоса, в то время как жизнь, напротив, характеризуется возрастанием упорядоченности, противостоянием необратимому распаду мертвой природы.

Напомним, что тщательно проанализировав предпосылки новоевропейского “классического” естествознания Кант показал, что начиная с эпохи Нового времени метафизика природы превращается в метафизику материи, причем материи особого рода – “идеальной” материи вообще. Обсуждая галилеевскую проблему идеализации как предпосылку превращения естествознания в математическую науку Кант пишет: «Чтобы стало возможным приложение математики к учению о телах, лишь благодаря ей способному стать наукой о природе, должны быть предпосланы принципы конструирования понятий, относящиеся к возможности материи вообще; иначе говоря, в основу должно быть положено исчерпывающее расчленение понятия о материи вообще. Это – дело чистой философии, которая для этой цели не прибегает ни к каким особым данным опыта, а пользуется лишь тем, что она находит в самом отвлеченном (хотя по существу своему эмпирическом) понятии, соотнесенном с чистыми созерцаниями в пространстве и времени (по законам, существенно связанным с понятием природы вообще), отчего она и есть подлинная метафизика телесной природы» . Таким образом, объективация возможна лишь при условии допущения, что мета-физическая основа бытия – абсолютно самотождественная “идеальная” материя. Эта постулируемая Кантом материя вообще, которая только и делает возможной математизацию естествознания, в отличие от данной нам в ощущениях конкретной «объективной реальности» сама не является предметом чувственного восприятия и потому не имеет никаких эмпирически фиксируемых свойств. Она невесома, несжимаема, самотождественна, а главное – всепроникающа. В работе «Об основанном на априорных принципах переходе от метафизических начал естествознания к физике» Кант поясняет необходимость постулирования “материи вообще” следующим образом: «В рычаге как в машине еще до внешне движущих сил взвешивания следует мыслить внутреннюю движущую силу, а именно силу, благодаря которой возможен сам рычаг, как таковой, т. е. материю рычага, которая, стремясь по прямой линии к точке опоры, сопротивляется сгибанию и перелому, чтобы сохранить твердость рычага. Эту движущую силу нельзя усмотреть в самой материи машины, иначе твердость, от которой зависит механическая возможность весов, была бы использована в качестве основания для объяснения взвешивания и получился бы порочный круг. … уже в понятии весомости (ponderabilitas obiectiva) a priori допускается и предполагается проникающая все тела материя … и нет необходимости эмпирически переходить в физику (посредством наблюдения или эксперимента) или выдумывать гипотетическое вещество для объяснения явления взвешивания; здесь это вещество скорее постулируется. … Материя, порождающая твердость, должна быть невесомой. Но так как она должна быть также внутренне проникающей, ибо она чисто динамична, то ее должно мыслить несжимаемой и распространенной во всем мировом пространстве как существующий сам по себе континуум, идею которого уже, впрочем, придумали под названием эфира не на основе опыта, а a priori (ведь никакое чувство не может узнать механизм самих чувств как предмет этих чувств). … Именно по этой причине подобную материю мыслят также как невоспринимаемую, ибо органы восприятия сами зависят от ее сил» . «В этой невесомой, несжимаемой и всепроникающей материи, которая не дана эмпирически, а мыслится априорно, мы узнаем ньютонов эфир – Кант предпочитает называть эту особую реальность теплородом, как это делали многие ученые XVIII века. Мы видим, что эта материя выполняет действительно две функции: она гарантирует механическим машинам, экспериментальным установкам в широком смысле слова их идеальность … , с одной стороны, и она же обеспечивает “силовое напряжение” во вселенной, выполняя роль динамического фактора, с другой» . Именно эта неизменно самотождественная “объективно существующая” эфирная материя, а не наполненная само-сущной жизнью языческая при-рода, и есть тот без-жизненный субстрат, из которого, согласно представлениям “объективной” классической науки, “устроен” весь мир.

В связи с проникновением человека в сферу микромира и возникновением квантовой физики стало ясно, что мир в определенном смысле слова не является «мертвым». Выяснилось, что спонтанная активность, проявляющая себя на уровне «объект(ив)ного» описания микромира в форме «случайности» (а иначе и быть не может, ибо ничто живое, а значит целе-у-стремленное, не может быть адекватно описуемо на «объективном» языке форма-льной математики), будучи «макроскопизирована» посредством «усилителей», каковыми являются гены, превращается в то, что мы называем «живым». Именно ген, опосредующий связь микро- и макро- миров, оказывается своего рода «антенной», извлекающей жизненную информацию из микромира и переводящей ее на уровень макромолекул, и далее - на уровень клеток и тел. Именно земля, по слову Библии, производит душу живую (Быт. 1, 24). Как свидетельствует один из крупнейших генетиков XX в. Н. В. Тимофеев-Р есовский, «наличие дискретных групп среди живых организмов ... является своеобразным ... отражением квантвоой природы структуры вещества» . Нильс Бор, рассуждая об удивительной с точки зрения классической физики устойчивости атомов отмечал, что «в природе имеется тенденция к образованию определенных форм ... и к воспроизведению этих форм заново даже тогда, когда они нарушены или разрушены. В этой связи можно даже вспомнить о биологии; ведь устойчивость живых организмов, сохранение сложнейших форм, которые к тому же способны к существованию непременно лишь как целое, - явление того же рода. ... Существование однородных веществ, наличие твердых тел - все это опирается на устойчивость атомов ... Все это не само собой разумеется, напротив, кажется непонятным, если исходить из принципов ньютоновской физики, из строгой причинной детерминированности событий, когда всякое данное состояние должно быть однозначно определено предшествующим состоянием и только им. ... На чудо устойчивости материи еще долго не обращали бы внимания, если бы за последние десятилетия ... события ... поставили на перед вопросом, в наше время уже неизбежным, а именно вопросом о том, как здесь связать концы с концами ... задача совсем иного рода, чем обычные научные задачи» . И не случайно у истоков возникновения нового понимания жизни стоит имя Эрвина Шредингера, одного из создателей квантовой механики, имя которого носит фундаментальное квантовомеханическое уравнение Шредингера.

Любопытно, что современная, квантовая физика удивительно согласуется с точкой зрения Лейбница, полагавшего, что мир, в котором мы живем, несет на себе отпечаток некой двойственности. С одной – внешней - стороны, мир представляет собою инертную материю, законы движения которой адекватно описываются обнаруживаемыми естествоиспытателями механическими закономерностями. С другой стороны, в природе есть сокрытая от внешнего наблюдателя жизнь, некоторая внутренняя активность, вложенная в нее при сотворении Богом. Наличие этой сокровенной активности, которую Лейбниц называет силой, невозможно обнаружить при помощи “объективных” методов. С его точки зрения, сущность глубинной динамики бытия может постичь лишь метафизика. “Объективная” наука – кинематика (описывающая внешние движения тел) должна быть, по Лейбницу, дополнена динамикой (характеризующей процесс внутренней жизни не-материальных вне-пространственных единиц бытия, активность которых и порождает то, что мы – извне, отстраненно, - воспринимаем как инертную материю). Подлинно сущие единицы бытия, сущность которых выражается не в протяженности, а в деятельности, Лейбниц называл монадами. Процесс жизнедеятельности монады состоит, по Лейбницу, в непрестанной смене внутренних состояний, которая, однако, извне не наблюдаема, ибо монады, как выражается Лейбниц, “не имеют окон”, хотя каждая из них внутри себя воспринимает весь универсум. Синхронность протекания процессов внутренней жизни монад обусловлена волей Бога-Творца, установившего и поддерживающего такую “предустановленную гармонию”. Обнаружение неустранимой спонтанной активности микрообъектов является свидетельством в пользу лейбницевской концепции, лишний раз подтверждая мысль П. П. Гайденко о том, что «если какая из естественнонаучных программ XVII в. и сохранила свою живую актуальность также и для ХХ столетия, то это, пожалуй, лейбницева» .
Отметим, что сколь ни парадоксальной выглядит мысль о наличии у материи жизни, для христианского сознания она, по существу, вполне естественна. «Слишком часто мы, по привычке, по инерции, по лени ума, не только неверующие, но и верующие, думаем о материи, будто она инертна, мертва. И действительно, с точки зрения нашего субъективного опыта, это большей частью так. Но с точки зрения философии материи, с точки зрения ее соотношения с Творцом, Который державным словом ее призвал из небытия к бытию, это не так: все, Богом сотворенное, имеет жизнь, - настаивает митрополит Сурожский Антоний, - не то сознание, которым мы обладаем, а иное: в каком-то смысле все, Богом сотворенное, может участвовать радостно и ликующе в гармонии твари. Иначе, если бы материя была просто инертна и мертва, то всякое Божие воздействие на нее было бы как бы магическим, было бы насилием; материя не была бы послушна Ему, те чудеса, которые описаны в Ветхом Завете или в Новом Завете, не были бы чудесами, то есть делом послушания и восстановления утраченной гармонии. Это были бы властные действия Бога, против которых материя, сотворенная Богом, не могла бы ничего. И это не так. Все сотворенное живет, на каждом уровне тварной жизни, своей особенной тварностью. И если мы могли бы в нашем очень часто холодном, тяжелом, потемневшем мире уловить то состояние материи, которое нам больше недоступно, потому что мы ее видим не Божиими глазами и не изнутри духовного опыта, мы видели бы, что Бог и все Им сотворенное связаны живой связью» . Утверждение факта пронизанности материи жизнью вовсе не означает примитивного языческого гилозоизма, напротив, это есть естественное следствие тварности мира, его не-само-бытности, его укорененности в бытии Творца. Тварность мира означает его не-само-бытность; вся тварь жива в меру своей со-причастности Жизни Творца. Именно потому что мир связан с Богом, с самой Жизнью, он и о-живо-творен, жив, - не сам по себе, но в силу наличия этой связи, без которой ничто тварное просто не может существовать.

Р одоначальником генетики считается Грегор Иоганн Мендель (1822-1884). Р езультаты его деятельности оказали поистине революционное воздействие на последующее развитие биологии. Правда, открытые им в 1865 г. закономерности наследственности были практически забыты на протяжении 35 лет, и лишь в 1900 г. они были поняты и подтверждены, что привело к бурному развитию новой науки - генетики.

Грегор Иоганн Мендель родился в 1822 г. После несчастного случая, происшедшего с его отцом, материальные возможности семьи резко сократились так что юный Грегор, жадно тянущийся к учебе, был вынужден наряду с обучением в гимназии подрабатывать частными уроками. Совмещение работы с учебой (а Мендель был лучшим учеником гимназии) подорвало здоровье юноши: в 1839 г. Грегор заболел от переутомления и вынужден был прервать учебу. Спустя полгода он вернулся в гимназию и в 1840 г. 18-летним юношей он ее заканчивает и поступает в философские классы при университете в Ольмюце (ныне - Оломоуц), предназначенные для получения законченного гуманитарного гимназического образования выходцами из провинциальных школ. Около половины предметов, изучаемых в Философских классах, составляли богословские дисциплины, большую часть преподавателей составляли священнослужители. Преподавались также математика, физика, философия. Физику преподавал о. Фридрих Франц, монах Ордена премонстрантов. В 1843 г., по окончании Философских классов, Мендель по рекомендации о. Фридриха поступает в августинский монастырь св. Томаша в Брюнне (ныне - Брно) и становится послушником братом Грегором. Почти все члены монастырского капитула интересовались естествознанием, искусством, политикой. Настоятель монастыря о. Франц Напп был известен как специалист в области восточной лингвистики (граматики арабского и армянского языков). Будучи управляющим Моравско-Силезского земледелльческого общества, о. Напп создает самостоятельную естественнонаучную секцию, которая к 1861 г. становится тем самым Брненским естественнонаучным обществом, на котором в 1865 г. выступил Мендель со своим знаенитым докладом «Опыты над растительными гибридами». Из остальных членов капитула можно упомянуть о. Братранека - натуралиста, литературоведа, натурфилософа, занимавшего в 1867 г. пост ректора Краковского университета, о. Крижковского - музыканта и композитора, о. Таллера - математика и ботаника, составившего гербарий моравской флоры и организовавшего при монастыре небольшой ботанический сад. Именно его ботанико - минералогическое собрание и способствовало увлечению Менделя «естествнной историей».
С 1845 г. по 1848 г. Мендель занимается в училище при монастыре, где изучает в основном богословские дисциплины и древние языки. Отличная учеба позволяла ему занять хорошее место преподавателя в монастырском училище, однако о. Грегор предпочитает этому скромное место учителя математики и греческого в гимназии г. Цнайме (ныне - Знаймо), ибо он почувствовал свою абсолютную неспособность к попечению о душах верующих, предпочитая этому научные занятия.
Преподавательская деятельность Менделя в Цнайме пошла хорошо, однако ему хотелось преподавать полюбившиеся ему физику, минералогию, ботанику, т. е. «естественную историю». Но для этого нужно было иметь диплом учителя, которого у него не было, т. к. университетского курса образования он не прошел. Директор гимназии посоветовал ему сдать в Вене перед специальной комиссией имперского министерства культов и просвещения экзамены на право преподавать интересующие его дисциплины. В 1850 г. в возрасте 28 лет он предпринимает такую попытку, но терпит неудачу, после чего, исполненный стыда и разочарования, возвращается в свой монастырь. Настоятель, о. Напп, верящий в способности Менделя, направляет его в качестве вольнослушателя в Венский университет, где о. Грегор проучился два года - с 1851 по 1853 г. Летом 1853 г. Мендель возвращается в монастырь и в мае 1854 г. получает место помощника учителя в местном реальном училище, где преподает свои любимые предметы - физику и природоведение и одновременно заведует естественно научными коллекциями училища.
Именно в это время в возрасте 32-х лет начинает Мендель свои классические эксперименты по скрещиванию гороха. Опыты он ставит в монастырском садике шириной 7 и длиной 35 метров.
В течение 10 лет напряженной работы он произвел опыты над 27 225 растениями 34-х сортов гороха, причем тщательному исследованию было подвергнут о 12 835 экземпляров. В результате анализа экспериментального материала Мендель обнаружил простые закономерности, впоследствие получившие наименование «законов Менделя». Будучи членом Общества естествоиспытателей в Брюнне, Мендель после тщательной проверки своих результатов решает сделать доклад, с которым он выступает на заседаниях общества 8 февраля и 8 марта 1865 г. На первом заседании он ограничился изложением результатов опытов, объяснения были отложены до следующего заседания. Члены Общества к докладу отнеслись недоверчиво и его обсуждения, по существу, не было. Лишь после настойчвых просьб Менделя были высказаны пожелания провести контрольные опыты и проверить высказанные положения на других растениях.
Несмотря на столь холодный прием, было принято решение опубликовать доклад в трудах Общества. В 1866 г. вышла в свет работа «Опыты над растительными гибридами». Эта небольшая работа Менделя может быть поставлена в один ряд с самыми крупными научными открытиями XIX в.
Пытаясь обосновать всеобщий характер открытых закономерностей наследования, в 1866 г. Мендель приступил к проверке своих результатов уже не только на горохе, но на трех видах фасоли, двух видах левкоя, кукурузе и ночной красавице - ястребинке. Эти опыты отнимают у него много сил и времени. В 1868 г. капитул монастыря избирает о. Грегора Менделя пожизненным настоятелем. Исполнения настоятельских обязанностей, руководство большим монастырским хозяйством и участие в деятельности многочисленных общественных организаций и учреждений города занимают практически все его время, вплоть до самой смерти в 1884 г.

Изучая распределение родительских признаков в каждом новом поколении растений гороха, Мендель заметил удивительные закономерности наследственной передачи. Менделю, несомненно, посчастливилось в том, что в его распоряжении оказались сорта гороха, отличающиеся друг от друга по определенным признакам, таким, как окраска и форма семян, форма бобов или длина стебля. Каждый из этих признаков проявляется в контрастирующих альтернативных формах. Так, например, у одного сорта образуются только зеленые семена, а у другого — только желтые. Кроме того, каждый из этих сортов был наследственно чистым. Это означает, что если, скажем, растение, несущее определенный признак, подвергается самоопылению или скрещивается с идентичным растением, то все потомство окажется похожим друг на друга и на родительские растения. Без таких чистых сортов эксперименты, подобные тем, которые впоследствии осуществил Мендель, было бы чрезвычайно трудно или попросту невозможно объяснить.

Наиболее интересны, конечно, те опыты, в которых растения генетически чистой линии, имеющие какой-то один набор признаков, скрещивались с растением генетически чистой линии, несущим альтернативный набор признаков. Типичный пример такого скрещивания показан на Р ис. 1, на которой представлены результаты одного из опытов по скрещиванию двух сортов гороха — одного с желтыми, а другого с зелеными семенами. Закономерности, наблюдавшиеся в таких скрещиваниях, знакомы каждому, кто изучал биологию, и в данном случае можно ограничиться лишь кратким суммированием их. При подобном скрещивании один из альтернативных родительских признаков в первом поколении (которое называют первым дочерним поколением, или F1) исчезает. Однако на самом деле у растений F1 остается потенциальная возможность проявления отсутствующего признака. Это наглядно подтверждается результатами скрещивания любых двух растений F1. В поколении F2, возникающем в результате такого скрещивания, вновь появляются особи, несущие признак, отсутствовавший у особей F1. Более того, растения, обладающие этим признаком, составляют всегда постоянную долю по отношению ко всем растениям F1; обычно одна четверть растений F2 несет признак, который не проявлялся в F1. Другая важная закономерность касается тех растений F2, у которых проявляется тот же самый признак, что и у растений F1 (в случае, схематически изображенном на Р ис. 1, этот признак — желтая окраска семян). Не все из этих растений вели себя одинаково при дальнейшем размножении; 2/3 этих растений вели себя так же, как растения F1, тогда как 1/3 растений были гомозиготными и во всех отношениях сходными с теми родительскими растениями (поколение Р ), которые несут признак, не исчезающий в F1.

Поколение
Р астения с
желтыми
семенами Р астения с
желтыми
семенами Р астения с
зелеными
семенами Р астения с
зелеными
семенами
¬ Р

Все потомство с
желтыми семенами
Все потомство с
зелеными семенами

Все потомство с желтыми семенами
¬ F1
Р астения F1
с желтыми
семенами Р астения F1
с желтыми
семенами

75% растений с
желтыми семенами
25% растений с
зелеными семенами ¬ F2

В потомстве 1/3 растений подобна родительским растениям (желтые семена) и 2/3 растений подобны F1
В потомстве все растения будут подобны родительским растениям, имеющим зеленые семена)

Р ис. 1. Классическое менделевское скрещивание: скрещиваются растения гороха, отличающиеся по окраске семян (зеленые ґ желтые).
Р езультат этих скрещиваний не зависит от того, используется ли в первом скрещивании чистая линия с желтыми семенами в качестве отцовской или материнской формы. Р одительское поколение обозначено через Р ; первое и второе дочерние поколения обозначены соответственно F1 и F2.

Мендель не ограничился лишь наблюдением и описанием этих типов наследственной передачи. Он решил объяснить полученные результаты; при этом он рассуждал подобно физикам и химикам, еще до него объяснявшим определенные закономерные свойства и упорядоченные процессы в природе, предполагая существование единиц, которые нельзя непосредственно видеть, но которые наделены гипотетическими свойствами, объясняющими наблюдаемые упорядоченность и закономерность. В конце концов, понятие атома возникло как гипотетическая конструкция, наделенная именно теми свойствами, которые позволяли объяснить делимость и электромагнитные свойства материи, существование групп химических элементов со сходной реакционной способностью, стехиометрию химических реакций и так далее.
Р ассуждения Менделя были сходными. Он пришел к мысли о существовании некоей единицы, которая могла бы объяснить наследственность. И хотя он называл эту гипотетическую единицу по-другому, генетики впоследствии назвали ее геном. Как же действовал ген Менделя? Прежде всего, Мендель предположил, что для каждого наследственного признака во взрослом растении гороха имеются два гена, или аллеля, определяющие эти признаки. Каждый из аллелей может существовать в любой из по меньшей мере двух альтернативных форм. Если оба аллеля одинаковы, то организм является «чистым» по данному признаку и именуется генетиками гомозиготным. Если же аллели различны, то организм не является генетически чистым и именуется гетерозиготным. Мендель предположил, что, когда два аллеля различны, один из них является доминантным, т. е. обусловливает преимущественное проявление контролируемого им признака. Другой аллель, следовательно, оказывается подавленным, рецессивным, иными словами, он замаскирован, хотя и присутствует в гетерозиготной особи, или гетерозиготе. Нарушение двойственности генетической системы происходит у зрелого организма при образовании половых клеток, или гамет. Мендель предположил, что яйцеклетки, а также пыльца (или, у животных, сперматозоиды) образуются таким путем, что парная организация генов нарушается и каждая гамета содержит только по одному представителю от каждой генной пары. Мендель предположил далее, что у гетерозиготной особи образуется равное число гамет каждого из возможных типов, т. с. равное число гамет с одним и с другим аллелем. Однако оказались необходимыми дальнейшие допущения, касающиеся свойств гипотетического гена. Следовало допустить, что оплодотворение женских гамет мужскими происходит по закону случая, по крайней мере в отношении аллелей, присутствующих в этих гаметах. Поэтому для женской гаметы, содержащей данный аллель, не важно, будет ли она оплодотворена мужской гаметой с таким же или другим аллелем; в этом смысле оплодотворение не является избирательным. Наконец, необходимо было допустить, что все зиготы, независимо от их генного набора, имеют равную вероятность развития,— по крайней мере развития до того возраста, в котором генетик может выявить их признаки. С помощью этих допущений Мендель легко смог объяснить результаты своих опытов по скрещиванию различных сортов гороха.

Мендель производил также скрещивания, в которых родительские сорта различались по двум и даже трем признакам. Он заметил, что гены, определяющие различные признаки, наследуются независимо друг от друга. Так, например, при скрещивании сорта, дающего желтые гладкие семена, с другим сортом, имеющим зеленые морщинистые семена, все особи Fi давали желтые гладкие семена. Этот результат не был неожиданным, так как предыдущие скрещивания с участием растений, отличающихся только по одному из этих признаков, показали, что аллель, обусловливающий гладкую форму, доминантен по отношению к аллелю, определяющему морщинистость, а аллель, обусловливающий желтую окраску, доминантен по отношению к аллелю, определяющему зеленую окраску. Однако в результате скрещивания двух особей Fi возникали не только особи, несущие рецессивные признаки, но и особи с некоторыми новыми сочетаниями признаков.

Вероятность появления отдельного признака в F2 3/4
Желтые
семена
1/4
Зеленые
семена

3/4
Гладкие
семена

Желтые, гладкие
семена
9/16
Зеленые, гладкие
семена
3/16

1/4
Морщинистые
семена

Желтые, морщинистые
семена
3/16
Зеленые, морщинистые
семена
3/16

Р ис. 2. Независимая передача генов, влияющих на различные признаки у гороха.

Так, в поколении F2 имелись растения с желтыми морщинистыми и растения с зелеными гладкими семенами наряду с растениями родительских типов, а именно с желтыми гладкими и с зелеными морщинистыми семенами. Количественные соотношения между растениями всех четырех типов в F2 указывали на независимую передачу аллелей окраски и аллелей формы семян: 9/16 растений в F2 были с желтыми гладкими семенами; 3/16—с желтыми морщинистыми семенами, 3/16—с зелеными гладкими семенами и 1/16 с зелеными морщинистыми семенами. Именно такого результата следовало бы ожидать, если предположить, что две пары аллелей передаются из поколения в поколение (от Р до F2) независимо друг от друга. Р ассмотрим фиг. 3, на которой приведены значения вероятности появления у растений F2 каждого из отдельных родительских признаков в зависимости от характера передачи соответствующих аллелей. Исходя из этих значений, можно вычислить вероятность (случайного) образования любой комбинации родительских признаков — именно это в данном случае подразумевается под независимой передачей признаков. Эта вероятность равняется произведению вероятностей появления каждого отдельного признака. Так, если для признака желтой окраски семян вероятность проявления у данного индивидуума в F2 равна 3/4, а для признака морщинистости семян эта вероятность равна 1/4, то вероятность того, что оба эти признака будут присутствовать вместе у одного растения F2, составит 3/4Х1/4=3/16. Р езультаты скрещиваний растений, отличающихся по многим признакам, согласовались с тем, что ожидал Мендель на основании допущения о независимой передаче неаллельных генов. Мендель пришел к убеждению, что все комбинации признаков возникают в результате случайного расщепления и перераспределения генов, определяющих различные признаки, при образовании гамет и оплодотворении .

Написанная в 1865 г. и вышедшая в свет в 1866 г. работа Менделя «Опыты над растительными гибридами» оказалась непонятой и о ней почти не вспоминали в течение 35 лет, хотя она попала в 120 библиотек университетов и обществ естествоиспытателей Праги, Берлина, Вены, Мюнхена, Нью-Йорка, Парижа, Филадельфии, Петербурга, Лондона и т. д. Первая ссылка на нее содержится в работе Гофмана «Исследование видовых закономерностей и их изменений» 1869 г., где автор превратно истолковывает взгляды Менделя утверждая, что гибриды при скрещивании имеют тенденцию возвращаться к исходным видам. Второй раз работа Менделя цитируется в 1874 г. в магистерской диссертации русского ботаника И. Ф. Шмальгаузена. Наибольшее значение имел отзыв в монографии Фоке о растительных помесях, откуда о Менделя узнали Корренс, Чермак и де Фриз, переоткрывшие законы Менделя в 1900 г.
Одной из причин прохождения мимо работы Менделя было то, что она стояла несколько особняком, в стороне от основной темы, занимавшей тогда биологов - дискуссии по проблеме происхождения видов. Р абота Ч. Дарвина «Происхождение видов путем естественного отбора» вышла в свет в 1859 г., на 7 лет раньше работы Менделя, и менделевский тезис о сохранении неизменного наследственного материала явно противоречила дарвиновскому тезису о постепенном накоплении индивидуальных изменений. Собственно, именно как орудие в полемике против дарвинизма, развивал Г. де Фриз, переоткрывший в 1900 г. законы Менделя, концепцию мозаичности и неизменности видовых признаков.
Забвению работы Менделя способствовало и то, что опубликована она была в периферийных «Трудах Общества естествоиспытателей в Брюнне», а не в солидном журнале, да еще и принадлежала она не перу специалиста, а провинциальному монаху, посвятившему себя преподавательской деятельности в среднем учебном заведении. Но главная причина прохладного отношения к работе Менделя состояла в том, что он выдвинул принципиально новую идею, согласно которой наследуется не общий тип индивида в целом, а отдельные его черты, признаки, свойства. Уже эмпирически выведенный закон расщепления по альтернативным признакам (например, зеленая или желтая окраска семян у гороха) в соотношении 3 : 1 ясно указывал на дискретность системы наследования, связанной с вероятным существованием дискретного «наследственного фактора».
Как уже было сказано, законы Менделя были переоткрыты в 1900 г. Де Фризом, Корренсом и Чермаком и получили антидарвиновскую интерпретацию, усилившуюся в работах Бэтсона, утверждавшего устойчивость наследственного фактора и его независимость от внешних условий среды. Именно Бэтсоном было предложено в 1906 г. название новой науки - «генетика». По мере углубления генетики в наиболее «интимные» сферы живых систем сформировалась молекулярная генетика, один из провозвестников которой был русский ученый Николай Константинович Кольцов. В 1927 г. он развил гипотезу, согласно которой, в основе хромосомы лежит длинная цепная молекула. или мицелла, состоящая из одинаковых длинных молекул, боковые вставки которых - белковые радикалы - являются генами» . Теперь ясно, что многое из конкретных представлений Кольцова, о химической и молекулярной природе гена (прежде всего, предположение о его белковой основе), не соответствовало действительности. Но его идеи, усвоенные учеником Кольцова Николаем Владимировичем Тимофеевым-Р есовским (1900-1981), в 1925-1946 гг. работавшем руководителем отдела генетики при Институте исследований мозга в Берлин-Бухе, существенно повлияли на формирование молекулярной генетики.
В 1932 г. молодой немецкий физик-теоретик Макс Дельбрюк, будучи на стажировке в Институте Бора в Копенгагене, попал на лекцию Бора «Свет и жизнь». В лекции Бор поделился своими мыслями о проблеме жизни в связи с последними достижениями квантовой механики. Дельбрюка лекция Бора так вдохновила, что вернувшись в Берлин он стал искать контактов с биологами и познакомился с Н. В. Тимофеевым-Р есовским. Дома у Дельбрюка сложился постоянно действующий семинар, на котором русский генетик, рассказывал физикам о биологии, познакомил их с идеями Н. К. Кольцова. Под влиянием этих бесед физик-теоретик Дельбрюк превратился в биолога-экспериментатора, занявшись изучением бактериофагов. В 1937 г. по предложению распорядителя Р окфеллеровского фонда Уоррена Вивера Дельбрюк перебрался в США, где собрал вокруг себя группу исследователей, занявшихся изучением проблемы репликации бактериофагов. По предложению Вивера развиваемая Дельбрюком с сотрудниками область науки получила наименование «молекулярной биологии». Впоследствии за эти работы Дельбрюк был удостоин Нобелевской премии. Однако, вскоре за множеством обнаруженных подробностей перестала различаться конечная цель этих изысканий. Нужно было, осмыслив и обобщив полученные результаты, четко сформулировать те выводы, которые следуеют из всего многообразия экспериментального материала. Именно это и сделал один из создателей квантовой механики Эрвин Шредингер. В 1944 г. вышла в свет его небольшая книжка под броским заголовком «Что такое жизнь с точки зрения физика». В ней Шредингер, дав простое и ясное изложение основ генетики и развив идеи Дельброка и Тимофеева-Р есовского о связи генетики и квантовой механики, четко сформулировал главный вывод, вытекающий из всех экспериментов: «жизнь есть апериодический кристалл».

Шредингер показал, что из белков можно создавать семиотические системы, т. е. системы, существенно меняющие «значение» при небольших изменениях «формы», например: «Казнить (,) нельзя (,) помиловать».

Идея Шредингера получила блестящее подтверждение в 1953 г., когда американец Джим Уотсон, воспитанник «фаговой группы» Дельбрюка и англичанин Фрэнсис Крик совместно высказали блестящее предположение, которое впоследствии принесло им Нобелевскую премию и мировую известность . Еще в 1944 г. американские биологи Эвери, Мак-Леод и Мак-Карти доказали, что носителем генетической информации является не белок, а дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Уотсон и Крик предложил модель структуры ДНК, которая объясняла известные в то время факты и позволила сделать ряд столь четких предсказаний, которые могли быть экспериментально проверены. Суть гипотезы Уотсона и Крика состоит в том, что молекула ДНК представляет собою спираль, состоящую из двух полимерных цепочек, каждая из которых, в свою очередь, состоит из звеньев четырех сортов, последовательность которых в каждой цепочке может быть произвольной, но которые должны быть связаны друг с другом в параллельных цепочках по принципу комплиментарности (дополнительности). Узнав от Уотсона об этой гипотезе, Дельбрюк сразу же поверил в нее и в письме к Бору 14 апреля 1953 г. написал: «Мне кажется, Джим Уотсон сделал открытие, сравнимое с тем, что сделал Р езерфорд в 1911 году».
Почему же Дельбрюк так высоко оценил модель Уотсона и Крика. Дело в том, что она вплотную подвела нас к прочтению «языка жизни» поэмы мироздания, написанной Творцом. Напомним, что по слову свт. Григория Паламы этот мир представляет собою «писание Самоипостасного Слова» Творца - О пйзфЮт . Как выяснилось, в основе многообразных проявлений живой природы лежит многообразие форм протеинов (белков). По своей химической структуре протеины представляют собой длинные цепи (в действительности даже не одинарные, а двойные) аминокислот.

Чтобы получить молекулу аминокислоты, достаточно в молекуле какой-нибудь жирной кислоты заменить атом водорода, не входящий в гидроксильную группу —ОН, на аминорадикал —NH2. С той стороны молекулы, где находится ацильная группа —СООН, аминокислота ведет себя как кислота. С той стороны молекулы, где находится аминогруппа —NH2, аминокислота ведет себя как основание. Поэтому аминокислоты можно связывать в длинные цепочки. Так возникают протеины, состоящие из сотен и сотен тысяч аминокислот.

Можно представить себе миллионы различных аминокислот. Двадцати из них выпала особая честь — быть «кирпичиками», из которых построены протеины всей органической природы от бактерий до Homo sapiens. Это счастливое обстоятельство позволяет нам поддерживать свою жизнь, употребляя в пищу других членов великого сообщества живых организмов. Способностью синтезировать аминокислоты под действием света из воздуха обладают лишь растения. Необходимые нам аминокислоты мы получаем от растений либо непосредственно (если мы вегетарианцы), либо косвенным путем (если мы употребляем в пищу мясо животных). Из аминокислот мы должны синтезировать свои протеины. «Кирпичики» различных сортов укладываются в цепочки, отличающиеся друг от друга и по числу кирпичиков, и по порядку, в котором они следуют друг за другом, и образуют молекулы протеинов — как бы двадцатибуквенные «слова». Структура одних протеинов с совсем короткой цепочкой полностью известна. Таков, например, инсулин, играющий важную роль при расщеплении в организме углеводородов. Оказалось, что инсулин одних млекопитающих отличается по своему строению от инсулина других млекопитающих. Протеины с более длинной углеродной цепочкой отличны даже у индивидуумов, принадлежащих к одному и тому же виду.
В строительном плане, содержащемся в оплодотворенной клетке, записано, каким образом новое существо должно синтезировать свои протеины. Наследственный строительный план хранится в так называемых хромосомах (у человека их 46), которые при более близком рассмотрении распадаются на тысячи отрезков. Каждый такой отрезок соответствует какому-то наследственному свойству. Это не что иное, как дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК), структура которых была установлена Уотсоном и Криком в 1952 г. Молекулы ДНК имеют форму спиралей, точнее, двойных спиралей, составленных из небольшого числа «кирпичиков», двух пиримидиновых оснований (тимина и цитозина) и двух пуриновых оснований (аденина и гуанина). Эти четыре основания располагаются в молекуле ДНК в весьма причудливых комбинациях. Каждую молекулу ДНК можно рассматривать как длинное слово, составленное лишь из четырех повторяющихся букв.

Главные размеры ДНК таковы: диаметр двойной спирали 2 нм, расстояние между соседними парами оснований вдоль спирали — 0,34 нм. Полный оборот двойная спираль делает через 10 пар. Длина зависит от того, какому организму ДНК принадлежит. ДНК простейших вирусов содержит всего несколько тысяч звеньев, бактерий — несколько миллионов, а высших — миллиарды. Если выстроить в одну линию все молекулы ДНК, заключенные лишь в одной клетке человека, то получится цепь длиной около 2 м. Следовательно, длина этой нити в миллиард раз больше ее толщины. Чтобы лучше представить себе, что это значит, вообразите, будто ДНК на самом деле около 4 см. Такой ДНК, взятой всего из одной клетки человека, можно было бы опоясать земной шар по экватору. В этом масштабе клеточное ядро имеет размеры стадиона, а человек — это уже земной шар.

Именно рибонуклеиновые кислоты управляют синтезом протеинов. (Условимся в дальнейшем отбрасывать приставку «дезокси». Прежде чем рибонуклеиновые кислоты займутся синтезом протеинов, они подвергнутся еще одной более серьезной трансформации.)
Наследственная информация, закодированная в рибонуклеиновых кислотах, передается дальше двояким образом. Во-первых, она копируется при каждом делении клетки, во-вторых, при синтезе протеина происходит перевод информации с языка, использующего четырехбуквенный алфавит (язык рибонуклеиновых кислот), на язык, использующий двадцатибуквенный алфавит (язык протеинов). Впрочем, встречаются в природе живые существа, знакомые лишь с первым языком: это вирусы, почти целиком состоящие из рибонуклеиновых кислот. Попадая в клетки своего носителя, они находят в них необходимый материал и начинают размножаться.
Для копирования Господь использовал весьма хитроумный метод. Р ибонуклеиновые кислоты представляют собой двойные спирали, половинки которых относятся друг к другу как негатив и позитив одной и той же фотографии. Против цитозина всегда располагается гуанин и, наоборот, против тимина — аденин. Когда возникает необходимость в снятии точной копии с молекулы рибонуклеиновой кислоты, двойная цепочка распадается по длине, а каждая половинка вновь достраивается до двойной спирали, с позитива печатается негатив, с негатива — позитив.
Второй способ передачи наследственной информации несколько сложнее: он представляет собой перевод с языка рибонуклеиновых кислот, использующего четырехбуквенный алфавит, на язык протеинов, использующий двадцатибуквенный алфавит. Соответствие между тем и другим языком устанавливает некий код. Биохимикам пришлось немало потрудиться, прежде чем удалось его раскрыть .

Р ис. 3. Генетический код. Первая буква кодона расположена в центральном круге, вторая — в первом кольце и третья — во втором. В наружном кольце записаны сокращенные названия аминокислот.

Даже беглого взгляда на этот рисунок вполне достаточно, чтобы заметить определенную закономерность. Вырожденность кода носит явно не случайный характер; то, какой аминокислоте будет соответствовать данный кодон, определяют главным образом два первых нуклеотида. Каков третий нуклеотид — не так уж важно, то есть, хотя код и триплетный, главную смысловую нагрузку несет дублет, стоящий в начале кодона. Иными словами, код квазидублетный.
Эта главная особенность кода была замечена еще на самой ранней стадии его расшифровки. Конечно, дублетами нельзя закодировать все двадцать аминокислот, так как различных дублетов может быть всего 42 = 16. Поэтому третий нуклеотид в кодоне должен нести некоторую смысловую нагрузку.

Казалось бы, все ясно: найден «алфавит жизни», прочитан «генетический код». Однако в последние десятилетия начали постепенно выявляться некоторые кризисные явления в молекулярной биологии и биологии развития. Молекулярная биология, генетика и эмбриология, проделав большой путь развития, завершили определенный виток в понимании сущности жизни. Оно было сугубо материалистичным, точнее, вещественным. Гены в этом смысле — только вещество. И когда это вещество — ДНК — детально изучили, открыв так называемый генетический код, то оказалось, что этого явно мало. Выяснилось, что белок-кодирующие участки ДНК составляют всего от 1 до 5% от всей массы геномной ДНК. Оставшиеся 95-99% некодирующих участков ДНК представляют собою структуры, предназначенные для каких-то целей с неясным пока назначением. Эта бульшая часть генома называется «мусорной» (“junk”), или «избыточной», или «эгоистической». В лучшем случае эти 95-99% генома считают «кладбищем вирусов». Все это свидетельствует о том, что модель триплетного генетического белкового кода удобна, но только как стартовая позиция, когда понята (неточно и не до конца) роль кодонов и Р НК. Ключевая же проблема биологии — проблема феномена жизни — механизмы ее воспроизведения: преемственность поколений, наследственность, эмбриогенез — не раскрыта, более того, в тупике, правда, в тупике более высокого ранга. Об этом свидетельствует, в частности, фактический провал 10-летней грандиозной международной программы «Геном человека», завершенной в 2000 году. Итог программы более чем скромен: было обнаружено и окончательно доказано, что геном людей содержит всего около 30000 генов белков, и что эти гены не отличаются от таковых червей, плодовых мушек и бактерий. Такие гены занимают только 1,5% всей ДНК человека. Остальные 98,5% заняты транспозонами, повторяющимися последовательностями, интронными и спейсерными зонами. Р оль их в эмбриогенезе человека, животных и растений до сих пор не понята ни генетикой, ни эмбриологией. Таким образом, явный разрыв между микроструктурой генетического кода и макроструктурой биосистем только углубился.
Ситуация сейчас напоминает положение в физике начала XX века, когда с открытием элементарных частиц материи наметился явный разрыв в понимании природы микро- и макро-мира. Вот и в биологии, чем точнее понимание ДНК по части повсеместно принятой центральной догмы ДНК-Р НК-белок, тем дальше мы уходим от стратегии генома в построении биосистемы. Где же выход? Выход – в последовательном отношении к геному как к слову.
Одно из первых и плодотворных сравнений белков, а затем и ДНК, с текстами естественных языков, сравнений, повсеместно принятых на первых порах лишь как метафора, прозвучало уже в обобщающей статье Ф. Крика и М. Ниренберга «Генетический код»: «Белок ... является как бы длинным предложением, записанным с помощью двадцати букв» . В этой замечательной аналогии — зачаток будущего выхода из плоского и тупикового понимания природы генов. Это замечательно согласуется с идеями Гурвича, Любищева и Беклемишева, которые также видели в хромосомах потенциальные волновые, образные и даже эстетические структуры в качестве организующих биосистему начал. Суть их мыслей можно суммировать в виде следующих трех положений:
1. Гены дуалистичны — они вещество и поле одновременно.
2. Полевые эквиваленты хромосом, размечают пространство-время организма и тем самым управляют развитием биосистем.
3. Гены обладают эстетически-образной и речевой регуляторными функциями.
Так, А. Г. Гурвич утверждал, что нагрузка на гены слишком высока, и поэтому необходимо ввести понятие биологического поля, как пространственно-временной разметочной структуры, биологического поля, « ... свойства которого ... формально заимствованы ... из физических представлений». Таким элементарным полем, по Гурвичу, будет являться « ... поле эквивалента хромосомы ... » . Близкие идеи есть и у А. А. Любищева. В работе «О природе наследственных факторов», опубликованной в 1925 г., он высказал предположение, что: «гены не являются ни живыми существами, ни кусками хромосомы, ни молекулами автокаталитических ферментов, ни радикалами, ни физической структурой, ни силой, вызываемой материальным носителем; мы должны признать ген как нематериальную субстанцию, подобную эмбриональному полю Гурвича... взаимодействие наследственности и хромосом подобно отношению материи и памяти по Бергсону ... Гены в генотипе образуют не мозаику, а гармоническое единство, подобное хору» . Вслед за ним в 1928 г. В. Н. Беклемишев развил эту мысль, на десятилетия опередив аналогию Крика и Ниренберга о белках как «предложениях». В своей работе «Методология систематики» он утверждает, что для того, чтобы приблизиться к реальному морфо-процессу (эмбриогенезу), — необходимо принять идею музыки и речи как неких моделей векторов генетических актов. Эмбриогенез он сравнил одновременно с музыкой и речью, в которых как и в дифференцирующихся тканях существуют «анатомические» свойства — признаки стадий: высота, интенсивность звука, обертоны и пр., и онтогенетические «эмбриологические» свойства - признаки хода процесса: ритм, мелодия и пр. Музыкальная вещь аналогична морфопроцессу гораздо глубже, чем с первого взгляда кажется. Между обоими процессами бросается в глаза различие: изменения в развивающемся теле накапливаются, изменения в потоке музыки сменяются бесследно. Но истинным субъектом развития в музыке является эстетическое впечатление; оно растет и развивается под влиянием процесса звучания. Это морфопроцесс сложного духовного организма. Придя к такому заключению, В. Н. Беклемишев спрашивает: что является аналогом этого последнего в животных и растительных организмах? Не поток ли формативных раздражений, регулируемый индивидуальностью целого и направляющий морфогенез частей?
Идеи русских биологов Гурвича, Любищева и Беклемишева, высказанные ими в 20-е -пЂ 40-е годы и намного опередившие свое время, в 80-е годы были подхвачены А. Н. Мосоловым из Новосибирска. Им было высказано предположение, что гены являются источниками информационно-силовых генетических, а точнее, эмбриональных полей в духе идей А. Г. Гурвича. Это была первая четко сформулированная гипотеза знако-несущих волновых голографических структур генома высших биосистем . В 1984 г. группа ученых из Института общей физики АН во главе с П. П. Гаряевым пришла к выводу, что тексты ДНК и языковые тексты выполняют одинаковые управленческие, регуляторные функции, но в разных, фрактально сцепленных, масштабах. ДНК генетически функционирует на клеточно-тканевом уровне, а человеческая речь, как макрогенетическая структура, используется на уровне общественного суперорганизма. Выяснилось, что ДНК и человеческая речь (тексты) обладают стратегически близкой фрактальной структурой не только в смысловом, но и геометрическом понимании .
П. П. Гаряев предположил, что некодирующие регионы ДНК — это не просто «кладбище вирусов», а структуры, предназначенные для каких-то целей с неясным пока назначением. Возможно, именно «некодирующие» последовательности ДНК, т.е. около 95 — 98 % генома, и являются стратегическим информационным содержанием хромосом. Возможно, именно там записано то, что отличает человека от червя. Вообще, гипотеза артефакта (искусственности, разумности) первичного языка ДНК широко обсуждается, начиная с пионерской работы В. И. Щербака , показавшего смысловую привнесенность коллективных симметрий белкового генетического кода, вероятность эволюционного происхождения которых близка к нулю. Поняв это, ничего более не остается, как попрощаться со старой и хорошо послужившей моделью генетического кода и обратиться к поиску новых – уже не форма-льных, но смысло-вых закономерностей.

Друзья

Христианские картинки