Реферат: Гольдшмидт и Хаксли: концептуальные и экспериментальные параллели
Эту главную мучительную трудность прекрасно осознавал Т.Морган, который до своих занятий генетикой уже был крупным эмбриологом и зоологом: "Если все гены действуют все время и если признаки особи определяются генами, то почему же не все клетки тела совершенно одинаковы?" (Морган, 1936, С. 218). Морган наметил следующие возможные сценарии выхода из парадокса: а) начальные стадии развития являются следствием одинакового действия всех генов в различных областях яйца; б) различные группы генов вступают в действие одна после другой, вызывая изменения в протоплазме, которые взаимодействуют с новым комплексом генов и в) вместо предположения, что все гены действуют одинаковым образом или определенные гены последовательно вступают в действие, допускается, что характер действия всех генов меняется в зависимости от протоплазмы.
Мы не случайно выделили выше одно важное положение, которое "молчаливо допускалось" как аксиома в классической генетике. Вычленение такого рода имплицитных постулатов есть одна из непременных задач истории науки. Ибо необходимо реконструировать прошлое знание во всех его контекстах. Иными словами, прочувствовать, вжиться в систему множества неявных, "молчаливо допускаемых" представлений в прошедшем периоде науки, да и в истории в целом. Здесь возникает такого рода психологическая трудность: решив задачу-головоломку, как бы снова встать перед ней в тупик.
Концепция физиологической генетики Гольдшмидта (Goldshmidt, 1938), которая возникла из проведенных еще в 1920-е гг. опытов по анализу генетики определения пола у бабочки шелкопряда Limantria dispar (Гольдшмидт, 1923), была первой экспериментально обоснованной попыткой связать генетику и физиологию развития в одно целое. В этой "смелой попытке" Светлов (1978) выделяет представление о трех фазах химической дифференциации ооплазмы в период времени между созреванием яйцеклетки и началом дробления. Первая фаза по Гольдшмидту - начало синапсиса хромосом, когда часть генов выходят из ядра и производят в цитоплазме ферментативные реакции, приводящие к возникновению формо- или органообразующих молекул. Эти молекулы распределяются по разным частям ооплазмы. Динамика количественного выхода из ядра ферментов и динамика локализации молекул-организаторов различна у разных рас и разных видов. Вторая фаза хемодифференциации начинается после оплодотворения в зиготе и затем третья в период гаструляции.
Эти исходные положения Гольдшмидта вполне соответствуют нынешним представлениям. В оплодотворенных яйцеклетках выделяют три информационные системы: 1) ДНК ядерного генома; 2) распределенные по отдельным участкам цитоплазмы информационные макромолекулы и 3) цитоскелет, регулирующий местоположение локальных молекулярных событий в цитоплазме (Рэфф, Кофмен, 1986).
П.Г.Светлов также обратил внимание на гипотезу Гольдшмидта о постепенном включении генов в действие. Гены способны долгое время находиться в инертном состоянии и активируются лишь в тот момент, когда возникает субстрат, на который они могут оказать химическое воздействие. Но самый важный пункт концепции Гольдшмита состоит, по мнению Светлова (1978, С. 208), в тезисе: "Скорости реакций, происходящих вследствие действия генов, различны и соотношение их закономерно; поэтому развитие представляет собой систему координированных скоростей реакций". Каждый ген активирует одну определенную реакцию, а активация может происходить в разные периоды онтогенеза.
Что же понимал Гольдшмидт под генами? Он имплицитно отождествлял гены с ферментами или катализаторами, а разные скорости реакций и разные количества органообразующих веществ связывал с разным количеством генов-ферментов в ооплазме яйцеклетки и затем в разных тканях и органах-мишенях. Именно это смелое предположение о варьировании количества генов-ферментов привело его к конфликту с хромосомной теорией наследственности. В 1932 г. Гольдшмидт прочитал лекцию на эту тему в США на Морской биологической станции в Вудс-Холле. Но его конструкция была принята настороженно. Сам Гольдшмидт писал: "Я никогда не мог понять, почему этот вывод, строго обоснованный экспериментальными данными, рассматривается некоторыми, как нечто опасное..." (Гольдшмидт, 1933. см.: Соколова, 1998).
Морган называл рассуждения Гольдшмидта в этой части скорее химерическими, нежели химическими (Светлов, 1978, С. 210). Ведь вывод Гольдшмидта действительно подрывал одно из основных положений хромосомной теории о равном представительстве всех генов в клетках, их жесткой связи с локусами хромосом, строгой конвариантной редупликации и невозможности их свободного количественного варьирования. Заметим, что по этой же причине 25 лет не принималась всерьез гипотеза Б.Мак-Клинток о том, что есть группа наследственных элементов, которые могут свободно передвигаться от локуса к локусу и варьировать в числе у разных индивидов и линий, и при этом активация мобильности этих элементов может происходить лишь в определенные периоды онтогенеза или лишь в определенных тканях или органах (см.: Голубовский, 2000). Такого рода оппозиционность притягивала друг к другу Мак-Клинток и Гольдшмидта (Keller, 1983, С. 154-157).
Антиномия Морган-Гольдшмит была разрешена, как это обычно бывает в истории, на новом витке развития генетики в 1940-1960-е гг. В данном контексте следует назвать такие открытия и концепции: 1) концепция Бидла и Татума "один ген - один фермент"; 2) открытие ДНК-вой природы генов хромосом и кодового информационного принципа в действии гена в цепи ДНК-РНК-белок; оказалось, что, количество генов, как правило, остается постоянным, но легко варьирует количество их информационных РНК-копий, интенсивность транскрипции РНК с определенного гена и интенсивность трансляции или интенсивность синтеза полипептида с определенного транскрипта; 3) концепция генной регуляции Жакоба и Моно, открытие особых генов-регуляторов, которые могут включать и выключать блоки генов в разные периоды онтогенеза в зависимости от потребностей клетки за счет синтеза циркулируемых через цитоплазму ДНК-связывающихся белков, способных по мере развития позитивно или негативно регулировать степень транскрипции одного или серии генов. Легко видеть, что эти открытия подтвердили смелую гипотезу Гольдшмидта о том, как гены регулируют онтогенез.
Сходство взглядов Гольдшмидта и Хаксли в замыкании триады генетика-развитие-онтогенез было принципиальным. И это важно подчеркнуть. Оба исследователя, во-первых, считали, что именно изменения хода онтогенеза в раннем эмбриональном развитии наиболее важны для появления новых форм в эволюции; во-вторых, связывали происхождение этих изменений с особыми мутациями, влияющими либо на абсолютную и относительную скорость роста, либо на количество особых морфогенетических веществ (прежде всего гормонов и молекул-морфогенов), либо на характер закономерного распределения этих веществ (каждый ген должен действовать в данном месте и в данное время); и в-третьих, оба исследователя придавали особое значение целостности онтогенеза, который происходит по определенной программе.
Уже в 1920 г. Гольдшмидт, обсуждая закономерности преобразования форм в эволюции, проанализированные в известной книге Томпсона, обратил внимание на то, что множество морфологических различий может путем простых математических законов быть связано с изменением относительного роста. Со своей стороны, в том же 1920 г. Гольдшмидт делает пророческое предположение, которое вошло в его книгу 1940 г.: "Добавим к этому, что высоко специализированный дифференциальный рост может быть инициирован образованием специфических гормонов (детерминирующих веществ) в определенное время; можно вообразить множество эволюционных процессов, которые обусловлены небольшими количественными изменениями базисных генов, приводящими к сдвигам в упорядоченных во времени координаций" (Goldschmidt, 1982, P. 311).
Эта идея была экспериментально подтверждена затем в работах и самого Гольдшмидта. И недаром Хаксли называет "прекрасным обсуждением" то, как Гольдшмидт связывал с эволюцией генетику развития (Huxley, 1944, P. 513). Хаксли замечает, что представители школы Моргана пытались преуменьшить эволюционную важность изменений генов, контролирующих рост и морфологическое строение, а также важность координации их действия в пространстве и времени.
Раздел IV своей книги Гольдшмидт назвал "Мутации, влияющие на раннее развитие" (Goldschmidt, 1982, P. 309). Он указал, что уже в своей книге, написанной в 1920-е гг. Гольдшмидт (1923) пришел к пониманию, что гены, которые контролируют развитие, действуют путем изменения относительных скоростей интегрированного процесса дифференциации. Автор обнаружил разные состояния некоторых генов и связал это с количеством генетического материала, и это привело к идее, что определенные единичные мутации могут количественно влиять на ранний эмбриональный процесс путем изменения его скорости относительно других этапов дифференциации. Если такая мутация выживает, она влечет за собой одноступенчатое значительное отклонение развития.
Вплоть до начала 1930-х гг. Гольдшмидт полагал, что эволюция происходит главным образом путем накопления микромутаций, и что кроме этого возможны мутации, которые влияют на ранее эмбриональное развитие и вызывают большие эволюционные изменения. Как пишет Гольдшмидт: "Эта моя точка зрения была принята другими исследователями и усилена в работах Холдейна (Haldane, 1932), Хаксли (Haxley, 1932) и в особенности де Бира (Beer de, 1930), который детально разработал проблему" (Goldschmidt, 1982, P. 311). Но уже в 1932-1933 гг., обдумывая результаты своих исследований по географической изменчивости шелкопряда, Гольдшмидт сделал резкое разграничение между микро- и макроэволюцией, связав последнюю с действием особых "системных мутаций", меняющих ход эмбрионального развития.
