Geum.ru

В. И. Глазко В. Ф. Чешко «опасное знание» в «обществе риска» (век генетики и биотехнологии) Харьков ид «инжэк» 2007 удк 316. 24 Ббк 28. 04 Г 52 Рекомендовано к изданию решение

Вид материалаРешение

Содержание


Генная инженерия – эволюция, управляемая человеком. Краткий исторический очерк
Flavr savr
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   35

Генная инженерия – эволюция, управляемая человеком. Краткий исторический очерк


Магистральная линия истории, приведшая к генетической инженерии, как технологии управления процессом эволюции совпадает на значительном временном интервале практически совпадает с историей генетики. Именно тогда, когда человечество создало инстументарий, позволяющий конструировать и создавать новые формы жизни, оно осознало не только собственное могущество и опасность его использования в «неразумных» целях. Поэтому этот раздел в значительной мере посвящен истории становления генетики – теоретического фундамента современной биотехнологии.

С того момента как человек перешел от охоты и собирательства к скотоводству и земледелию он, в сущности, радикальным образом сменил унаследованную от предков стратегию выживания в этом мире. Отныне он сначала интуитивно, а затем – осознанно стремится преобразовать свою среду обитания («экологическую нишу») в соответствии с собственными потребностями и интересами или своими представлениями о них (кои далеко не всегда не всегда совпадают друг с другом). В сущности это означает, что человек постепенно берет под свой контроль ход глобального процесса эволюции, состоящий из трех компонентов: эволюцию неживой природы, развитие жизни и историю человеческой цивилизации. Первым шагом на этом пути стало создание искусственных экологических систем –агробиоценозов. Примерами последних могут служить пшеничное поле и пастбища скота.

Но вначале человечество располагало возможностями крайне незначительной модификации свойств и признаков уже существующих в природе элементов экологических систем, т.е. биологических видов. И только к концу 2-го тысячелетия н.э. были созданы технологии, позволяющие создавать и перестраивать экологические системы, конструируя их из элементов (организмов) с заранее заданным произвольным наборов свойств. Эти технологии и получили название генетическая инженерия, биотехнология. (Вероятно, правильнее было бы сказать – генетическая и экологическая инженерия).

Ситуация с биотехнологиями сильно напоминает историю с героем пьесы Мольера «Мещанин во дворянстве», который внезапно обнаружил, что всю жизнь говорил прозой и сам об этом не знал… Так и мы достаточно часто забываем, что биотехнологии человечество начало использовать и развивать с момента одомашнивания растений и животных. Ниже представлен краткий список важных биотехнологических событий.

ІІ тыс. до н.э. — использование дрожжей для получения вина, пива и дрожжевого хлеба и кефира.

1700-е годы – натуралисты идентифицируют растения-гибриды.

1861 – Луи Пастер разрабатывает технологию пастеризации

1865 – Грегор Мендель, отец современной генетики, экспериментирует с бобовыми растениями и приходит к выводу, что существуют неизвестные на тот момент частицы, позднее получившие название гены/ДНК, которые передают признаки от поколения к поколению.

1922 – американские фермеры закупают гибридные сорта кукурузы. С 1930 по 1985 год наблюдается повышение урожайности пшеницы на 600 процентов.

1944 – ученые подтверждают, что ДНК, присутствующая в ядре любой клетки, является субстанцией, отвечающей за передачу наследственной информации и содержит ключи к нашему прошлому, настоящему и будущему.

1953 – лауреаты Нобелевской премии Джеймс Уотсон и Фредерик Крик открывают структуру ДНК в виде двойной спирали.

1970 – Норман Борлауг получает Нобелевскую премию за создание короткостебельных сортов пшеницы, что стало первым случаем признания научных заслуг селекционера.

1973 – Стенли Коэн и Герберт Бойер переносят ген, специфический участок ДНК, из одного организма в другой, нчало ДНК-технологии.

1982 – первое коммерческое применение методов биотехнологии для получения человеческого инсулина, использующегося для лечения диабета.

1983 – получение первых растений с использованием методов биотехнологии.

1990 – первый пищевой продукт, модифицированный методом биотехнологии, фермент, применяемый при изготовлении сыра, был разрешен для использования в США.

1992 – администрация по контролю над пищевыми продуктами и лекарственными препаратами постановляет, что продукты питания, полученные с использованием биотехнологических методик, должны регулироваться тем же самым способом, что и полученные с использованием традиционных методик.

1994 – FLAVR SAVR помидоры — первый пищевой продукт, полученный с использованием биотехнологических методик.

1995 – введение в практику первого сорта сои, полученного при помощи биотехнологии.

1997 – американское правительство одобряет 18 разновидностей зерновых, полученных с использованием биотехнологии.

1999 – выведен «золотой» рис, обогащенный каротином, для профилактики слепоты у детей развивающихся стран.

2000 – создание Совета по вопросам информации в области биотехнологии.

Где же расположена генетическая информация, определяющая развитие любого организма? Теперь мы знаем, что она в генах. Что же это за таинственные частички материи, вещество, заставляющее всякое творение природы быть похожим на своих родичей – кошки всегда приносят на свет котят, из семян пшеницы может произрасти только пшеница, мы похожи на родителей и в то же время имем индивидуальные, свойственные только нам черты. Где расположены гены? Как устроены? Как им удается отдавать приказы на особом, биохимическом языке? Жестко диктовать – глаза голубые, а не черные; рост 180, а не 150. Или так, или наоборот.

Ученым пришлось погрузиться в глубины живой клетки, чтобы разыскать наконец то место, где зашифрована программа жизни слона или бактерии, человека или лягушки, яблони или микроскопической водоросли хлореллы, обитавших когда-то на Земле мамонтов или динозавров.

Теперь адрес гена установлен. И то, что потребовало огромных усилий стольких поколений исследователей, то, что являлось предметом жарких споров, ученейших препирательств и распрей, что поначалу казалось подозрительным, наивным, незрелым, требовало проверки и доказательств, — теперь все это стало историей науки, азбучной истиной, буднично и просто изложенной на десяти страничках школьного учебника биологии.

Работа Грегора Менделя считается фундаментом генетики. После Менделя стало ясно, что наследуемое свойство – это закодированное сообщение. Сообщение – это информация. И как всякая информация, она имеет свой материальный носитель, способ записи, хранения, передачи и свое содержание. Важно, что в отличие от Г. Менделя, изменчивость представлялась Ч. Дарвину и его современникам неограниченной, беспорядочной, идущей во всех направлениях. Организм обладал как бы «восковой пластичностью». Принятие этого исходного хаоса изменений было существенно для дарвинистов. Законы Менделя подчинили этот хаос математическим закономерностям. Число изменений при гибридизации вводилось в четкие рамки расщепления. До Г. Менделя многообразие форм в потомстве гибридов объясняли «ослаблением силы наследственности», не было научных принципов описания и изучения гибридов. Как выяснилось в последствии предшественники Г. Менделя наблюдали все характерные черты поведения признаков при гибридизации: доминирование (Т. Э. Найт), комбинирование в потомстве (О. Сажрэ) и принцип единообразия первого поколения и расщепления (П. Нодэн).

У Г.Менделя был один удивительный предшественник, почти вскрывший основные закономерности наследования признаков за 35 лет до работ Менделя. Это О.Сажре — французский растениевод (1763—1851), автор замечательных работ по гибридизации тыквенных, создатель новых сортов груш и ряда плодовых (семечковых и косточковых) деревьев. Впервые в истории изучения наследственности он стал учитывать отдельные признаки скрещивающихся растений.

Годом раньше работы Сажре (1824) в Англии была опубликована большая статья «Некоторые замечания о предполагаемом влиянии пыльцы в скрещивании на окраску кожуры растений и качество их плодов» Т.Найта (1759—1838) — выдающегося растениевода, создателя Лондонского общества садоводства, первого его президента. Найт экспериментировал на разновидностях гороха, совершенно сознательно, как впоследствии и Мендель, выбрав этот вид для исследований. Найт наблюдал за изменением цвета кожуры семян и окраски цветов у разных гибридов в процессе скрещиваний. Он обнаружил их постоянство, неизменность, т.е. по существу подошёл к пониманию явления доминирования, в основе которого лежит дискретность, прерывистость отдельных признаков.

Но лишь Менделю принадлежит приоритет в установлении четких количественных закономерностей в наследовании признаков в ряду поколений, куда непротиворечивым образом вошла вся предшествующая феноменология. Установленные Менделем законы наследования признаков (единообразие первого поколения, расщепление и независимое комбинирование) являются естественнонаучными законами, так как для этих законов: а) определена точная сфера применения, за пределами которой они нарушаются; б) они дают возможность предсказания и опытной проверки и в) возможность количественного описания и математической формулировки.

Мендель (1822-1884), сын силезского крестьянина, отлично учился в школе и хотел стать учителем природоведения, однако бедность родителей заставила его поступить послушником в августинский монастырь святого Фомы города Брюнна (ныне Брно, Чехия). Принял (1847) сан священника, поменяв мирское имя «Иоганн» на церковное «Грегор». Но церковных обязанностей не исполнял, а занимался преподаванием наук: цветоводства, плодоводства и пчеловодства. Был также учителем математики и греческого языка, позже физики и естественной истории и занимался опытами по скрещиванию растений. В XIX веке в школах и гимназиях Австро-Венгрии часто можно было видеть монахов. Они преподавали не только «слово божие», но и светские науки –химию, ботанику, зоологию. Мендель вначале учился в Оль-мюцком философическом институте, а в 1851 году админи­страция монастыря посылает его в Венский университет для изучения естественных наук. В его домашней библиотеке хранились все основные сочинения Дарвина. Менделя интересовали две далекие друг от друга дисциплины – математика и ботаника. Ему нравилось возиться с растениями в монастырском саду (крохотном, 7 на 35 метров, под окнами своей кельи), ибо с детства он приобрел практические навыки в садоводстве. В течение восьми лет, начиная с 1856 года, неторопливо и тщательно этот странный монах проводил загадочные опыты: скрещивал различные сорта садового гороха и терпеливо фиксировал результаты, подвергая их математической обработке. В 1865 году итоги работы были доложены на двух заседаниях в Брюннском обществе естествоиспытателей, а в 1866 – опубликованы под названием «Опыты над растительными гибридами» в «Записках» того же общества. Злые языки утверждали, что издатели поместили работу Менделя в сборник только потому, что более интересных материалов тогда не нашлось. Но не будь этой публикации, Мендель не стал бы всемирно известным исследователем, отцом учения о наследственности! Однако тогда печатное детище Менделя не вызвало отклика в научном мире. (Известно, что труды общества е­тествоиспытателей в Брно со статьей Менделя были разосланы в 120 научных библиотек мира, а сам Мендель дополнительно распространил еще 40 оттисков.) Не было ни дискуссий, ни просто вопросов к творцу новой науки. Чувствуя всю шаткость своего положения никому не известного любителя, Мендель решил обратиться к тогдашним светилам ботаники. Его выбор пал на немецкого ботаника Карла Вильгельма Негели (1817-1891), который одним из первых начал применять математические методы в ботанике. При жизни Менделя его выдающиеся, теперь классические, исследования не были по достоинству оценены, хотя не только Негели, но и другие крупные биологи знали о них. В 1868 году Менделя избрали прелатом. Новые церковные обязанности, а также серьезная болезнь глаз заставили его прекратить исследования по гибридизации растений, однако главное дело своей жизни он уже совершил. Ученый скончался, не подозревая о произведенном им революционном перевороте в научных взглядах.

В общем, Грегор Мендель сделал концептуальное открытие: он создал научные принципы описания и исследования гибридов и их потомства (какие формы брать в скрещивание, как вести анализ в первом и втором поколении и т. д.). Он установил законы наследования признаков; высказал идею бинарности наследственных задатков, т. е. идею, что каждый признак контролируется парой задатков или генов (как стали их потом называть), которые никуда не исчезают, а лишь рассоединяются при образовании половых клеток и затем свободно комбинируются у гибридов и их потомков.

Парность задатков – парность хромосом – двойная спираль ДНК, таково логическое следствие идей Г. Менделя.

Гибридологический метод, связанный с изучением характера наследования отдельных признаков и свойств, в значительной мере предопределил успех исследований Менделя и позволил ему выявить и сформулировать основные правила наследственности.

Можно указать на следующие обстоятельства неприятия работ Г. Менделя:

опыты требовали повторения на других видах, и сам Г. Мендель не смог повторить их на ястребинке по объективной, как теперь ясно, причине (партеногенетическое образование семян); любой исследователь, занимающийся гибридизацией, мог сходу указать на множество фактов поведения гибридов, выходящих за рамки независимого наследования признаков.

Интуитивно предугаданная Г. Менделем, возможно на основании предварительных скрещиваний, закономерность поразила его своей внутренней логикой и красотой и дала толчок к основным трудоемким семилетним опытам, которые были самым тщательным образом спланированы.

Ему удалось увидеть гармонию чисел, согласие явлений природы, стройность и порядок, проглядывающие сквозь путаницу явлений. Многие генетики и историки (в тх числе знаменитый английский биолог, эволюционист и математик Р.Фишер) науки доказывают, что Мендель знал, что он ищет. Что-де он сначала интуитивно проник в «душу природных событий», а уже затем так спланировал свои опыты, чтобы озарившая мозг идея подтвердилась наилучшим образом и в кратчайшие сроки. Потому-то он останавливает свой выбор на лучше всего пригодном для опытов растении — горохе. Оттого-то два года отбирает наиболее подходящие признаки. И затем берет для экспериментов ровно столько растений, сколько нужно: чтобы можно было установить «численные отношения» для генетических законов. Все это и породило красоту и стройность установленных Менделем пропорций.

Красота и строгость числовых соотношений – 3:1, 9:3:3:1, выявленные на горохе, возможность делать предсказания о поведении гибридов и характере расщепления во втором и третьем поколении, гармония, в которую удалось уложить хаос фактов – все это убеждало Г. Менделя в своей правоте, в том, что найденные им законы имеют всеобщий характер. Оставалось убедить других. Это всегда оказывается самым трудным, как в науке, так и в искусстве.

Переоткрытие работы Менделя в 1900 году ограничилось самой статьей, но смысл и глубина его законов не были поняты сразу полностью ни одним переоткрывателем. Переоткрытие состоялось в 1900 г.: сразу три исследователя Гуго де Фриз (Голландия), Карл Корренс (Германия) и Эрих Чермак (Австрия), работая независимо друг от друга, в исследованиях на растениях открыли закономерности расщепления гибридов — законы наследственности, которые были описаны Г.Менделем в его труде «Эксперименты по гибридизации растений» на 35 лет раньше. 1900 год принято считать официальным рождением генетики.

Современники его не поняли. Дарвин умер, так и не узнав, что уже сделано открытие, выводящее его учение из логического противоречия, известного под названием «кошмар Дженкина» о том, что любые приобретенные с помощью естественного отбора новые признаки, по представлениям того времени, должны были растворяться, теряться при скрещивании в череде поколений. Менделизм, в котором многие видели сначала «подкоп» под дарвинизм, на самом деле его обновил и подтвердил. Сфоримированные в ходе эволюции новые наследственные зачатки не пропадают зря, а даже в скрытом, не проявленном в виде признака состоянии, они готовы дождаться своего часа, чтобы сыграть свою роль в эволюции.

Прошло только четыре года после публикации в Брюнне (ныне Брно, Чехия) трудов общества естествоиспытателей со статьей Г.Менделя. В 1869 г. выходит в свет монография немецкого палеонтолога В.Ваагена (1841 – 1900) «Формообразование у Аmmonites subradiatus». Рассматривая возникновение новых форм аммонитов в юрских отложениях, Вааген вводит в науку новое понятие – «мутация». Мутация Ваагена обозначает скачкообразный переход от одной систематической формы к другой, это как бы резкое изменение во времени.

Однако главной теоретической находкой Ваагена было выделение в филогенезе «единичного филетического признака». На палеонтологическом материале, считал Вааген можно проследить как бы движение этого «единичной признака» во времени.

В начале 1884 г. после тяжёлой болезни умирает в монастыре в Брюнне прелат Грегор Мендель, давно отошедший от науки и занявшийся общественно-политической деятельностью. Он умирает, не дождавшись признания своего открытия, а через несколько месяцев после его смерти в Мюнхене выходит в свет книга К.Нэгели (1817—1891) «Механико-физиологическая теория эволюции», в которой проводятся мысли, как ныне считают историки науки, навеянные многочисленными, для тогдашнего неторопливого времени привычно обстоятельными, многостраничными письмами Г.Менделя с изложением результатов его опытов: «Каждый видимый признак находится в идиоплазме в виде задатка; имеется поэтому столько же родов идиоплазмы, сколько бывает комбинаций признаков».

В этом высказывании важно то, что речь идёт о наследственных задатках как представителях отдельных признаков особи, а не клеток, органов или частей тела, как широко принималось в то время большинством исследователей (в том числе Ч.Дарвином и А.Вейсманом). Большинством, но не всеми.

Таким образом, хотя работа Г.Менделя и осталась похороненной в нескольких сотнях экземпляров трудов любительского общества Брюнна, но обусловленное ею движение биологической мысли, которое было начато трудами О.Сажре и К.Найта, непрерывно продолжалось.

В.Флемминг и Э. ван Бенеден составили описание редукционного деления (1887). Вейсман (A. Weismann) постулировал, что периодическое увеличение числа хромосом должно наблюдаться у всех организмов, имеющих пол. Идея Вейсмана «Ядерная теория наследственности» включала следующие положения:
  1. ядерное вещество контролирует формирование и функционирование всех клеток. При митозе оно делится пополам, давая эквивалентные продукты;
  1. перед оплодотворением яйцеклетки теряют половину своего вещества во втором редукционном тельце и оно может быть возмещено только ядерным веществом спермы;
  1. половое размножение основано на слиянии двух ядер в каждом поколении. Поскольку число хромосом и количество ядерного вещества не могут удваиваться в каждом поколении без соответствующей компенсации, то количество ядерного вещества должно быть вдвое меньшим как в мужской, так и в женской половых клетках (здесь Вейсман предсказал редукционное деление, которое тогда ещё не было известно);
  1. между ядерным веществом яйцеклетки и спермы нет существенных генетических различий.

А.Вейсман также установил, что наследственные факторы сосредоточены в хромосомах.

Половое размножение — способ сохранения и закрепления индивидуальной изменчивости, благодаря которому поставляется материал для естественного отбора.

Гуго де Фриз окончательно ввёл термин «мутация» и дал его определение. Суть мутационной теории де Фриза сводится к следующим положениям:
  • мутация возникает дискретно, без переходов;
  • новые формы константны;
  • мутация является качественным изменением;
  • мутации разнонаправлены (полезные и вредные);
  • выявляемость мутаций зависит от размеров выборки изучаемых организмов;
  • одни и те же мутации могут возникать повторно, т.е. гены способны мутировать, мутационные варианты — аллели.

После того как законы Г.Менделя были вновь открыты в 1900 г. и на протяжении следующих нескольких лет формулируются основы той науки, которую сегодня мы называем генетикой. Но пока, до 1906 г., когда с лёгкой руки В.Бэтсона появилось слово «генетика», — это ещё не самостоятельная дисциплина, а ветвь экспериментальной биологии, имеющая дело с изучением наследственной изменчивости.

В те годы в генетике распространяется новая терминология, новые точки зрения и начинают развиваться новые, всё дальше уходящие от классических направления исследований. Основу их заложил знаменитый датский генетик В.Иоганнсен, опубликовав в 1909 г. свою книгу «Элементы точного учения о наследственности», в которой в науку вводятся давно ожидаемые термины «ген», «генотип», «фенотип», «аллель».

Ген, по Иоганнсену, реально существующая, независимая, комбинирующаяся и расщепляющаяся при скрещиваниях единица наследственности, самостоятельно наследующийся наследственный фактор; их совокупность составляет генотип. Фенотип — совокупность всех внешних и внутренних признаков, «он является выражением очень сложных взаимоотношений». Аллели — формы состояния гена, вызывающие фенотипические различия, локализованы на гомологичных участках парных хромосом.

Другой важный этап для нашего понимания природы материала наследственности начался с работы Фридриха Мишера, который в 1869 году открыл нуклеиновые кислоты. Как и следовало ожидать, как и на работу Грегора Менделя, в то время никто не обратил ни малейшего внимания на это открытие. Тогда не работала гигантская машина прессы, которая сегодня извещает мир даже о самом незначительном событии при анализе явлений природы. И сто лет спустя, в 1969 году, никто особо не праздновал дату важного открытия — момента обнаружения