Эдвард Стил - Что, если Ламарк прав? Иммуногенетика и эволюция

Рис. 1.4. Увеличение разнообразия форм жизни на Земле в ходе эволюции. Новейшие филогенетические древа, включающие основные клеточные формы жизни — экстремофилы, или археи, истинные бактерии (прока-риоты) и высшие клетки с окруженным мембраной ядром (эукариоты) — можно найти в книгах Вез (Woese, 1994) и Мадигана и Марса (Madigan, Marrs, 1997). По современным оценкам самая ранняя клеточная форма возникла примерно 3,9 млрд. лет назад (Holland, 1997). Фред Хойли и Чандра Викрамасинх (Hoyle, Wickramasinghe. «Our Place in the Cosmos») приводят убедительные свидетельства того, что многие тела Солнечной системы, особенно кометы, а также планеты с органической атмосферой (аммиак, метан) изобилуют клеточными формами жизни. Таким образом, ранняя химическая эволюция могла происходить не на Земле. Более того, свидетельства, представленные Хойли и Викрамасинхом, наводят на мысль, что за последние 4 млрд. лет Земля много раз заражалась клеточными или вирусными генетическими системами, возможно, во время прохода нашей Солнечной системы через плотные молекулярные облака Млечного Пути.

Именно на этом историческом фоне мы хотим обосновать необходимость использования идей Ламарка о вызванных средой быстрых генетических изменениях и обратной связи между сомой и зародышевой плазмой для объяснения процессов, происходящих в иммунной системе позвоночных. Современные данные, по нашему мнению, вполне согласуются с ламаркистскими представлениями о наследовании приобретенных признаков.

В 1979 г. Тед Стил высказал эту идею в книге Somatic Selection and Adaptive Evolution (Соматический отбор и эволюция). Книга вызвала бурную дискуссию. Одни называли такие взгляды хулиганством и еретичеством, другие полагали, что они знаменуют начало новой главы биологии. Боб Бландэн (Blanden) был среди тех, кто с энтузиазмом воспринял идею о том, что ламар-ковские механизмы работают — по крайней мере в иммунной системе. Тесное плодотворное сотрудничество Теда Стила и Боба Бландэна не только помогло им выдержать бурные научные споры конца 1970-х—начала 1980-х годов, оно внесло большой вклад в развитие аргументов, поддерживающих гипотезу о ламаркистском наследовании в иммунной системе. Наш взгляд на эту проблему можно сформулировать так: «если наследование приобретенных признаков в иммунной системе не является истинным фактом, то единственная альтернатива этому — существование разумного манипулятора генами, т. е. признание «божественного вмешательства».

Теперь оставим историю и займемся анализом существующих молекулярных и генетических данных, которые привели нас к гипотезе о том, что в иммунной системе позвоночных действуют ламарковские механизмы.

Гл. 2 мы начинаем с элементарного описания генов и основного закона молекулярной и клеточной биологии о движении генетической информации в живых системах, т. е. с центральной догмы молекулярной биологии. Некоторые основные понятия (ДНК, РНК, основания A, G, С и T/U, белки) уже даны в табл. 1.2. В гл. 2 мы вкратце изложим современную точку зрения на ранние этапы эволюции. По-видимому, первой информационной молекулой, способной к дарвиновской эволюции, была РНК. Но, как ни парадоксально, первичный генетический материал во всех клетках и у многих вирусов — это ДНК. Почему?

В гл. 3, 4 и 5 мы обсудим дарвиновский процесс «выживания наиболее приспособленных», который идет в популяциях белых кровяных клеток (лимфоцитах), когда иммунная система борется с инфекционным агентом. (В нашу эпоху СПИДа тысячи биологов занимаются исследованием молекул и клеток иммунной системы млекопитающих.) В гл. 5 мы изложим современную точку зрения на молекулярные процессы, протекающие в иммунной системе, и подчеркнем, что идеи Дарвина и Ламарка взаимно дополняют друг друга.

Гл. 6 ключевая в нашей книге. Именно в ней мы пытаемся обосновать нашу гипотезу о проницаемости барьера Вейсмана за эволюционное время, по крайней мере для V-генов иммунной системы. Центральная информационная молекула в этой «драме» уже не стабильная двухцепочечная ДНК (в которой последовательностями нуклеотидов А, G, С и Т записана генетическая информация), а сравнительно нестабильная молекула-посредник РНК.

В гл. 7 мы исследуем интересные факты наследования некоторых анатомических структур человека и животных. Приводятся данные о том, что самцы грызунов с индуцированными диабетом и другими эндокринными нарушениями часто передают i свои измененные свойства потомкам. В этой главе мы также рассмотрим свидетельства за и против существования обратной связи сомы и зародышевой линии для других органов и тканей. Это то же самое, что обсуждать, имеет ли дарвиновская теория пангенезиса всеобщее значение. Мы выдвигаем на первый план проблемы, решение которых чрезвычайно важно для современной молекулярной генетики.

Наконец, в эпилоге мы подробно, хотя и умозрительно, обсудим некоторые более широкие приложения идей Ламарка. Например, мы рассмотрим их значение для генетической инженерии, включающей соматическую генотерапию, и концепцию «генетической ответственности». Мы также воспользуемся возможностью ответить на критику нашей теории.

Цель данной главы — рассказать об основных открытиях и идеях молекулярной генетики, на наших глазах превративших эту область биологии в самостоятельную научную дисциплину. В отличие от многих других явлений окружающего нас мира, описанных палеонтологами, антропологами и натуралистами, объекты современной молекулярной и клеточной биологии невидимы. Их приходится упорно «вычесывать» из микроскопической среды замысловатыми экспериментами, используя методы биохимии и молекулярной биологии. От этого задача «пересказа истории исследований» для широкого круга читателей представляется устрашающе сложной. Для ее решения мы используем большое количество рисунков и схем. Их в нашей книге больше, чем в других популярных изданиях.

Большая часть наших знаний в области молекулярной генетики получена за последние 45 лет. Хронология наиболее важных достижений и открытий этого времени приведена в табл. 2.1.

Мы должны предупредить, что будем говорить об очень сложных процессах обмена информацией в живых клетках, протекающих в пространстве, измеряемом микронами (микрон — одна миллионная метра). Сами клетки можно увидеть в обычном световом микроскопе (увеличение примерно от 100 до 600). Если всю ДНК, содержащуюся в 46 хромосомах человека, сложить конец к концу, получится нить длиной несколько метров. В этой длинной нити ДНК содержится огромное количество генетической информации, и, несмотря на это, она сложена и умещена в крошечном пространстве клеточного ядра диаметром всего в несколько микрон. Мы не будем останавливаться подробно на сложных правилах, по которым клетка работает с такими гигантскими полимерами (т. е. хромосомами) и копирует (реплицирует) их. Достаточно только сказать, что процесс репликации хромосом и деления клетки — митоз — протекает за 5—20 ч. в зависимости от типа клеток. (В результате митоза образуются две дочерние клетки, являющиеся точными копиями родительской.)