Ускорители элементарных частиц, магнитные ловушки для плазмы, мазеры и лазеры, вычислительные машины – всё это изобретения, широко используемые в научных изысканиях. Многие из них (но не все) были разработаны специально для нужд науки. Именно о таких изобретениях я сейчас расскажу.
В принципе, тут всё прозрачно, кроме одной вещи. В первоначальном плане книги этот раздел включал в себя главу об ионизаторах воздуха и о работе Александра Чижевского. Подробнее изучив вопрос, я пришёл к выводу, что ионизация воздуха в гигиенических целях – процедура более чем сомнительной научности. Исследования показывают, что влияние ионизированного воздуха на здоровье человека или отсутствует вовсе, или сравнимо с эффектом плацебо. Так что люстру Чижевского я из книги всё-таки исключил.
Добро пожаловать в научное изобретательство!
Глава 9. История рафанобрассики
Гибриды, то есть организмы, полученные скрещиванием различных видов, известны давно – хотя бы потому, что межвидовые отношения широко распространены в дикой природе. Например, самые ранние останки «волкособов», то есть гибридов волков и одомашненных собак, найденные в Северной Америке, насчитывают до 10 000 лет. Мифология самых разных культур пестрит различными межвидовыми гибридами – это и кентавр, и Минотавр, и гиппокампус, и сфинкс.
Робкие попытки описать наследственность и классифицировать её признаки учёные и философы – греческие, арабские, индийские – делали и в Античности, и в Средневековье. Но серьёзные научные исследования в области гибридизации в животном и растительном мире начались в первой половине XVIII века. Опыты с гибридизацией растений проводили Карл Линней, Йозеф Готлиб Кёльрёйтер, Карл Фридрих фон Гертнер и др. Кёльрёйтер с 1759 года вплоть до смерти в 1806 году провёл более 500 экспериментов со 138 видами растений и опубликовал четыре крупнейшие работы XVIII века по гибридизации. Именно он в 1763 году описал главную проблему растительных гибридов – их стерильность. Ту самую проблему, которую в 1924 году решил Георгий Дмитриевич Карпеченко.
Краткое введение в мейоз и конъюгацию
Для того чтобы рассказать об открытии Карпеченко и показать значимость его работы, я должен сперва сделать очень краткий обзор генетических тонкостей половой жизни растений (и отчасти всех живых организмов).
В первую очередь я говорю об эукариотических организмах, то есть о тех, клетки которых содержат ядра. В ядре каждой клетки находятся хромосомы – компактно упакованные с помощью специальных белков комплексы нуклеиновых кислот, содержащие наследственную информацию. Основа каждой хромосомы – это, собственно, та самая длинная спиралевидная молекула ДНК, которую так любят изображать на псевдобиологических экранных заставках. Полный набор хромосом, содержащихся в одной клетке, называется кариотипом.
Например, нормальный кариотип мужчины Homo sapiens записывается как 46, XY, а женщины – 46, XX. Это означает, что у человека в соматических (не половых) клетках по 46 (23 пары) хромосом, и из них 44 – одинаковые (аутосомы). Оставшиеся две хромосомы – это как раз пары XY и XX, которыми отличаются разнополые представители одного вида. У женщин хромосомы этой пары одинаковы (X и X), а у мужчин две оставшиеся хромосомы – непарные (X и Y). Половые клетки (гаметы) имеют одинарный (гаплоидный) набор хромосом, то есть у человека это 22+X или 22+Y. У женщин, как нетрудно догадаться, может образоваться только гамета с 22+X, а вот у мужчин – и та и другая с равной степенью вероятности. Соответственно, при слиянии сперматозоида с 22+X и яйцеклетки получается набор 44+XX (девочка), а при слиянии сперматозоида с 22+Y и яйцеклетки – 44+XY (мальчик). Если кариотип каким-то образом нарушается, то это приводит к появлению генетических заболеваний: синдрома Дауна, синдрома кошачьего крика, синдрома Патау и т. д.
Количество пар хромосом у разных видов разное. У людей, как мы уже выяснили, 23 пары. У орангутанов – 24 пары, у кошек – 19 пар, у коз – 30 пар, у индеек – 40 пар, а у мух-дрозофил всего 4 пары. Очевидно, что от количества хромосом общий уровень организации животного не зависит. У растений ситуация похожая: например, кариотип риса – 12 пар, редиса – 9 пар и т. д.
От школьного курса можно сразу перейти к гибридам. Половое размножение живых существ начинается с мейоза, при котором из одной диплоидной (с двойным набором хромосом) зародышевой клетки образуются четыре гаплоидные (с одинарным набором хромосом). Именно в процессе мейоза из 44+XY получаются наборы 22+X и 22+Y. Мейоз имеет сложную многофазную структуру, и одной из первых его стадий является слияние свободно плавающих в ядре одинаковых хромосом в те самые пары (каковых у человека 23), называемое конъюгацией.
У многоклеточных организмов мейоз является частью более сложного процесса – гаметогенеза, в ходе которого формируются специализированные половые клетки (гаметы), содержащие в себе одинарные наборы хромосом. При оплодотворении мужские и женские гаметы сливаются, образуя клетку с двойным набором хромосом.
Если оба партнёра относятся к одному виду, то после оплодотворения начинает развиваться особь того же вида, с тем же количеством хромосом – в общем, цикл повторяется. Если же партнёры относятся к разным видам, гибрид получает свойства, отличные от свойств родителей. В частности, в ядрах его клеток содержатся хромосомы разных видов. И когда гибрид пытается размножиться, эти хромосомы не могут конъюгировать! Они попросту не сливаются в пары в первой стадии мейоза, и все дальнейшие процессы не запускаются, в результате гибрид оказывается неспособным к размножению, то есть стерильным.
Кёльрёйтер и его современники всего этого знать не могли – в их времена попросту не существовало генетики. Они бились над решением вопроса, но им не хватало научной базы. Тем более что описанная схема – это лишь один из факторов так называемой биологической изоляции, препятствующей межвидовому скрещиванию. Помимо стерильности, такими факторами нередко оказываются нежизнеспособность первого же поколения гибридов, их вырождение, у растений-гибридов пыльники могут не открываться, а пыльца – не прорастать на рыльцах цветков другого растения. В общем, природа умеет защищаться от межвидовых связей.
Все гибриды, полученные Кёльрёйтером (я говорю о растительных гибридах), демонстрировали стерильность мужских особей. Гораздо позже, в 1922 году, британский биолог Джон Бёрдон Сандерсон Холдейн опубликовал знаменитую работу «Соотношение полов и стерильность одного пола у гибридных животных». В ней он сформулировал закон, ныне известный как «правило Холдейна»: «Если в потомстве межвидовых гибридов один из полов встречается реже, полностью отсутствует или стерилен, то этот пол является обычно гетерогаметным». Иначе говоря: чаще всего стерильны самцы гибридов. Правило имеет немало исключений, но в целом сохраняет своё значение и по сей день.
«Настоящая» генетика началась с великого австрийского биолога Грегора Иоганна Менделя, в середине XIX века сформулировавшего первые принципы передачи наследственных признаков. Самый знаменитый его доклад, который считается краеугольным камнем современной генетики, назывался «Опыты над растительными гибридами» и был прочитан в начале 1865 года перед Брюннским обществом естествоиспытателей. Новая наука развивалась, в начале XX века стала называться собственно «генетикой», потом открыли ДНК, разобрались в структуре хромосом – но проблема стерильности межвидовых гибридов-растений оставалась непреодолимой. Какие бы прекрасные свойства ни имел гибрид, получить следующее его поколение, имеющее те же свойства, не получалось.
