Новый толчок, обусловленный биологическим учением о наследственности (генетикой)

Со времени повторного открытия законов Менделя (1865), сделанного ботаниками Корренсом (Correns), де Фризом (de Vries) и Чермаком (Tschermak) в 1900 году, биология обогатилась опытом развития научной генетики. Благодаря точности экспериментальных методов, безусловной убедительности результатов, единодушному и интенсивному характеру исследовательских усилий генетика выросла до уровня одной из самых замечательных наук нашего времени. После того как она стала известна психопатологам, все их предшествующие воззрения на наследственность человека подверглись радикальному пересмотру. Выяснилось, почему собственные исследования психопатологов так долго не приносили осязаемых результатов: ведь они никак не могли выйти из круга неопределенных обобщений. Стало ясно, что о реально изученных правилах и законах наследственности можно говорить только в применении к ботанике и зоологии и что почти любые относящиеся к наследственности теории и фундаментальные понятия могут иметь ценность только при условии, что они будут основываться на исследованиях, уже осуществленных в названных областях. Поскольку речь идет об антропологии и, в частности, о психопатологии, задача состоит в том,

чтобы применить к нашей области уже устоявшиеся общие представления и оценить степень их пригодности для наших целей. Следовательно, нам нужно вкратце, схематически рассмотреть некоторые понятия биологической генетики.

(а) Вариационная статистика. На первый взгляд разнообразие живых организмов бесконечно и хаотично. Но, как ни удивительно, впечатление хаотичности исчезает, когда мы осуществляем произвольный отбор некоторого числа особей того или иного вида («популяции»), избираем для наблюдения определенный внешний признак (например, рост лиц, призываемых в армию), а затем подсчитываем количество особей, принадлежащих к группам, занимающим различное положение на шкале признаков (таких, как рост или, скажем, пигментация кожи, число зубов, пятен и т. п.). Графические данные по всем этим группам предстают в виде регулярной кривой (кривой распределения изменчивости, Variabilitдtskurve), на которой числовые показатели уменьшаются по обе стороны от средней величины для каждого из исследуемых признаков. Эта кривая распределения изменчивости представляет собой тот масштаб, на основании которого мы можем выявить и оценить изменения, относящиеся к интересующему нас признаку, затронувшие популяцию в целом и возникшие под влиянием таких внешних факторов, как условия жизни, климат, питание и т. д.

Отобрав особей, наделенных признаком, в селекции которого мы почему-либо заинтересованы, и продолжая селекцию только на основе избранного материала, мы изменяем кривую распределения данного признака. Прежде считалось, будто подобным образом можно добиться преобразования исходной формы в нечто совершенно иное (искусственный или естественный отбор в борьбе за существование). В то же время было экспериментально доказано, что отбор, осуществляемый на основе одной только «чистой линии», неэффективен. Под «чистой линией», в противоположность популяции, понимается масса организмов, размножающихся самооплодотворением; именно такой тип размножения характерен для растений-гермафродитов (например, бобовых), так что «генеалогия» всех представителей чистой линии может быть прослежена вплоть до единственного исходного родительского организма. Все представители чистой линии выказывают одну и ту же кривую распределения, совпадающую с кривой, характеризующей первоначальное состояние популяции. При отборе же крайних образцов выясняется, что их потомство не обнаруживает сдвига в сторону искомых признаков и в точности повторяет кривую, характерную для родительских поколений. Таким образом, с момента выделения крайних чистых линий отбор внутри популяции перестает быть эффективным. Можно сделать вывод, что популяция — это смешение множества чистых линий. Данный метод отбора позволяет выделять чистые линии, но не выводить новые формы.

(б) Генотип и фенотип. Все это подводит нас к принципиально важному различению фенотипа — совокупности признаков, характеризующих данную особь, — и генотипа — совокупности признаков, полученных особью в наследство от своих предков. В чистой линии все особи обладают одним и тем же генотипом, но по своему облику (фенотипу) они различны. Различия обусловлены воздействием условий жизни, которые для различных особей не одинаковы и существенным образом влияют на конкретный способ проявления присущего им генотипа. В условиях неизменного генотипа внешние различия между особями исчезают в наследующем данный генотип потомстве. В пределах чистой линии даже крайние формы обладают одинаковым генотипом.

В отличие от чистых линий популяции характеризуются не только фенотипической, но и генотипической изменчивостью. Соответственно, осуществляя в пределах популяции отбор крайних фенотипов, можно надеяться на то, что в отобранном множестве будут представлены разные генотипы; в этом случае специфически измененная конфигурация признаков сохранится и у потомства.

Две особи одной и той же популяции могут выглядеть одинаково при различной наследственности (то есть занимать место в точке пересечения кривых распределения изменчивости для двух различных чистых линий). С другой стороны, две особи одной и той же популяции могут обладать одним и тем же наследственным материалом, но существенно различаться по своим внешним признакам (то есть занимать различные позиции на кривой распределения изменчивости для одной и той же чистой линии).

В применении к качественным признакам ситуация кажется простой и ясной: между растениями гороха с зелеными и желтыми горошинами или Mirabilis jalapa с белыми и красными цветками не существует никаких промежуточных форм. Что же касается количественных признаков — таких, как ширина и длина листьев или вес зерен у растений, рост у человека и т. п., — то здесь картина иная, ибо мера определенности таких признаков может быть выявлена только на основании методов вариационной статистики.

(в) Законы Менделя. Мендель не знал более поздних открытий Йохансена (Johannsen), связанных с чистыми линиями и популяциями, генотипом и фенотипом. Тем не менее в своих опытах по генетике он сумел добиться успеха — прежде всего благодаря тому, что использовал растения с простыми качественными различиями, сохранявшими свое постоянство на протяжении многих поколений (например, растения гороха с зелеными и желтыми семенами).

Опыты Менделя заключались в гибридизации (бастардизации) организмов, качественные различия между которыми не вызывали никаких сомнений, и в наблюдениях за воспроизводимыми без дальнейшей гибридизации носителями идентичных признаков в потомстве. Следовательно, открытые Менделем законы относятся к событиям, наступающим вслед за гибридизацией двух генотипически различных организмов.

В первом поколении один из альтернативных признаков «доминирует» над другим — например, все растения имеют желтые горошины. По отношению к доминантному желтому зеленый цвет является рецессивным. Но рецессивный признак не угасает, а продолжает существовать в наследственной субстанции — ибо во втором поколении, полученном в результате самооплодотворения или скрещивания линий, происходящих от одного и того же родительского растения, наступает разделение признаков: четверть потомства имеет только зеленые семена и, в свою очередь, дает начало только растениям с зелеными семенами, тогда как вторая четверть имеет только желтые семена и дает начало потомству с желтыми семенами; что касается двух остальных четвертей, то они также имеют желтые семена, но в первом же поколении их потомства снова наступает расщепление, в результате которого четверть потомства оказывается окончательно зеленой, вторая четверть — окончательно желтой, еще у двух четвертей желтый выступает в качестве доминанты и т. д.

Обозначив носитель наследственности в генотипе термином «ген», мы можем объяснить числовые данные Менделя с помощью следующего постулата: от каждого родителя к потомку переходит по одному гену, в результате чего потомок обладает двумя генами для каждого признака. Эти два гена непременно вновь отделяются друг от друга в процессе формирования у гибрида («бастарда») новой половой клетки; соответственно, каждой вновь образовавшейся половой клетке достается только один из двух генов пары. Числовые отношения, рассчитанные для случайных комбинаций половых клеток, идентичны тем, которые Мендель выявил экспериментально (в пределах ошибки, допустимой для такого распределения). В настоящее время этот постулат считается доказанным.

Любая особь определяется совокупным воздействием очень большого числа дискретных носителей наследственности. Необходимо было ответить на вопрос, каким образом несколько пар генов (в простейшем случае — две пары) ведут себя по отношению друг к другу при скрещивании. Ответ Менделя гласит: гены, входящие в разные пары, расщепляются и сочетаются независимо друг от друга. Поэтому за бесконечным множеством характеризующих особь признаков нужно было уловить те единицы, которые выступают в качестве носителей ее наследственности. Законы наследственности могут быть установлены только в связи с этими носителями (генами), передаваемыми независимо друг от друга.

Законы, управляющие распределением сочетаний наследственной субстанции при гибридизации, должны действовать и в условиях отсутствия явной доминантности. Корренс обнаружил, что в первом поколении возможно «промежуточное» поведение двух взаимосвязанных признаков, что указывает на возможность «смешанной» наследственности. Так, после скрещивания Mirabilis jalapa с белыми и красными цветками у представителей первого поколения обнаружились розовые цветки. Но и в данном случае четверть потомства имела окончательно красные, а другая четверть — окончательно белые цветки, тогда как свойственный половине потомства признак «розовости» в последующих поколениях вновь расщеплялся. Это доказывает, что гены могут характеризоваться различной мерой «действенности» (проникающей способности, пенетрантности). При сочетании генов с сильной и слабой пенетрантностью в первом поколении реализуется доминантно-рецессивная связь, тогда как при сочетании генов с одинаковой пенетрантностью возникают промежуточные состояния, оставляющие впечатление «смешанной» наследственности.

Признаки, исследуемые экспериментальной генетикой, всегда характеризуются парностью. Фенотипически проявляется либо один из двух альтернативных признаков, либо признак, занимающий промежуточное положение между двумя крайностями. Но эта простая связь выглядит необычайно сложной, поскольку простым признакам не обязательно должны соответствовать простые гены. Признаки могут обусловливаться различными сочетаниями пар генов (аллеломорфия); отдельные гены могут находить свое проявление в виде нескольких признаков (полифения); возможна и обратная ситуация, когда один и тот же признак ведет свое происхождение от разных генов (полимерия). Вкратце рассмотрим эти понятия.

Если проявление некоторого признака связано с парой генов (например, гена красного цветка и гена белого цветка), мы говорим о паре аллеломорфов (аллелей). В каждом отдельно взятом организме возможно сочетание только двух аллелей; но общее число аллелей у различных организмов может быть значительно больше двух. На практике, прорабатывая ряд генов в пределах целой популяции, мы обнаруживаем значительное число отклоняющихся форм, любые две из которых в любой момент могут быть объединены для эксперимента. В подобных случаях мы говорим о множественной аллельности. Действие множественных аллелей часто различается по количественным показателям, что проявляется в ступенчатом характере многих признаков. Данное обстоятельство может существенным образом увеличить меру изменчивости в пределах смешанной расы. Наконец, один и тот же ген может воздействовать более чем на один признак. Так, использованный Менделем ген красной окраски цветка оказался ответствен также за пигментированное пятно на оси листа. Подобного рода гены получили название полифенических. Возможна и противоположная ситуация: когда один и тот же признак оказывается под воздействием не одной, а нескольких или даже многих пар генов. Это явление называется полимерией. При полимерии — особенно если действие генов выказывает количественные различия — расщепление в потомстве не обязательно выражается в ясных числовых отношениях. Факт существования полимерных наследственных конституций может быть выведен только на основании возрастающей степени изменчивости соответствующих признаков в потомстве. Благодаря всем этим открытиям, которым мы обязаны новой науке генетике, можно понять, почему в очень многих конкретных случаях отношения выглядят до такой степени запутанными.

(г) Наследственная субстанция содержится в клетках. В свое время Август Вейсман высказал предположение, что хромосомы в ядре являются носителями наследственности и что сложные события, имеющие место при образовании в результате редукционного деления (мейоза) половых клеток с половинным набором хромосом, а затем и при копуляции яйцеклетки и сперматозоида (приводящей к возникновению новой, зародышевой клетки с полным набором хромосом), имеют какое-то отношение к наследственности. Но это предположение удалось неопровержимо доказать лишь в нашу эпоху. Бейтсон (Bateson) и Паннетт (Punnett), а также Морган (Morgan) открыли законы связывания признаков, представляющие собой отклонение от менделевского принципа независимости признаков при их комбинировании. Благодаря этому открытию удалось обнаружить связи между генами организма и осуществить распределение генов по группам. Выяснилось, что число групп совпадает с числом хромосом в некоторых легко поддающихся анализу объектах (таких, как кукуруза или мушка-дрозофила). Это открытие вместе с цитологическими данными, относящимися к структуре и поведению хромосом, позволило разработать теорию линейного расположения генов в хромосомах. Из некогда гипотетической наследственной единицы, представление о которой было выработано в процессе опытов по гибридизации, ген превратился в соматически локализуемый факт; благодаря картированию порядка генов в хромосомах его даже удалось, условно говоря, «увидеть». В корпускулярном характере гена убеждает и то, что в него можно «попасть» рентгеновским лучом.

Замечательное в своем роде единство биологической генетики обусловлено взаимосвязанностью единиц наследственной регуляции (наследственных единиц) и единиц, составляющих структуру хромосом (генов), а также взаимной согласованностью результатов, полученных в области цитогенетики (открытие митоза, мейоза и т. д.) и в области экспериментальной селекции. То, что было выявлено в опытах с наследственностью, в дальнейшем удалось повторно обнаружить и осмыслить благодаря цитологическим исследованиям. Приведем примеры.:

Жизнь, воспроизводимая половым путем, восходит к двум родителям и, соответственно, наделена парным набором хромосом (по одной хромосоме каждой пары от каждого из родителей). Объединенные в группу пары хромосом (число их варьирует у разных видов) образуют единство генома. Геном — это совокупность всех генов данного организма.

Когда хромосомы по какому-либо конкретному признаку гомозиготны (то есть когда в их состав входят гены одного и того же типа), видимое менделевское расщепление не может возникнуть даже в том случае, если соответствующие гены обмениваются между хромосомами в процессе воспроизведения. Если же хромосомы гетерозиготны (то есть если в их состав входят разные гены), менделевское расщепление должно проявиться в потомстве из-за рекомбинации, имеющей место при любом половом процессе.

Различие между доминантным и рецессивным модусом наследования зависит от сочетания хромосом в паре. Рецессивный ген проявляется только при условии, что он наличествует в обеих хромосомах соответствующей пары, то есть переходит к потомству от обоих родителей (этим и объясняется высокая частота рецессивных проявлений у потомства, происходящего от родственных браков).

Особенно важна связь между поведением хромосом и модусом наследования половых признаков. У многих организмов пара хромосом, несущих гены, которые определяют пол, морфологически дифференцирована; одна из входящих в эту пару хромосом обозначается как Х-хромосома, другая же — как Y-хромосома. Так, у самки дрозофилы соответствующая пара состоит из двух X-хромосом, тогда как у самца дрозофилы — из Х-хромосомы и Y-хромосомы. Все яйцеклетки содержат только Х-хромосомы; что же касается сперматозоидов, то половина их несет Х-хромосомы, тогда как другая половина — Y-хромосомы. В итоге, после оплодотворения 50 % особей оказываются носителями пары XX, то есть самками, а вторые 50 % — носителями пары XY, то есть самцами. Гены, содержащиеся в хромосомах X и Y, должны иметь отношение к полу потомства, что удалось доказать на большом числе случаев.

Упомянем также, что в настоящее время кое-что известно и о носителях наследственности, локализующихся вне клеточного ядра, в плазме; но эти сведения пока не удается соотнести с данными из области генетики человека.

(д) Мутации. Если бы все наши единицы наследственности (гены) характеризовались незыблемым постоянством, всякая наследственность представляла бы собой бесконечные вариации одного и того же, образующиеся в результате механических, бесконечно разнообразных, но неплодотворных сочетаний. Отбор продуцировал бы не новые формы, а лишь колебания в рамках чистых линий. Но в действительности жизнь воспроизводится в постоянно обновляющихся формах. Новый феномен — например, первое появление в семье такой болезни, которая затем передается по наследству, — объясняется «мутацией» (термин де Фриза). Время от времени новые признаки возникают без каких-либо переходов; они обнаруживаются вдали от кривых распределения изменчивости, отражающих наследственность организма. Согласно хромосомной теории, эти новые признаки должны быть выведены из гена, возникшего — или, лучше сказать, подвергшегося изменению — в определенной точке хромосомы. В одних случаях момент мутации удается установить в итоге исторического исследования; в других случаях мутацию можно наблюдать в эксперименте. Основываясь на наблюдениях за рядом поколений и владея информацией об очень большом числе генов в организме (например, организме кукурузы или дрозофилы), мы можем выявить степень подверженности отдельных генов изменениям, то есть измерить частоту мутаций. Существуют гены, мутирующие очень редко или не мутирующие вообще; но есть и такие гены, которые мутируют достаточно часто. Спонтанная частота мутаций может существенно повышаться под воздействием внешних факторов (например, крайне высоких или крайне низких температур, коротковолнового облучения). В большинстве своем мутации — это болезненные изменения, снижающие жизнеспособность организма и быстро исчезающие вследствие естественного отбора. Но существуют и отклонения положительного характера; если с течением времени их распространенность возрастает, это способно привести к изменениям, затрагивающим вид в целом.

(е) Критические ограничения. При всей убедительности описанных здесь грандиозных открытий мы должны отдавать себе отчет в том, что они предполагают известные ограничения.

Фундаментальная наследственная субстанция в каждый отдельно взятый момент времени представляет собой реализацию структурного плана данного биологического вида, повторение той базовой структуры, которая составляет данную, и именно данную форму жизни. Наука о наследственности экспериментально исследует только легкие модификации, как бы поверхностную рябь, но не глубинное событие, порождающее соответствующую базовую структуру.

Менделизм не обладает знанием о тех событиях, которые происходят в самых последних глубинах наследственности в целом. Его интересы ограничены альтернативными признаками, их наличием или отсутствием в фенотипе (красные или белые — бесцветные — цветки, наличие или отсутствие болезни), причем признаки эти таковы, что их отсутствие в фенотипе не приводит к роковым для организма последствиям. Нельзя исследовать единицы наследственности, отсутствие которых отрицает саму возможность жизни.

Биологическая генетика ограничена единицами наследственности, которые могут быть выделены и определены. Она умеет анализировать, но не способна постичь феномен наследственности во всей его целостности.

(ж) Резюме важнейших фундаментальных понятий. Памятуя о том, что в психопатологии не следует доверять слишком простым объяснениям, мы вынуждены удовлетвориться самыми приблизительными догадками о сути таких сложнейших феноменов, как наследственность, изменчивость и мутации. Из всех биологических открытий для нас наиболее важны следующие: 1) хромосомы (носители наследственной субстанции) могут заключать в себе признаки, которые не обязательно проявляются в фенотипе особи (так, давно известно, что индивид может быть переносчиком наследственной болезни, не будучи болен ею сам); 2) при естественном взаимодействии человеческих популяций возникает множество гетерозиготных особей с менделевской наследственностью, в результате чего потомки одних и тех же родителей не обязательно бывают в точности похожи друг на друга; сплошь и рядом в них проявляются противоположные, контрастные признаки, которые впоследствии сохраняются в их потомстве. Следовательно, нам нужно всегда иметь в виду потенциальную степень сложности и неясности каждого отдельного случая — в особенности если отдельно взятый признак наследуется полимерически, то есть под комбинированным воздействием большого числа взаимно независимых генов, 3) наконец, самое важное — это теория единиц наследственности, согласно которой наследственность распределяется по хромосомам в определенном порядке и в виде отдельных, доступных выделению единиц.

Применение биологической науки о наследственности к человеку сопряжено с большими трудностями. Человек как таковой — это не тот объект, на котором можно изучать биологические законы наследственности. Биолог отбирает исследовательский материал, имея в виду необходимость максимально облегчить свою задачу: поколения должны следовать друг за другом быстро, потомство должно быть многочисленным, хромосом должно быть по возможности мало. Только при этих условиях толкование фактов дается относительно легко. У людей же скорость смены поколений настолько низка, что научно корректное наблюдение за несколькими поколениями подряд невозможно. Потомство человека крайне малочисленно, а число хромосом необычайно велико. Кроме того, с человеком нельзя проводить планомерные опыты по селекции; предметом анализа могут быть разве что случайные ряды данных, непредсказуемо обнаруживаемых по ходу наблюдений. Вместо биологических экспериментов по скрещиванию мы вынуждены обращаться к абстракциям из области массовой статистики.

Все эти соображения, конечно, не направлены против исследований по наследственности человека; они лишь призваны помочь постижению ее смысла. Наша задача состоит не в раскрытии законов наследственности, а в выяснении того, насколько законы биологии могут вновь обнаруживаться в человеке. Исследуя наследственность человека, мы имеем дело прежде всего именно с человеком, а не с наследственностью как таковой.

Если в связи с человеком мы чего-то не знаем, биологическая генетика может указать нам некоторые возможные пути. Рассматривая карту расположения генов в хромосомах дрозофилы, мы понимаем, что нам следует выяснить расположение генов в зародышах всех разновидностей живых организмов, а также все многообразие взаимосвязей этих генов. Анатомия и гистология занимаются познанием структуры тела, физиология — структурой функций, исследования эндокринной системы — структурой взаимодействия гормонов; аналогично, исследования наследственности направлены на познание структуры наследственной предрасположенности. Но если анатомически ни один живой организм не исследован лучше человека, то в том, что касается исследований по локализации генов в хромосомах, человек вынужден уступить первенство дрозофиле, которая изучена значительно лучше. Если говорить о строении человеческого тела, о его функциях, о бесчисленных, поистине удивительных тонкостях его наследственности, то теоретически мы знаем, что эта наследственность определяется взаимным расположением генов, которое в настоящий момент для нас непостижимо. Перед лицом этого чуда мы должны воздержаться от окончательных и поспешных выводов.

Дата добавления: 2015-09-03