Марина Бирюкова

Уважаемый мистер Дарвин,

Пишу Вам, дабы выразить свое восхищение Вашим произведением «Происхождение видов», которое, безусловно, является знаковым в истории науки и до сих пор (а мое письмо, между прочим, летит к Вам из 2012 года от Рождества Христова) вызывает бурные дискуссии среди ученых всего мира, как, впрочем, и остальные результаты Ваших научных изысканий. Но Вы, конечно же, понимаете, что спустя век с лишним после Вашей смерти мир изменился. Посему в этом письме я хотела бы также описать настоящее положение дел и тем самым постараться показать Вам, последствия каких наиболее вероятных процессов Вы наблюдали. В частности, мне хотелось бы сделать комментарий к главе о вариациях при доместикации в свете тех знаний, которыми я располагаю.

О природе наследственности изменчивости.

За время Вашего отсутствия было совершено множество потрясающих открытий, одно из которых, гласящее, что наследственность и изменчивость имеют химическую природу, явилось фундаментом современной науки о жизни, которая немыслима без этого постулата.

Вам, может быть, известно, что в 1868 году вашим современником Ф. Мишером из ядра живой клетки было выделено некое вещество, названное им нуклеином, в составе которого были обнаружены неизвестные тогда полимерные соединения – нуклеиновые кислоты. Сложная химическая природа последних была расшифрована лишь к 1953 году Дж. Уотсоном и Ф. Криком, уже незнакомыми Вам, а биологическое значение их как переносчиков наследственной (генетической) информации было окончательно доказано к 1957 году с помощью нескольких блестящих опытов, выполненных разными учеными, работавшими независимо.

Эти нуклеиновые кислоты представляют собой нерегулярные линейные последовательности мономеров, названных нуклеотидами, которые состоят из углевода (рибозы или дезоксирибозы), остатка фосфорной кислоты и гетероциклического азотистого основания. Существуют два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновые (ДНК), то есть, содержащие нуклеотиды с дезоксирибозой, и рибонуклеиновые (РНК) – с рибозой. Вместе углеводные и фосфатные части нуклеотидов одной нуклеиновой кислоты составляют ее сахарофосфатный остов, каркас. Азотистые основания же являются «смыслообразующей» частью соединения и обозначаются каждое определенной буквой.

Именно ДНК в подавляющем большинстве случаев является инструкцией по созданию живых существ. Особые, не менее сложные химические вещества белковой природы как бы прочитывают причудливый, до конца понятный лишь им одним буквенный шифр азотистых оснований и переписывают из него отдельные «предложения», называемые генами, создавая соответствующую этой части инструкции РНК. Над ней работают еще одни соединения, которые, будто рабочие цехов, выстраивают согласно этой схеме новые белки из мономеров-аминокислот, информация о последовательности которых и закодирована нуклеиновыми буквами. Результирующий белок уже тем или иным образом вызывает появление какого-то определенного признака живого организма, который мы можем наблюдать.

Таким образом, можно заключить, что изменения первоначальной схемы, а именно содержания генов, обусловленные определенными сложными процессами, могут менять смысл этой схемы и приводить к изменению свойств конечного белкового продукта и, следовательно, признака, за который тот отвечает. Стоит отметить, что события, приводящие к изменениям структуры ДНК, случайны и не являются направленными на достижение какого-то «желаемого» результата.

Неопределенная изменчивость, о которой Вы упоминаете, во многих случаях так же является результатом именно множественных изменений ДНК, вызывающих появление таких строго индивидуальных отличий как, например, узор на кончиках пальцев или расположение полосок у зебр.

О ДНК также необходимо сказать, что представители каждого отдельного вида в своих клетках содержат характерный только для этого вида набор молекул этой нуклеиновой кислоты, имеющих разную длину и смысловое содержание. Виды, для которых характерно половое размножение, обычно несут удвоенный (или растения – четный: учетверенный и т.д.) набор ДНК, причем один комплект цепей особь получает от материнского организма, другой – от отцовского.

Изменения облика живого существа могут повлечь за собой не только изменения схемы, но и более явные, поверхностные, тесно связанные с условиями окружающей среды. Такие изменения, называемые модификационными, уже имеют направленность и в большинстве своем поддаются коррекции. Причины их обусловливающие: рацион (достаточность пищи и определенных питательных веществ в ней), упражнение и неупражнение различных органов, болезни и травмы, освещенность и температура и тому подобные вещи. От внешних условий зависит работа множества регуляторных систем, имеющихся в каждом организме, которые контролируют, в том числе, считывание определенных генов, но не изменяют при этом их структуру. Здесь необходимо отметить, что модификационная изменчивость организма возможна лишь в некоторых пределах, установленных его более глубокими генетическими особенностями, то есть его нормой реакции. Так, например, мы не сможем вырастить из домашней кошки тигра, перекармливая кошку, поскольку ее ДНК предписывает ей определенную норму изменчивости роста.

Как Вы верно подметили, когда мы говорим о наследуемых и ненаследуемых вариациях, имеет значение локализация изменений в клетках тела или репродуктивной системы организма. Половые клетки, непосредственно участвующие в создании потомства, как известно, продуцируются не во всем организме, а в специально предназначенных для этого органах, обосабливающихся от зачатков других структур еще на ранних этапах развития организма. Модификационные изменения могут повлиять лишь на функциональное состояние этих репродуктивных органов, но на их генетический материал, который согласно закономерностям создания гамет распределяется по половым клеткам, их действие не распространяется, потому на признаках плода такие вариации не скажутся. Не сможем мы увидеть у потомка и тех признаков, которые приобрел родитель в результате мутации клеток его печени, крови или кожи, поскольку эти изменения так же не касаются органов репродукции. Замечательно то, что клетки репродуктивной системы в генетическом плане являются гораздо более гибкими, чем клетки остального тела. С помощью определенных процессов (обмен частями между соответствующими материнскими и отцовскими ДНК, или кроссинговер, и независимое расхождение ДНК по половым клеткам), происходящих при создании гамет, сами вызывают изменения и перемешивание наследственной информации.

Некоторый интерес представляют изменения во внешнем облике плода, вызванные внешними воздействиями на организм матери во время беременности. Такие влияния могут приводить к возникновению у детеныша уродств, недоразвитию его органов и умственной неполноценности. Но, по сути, здесь мы тоже имеем дело с ненаследственными изменениями, поскольку для плода внешней средой является именно организм матери, который оказывает влияние на все его регуляторные системы. Среди потомков такого детеныша (если возможно получение потомства), его аномалии не проявятся.

Итак, я попыталась вкратце растолковать то, что современным ученым известно о природе наследственности и изменчивости. Естественно, эти закономерности являются общими для дикой и домашней природы и для человека.

Действия, привычки и употребления или неупотребления органов.

Я думаю, Вы заметили, что упражнение и неупражнение органов было отнесено мной к ненаследственным модификационным изменениям. Я поясню. Представьте себе отца, который каждый день занимается тяжелой физической работой и имеет из-за этого развитую мускулатуру, и его сына, который, например, больше любит читать книжки, чем бегать с другими мальчишками на улице. Естественно, у последнего мышцы не будут столь же крепкими, пусть он и является прямым потомком своего отца. И мышечная масса внуков и правнуков того самого отца будет зависеть только от стараний внуков и правнуков.

Так как же тогда, спросите объяснить приведенные Вами примеры с домашней уткой и вислоухими животными? Дело в искусственном отборе сознательном и бессознательном, и эти закономерности Вам хорошо известны.

Человеку невыгодно, чтобы одомашненная утка имела крепкие крылья и хорошо летала; утяжеленные ноги тоже являются помехой для свободного полета. Кроме того, здесь играет роль и физиологический рост костей, на которые приходится большая нагрузка, подобный росту упражняемых мышц. То есть имеет место ненаследственная вариация в пределах нормы реакции, предписанной генами, отвечающими за развитие костей крыла и ноги. При этом человек, оценивая внешние признаки, производит отбор так, чтобы у домашних уток сохранялись те варианты генов, которые обуславливают меньшее развитие крыла и большее развитие нижних конечностей. То же касается молочных пород скота и многих других примеров.

Форма ушей тоже определяется генетически, и в случае вислоухих животных имеет место дефект гена. Более частая встречаемость таких зверей среди одомашненных объясняется тем, что этот признак либо специально поддерживается как декоративный (например, у котов), либо попросту не мешает животным осуществлять свою функцию в хозяйстве человека и потому так же беспрепятственно передается от родителей к потомкам. В условиях дикой природы такой признак может уменьшать приспособленность организма в условиях конкуренции и т.д., в результате чего он и гены его обусловливающие будут исключаться из общей совокупности признаков и генов в популяции.

Кроме упражнения и неупражнения органов существуют и другие привычки, природа которых может быть весьма разнообразной, потому не стану подробно на этом останавливаться. Коснусь лишь приведенного Вами примера с изменением периода цветения растения, перенесенного из одного климата в другой. Растение, перенесенное в другой климат, при этом переносится еще и в другую географическую зону. Вы, я полагаю, знаете, что при перемещении по широтной координате длина светового дня меняется в силу положения оси Земли по отношению к Солнцу. Сейчас известно, что растения и животные, для которых характерны определенные сезонные изменения, ориентируются именно по длине светового дня, так как это наиболее стабильно и предсказуемо изменяющееся условие внешней среды. Так растение, родина которого расположена в Южном полушарии, там будет цвести, когда в Северном полушарии зима. Но, будучи перенесенным в Северное полушарие, оно, скорее всего, начнет зацветать в летнюю пору.

Наследственность. Коррелятивные вариации.

Прежде чем прокомментировать эту часть Вашего труда я должна рассказать Вам и о некоторых других явлениях, связанных с природой ДНК и генов. Как я уже говорила, живые организмы, за некоторыми исключениями, содержат несколько (чаще четное число) сходных комплектов молекул ДНК. Будем говорить о двух комплектах, так как это наиболее распространенный случай. При половом размножении один набор приходит от матери, а другой – от отца. В таком двойном наборе можно выделить пары отцовских и материнских цепей ДНК, которые должны содержать одинаковый набор генов. Но так как эти гены пришли из разных организмов, их состав может варьировать. Один ген, например, будет схемой нормального признака «дикого типа», другой – измененного. Один из генов или оба могут быть и дефектными, или «выключенными», т.е. не будут давать белкового продукта. Но белки, читающие код ДНК, не могут думать и решать, что им делать. Их функция – читать и переписывать все, что им доступно. Потому они прочитывают оба гена, а судьба РНК и белкового продукта, если таковой образуется, решается уже другими системами клетки, контролирующими производство.

Таким образом, имеет смысл рассматривать не отдельные гены, а продукт их совокупной работы. И это касается не только генов, ответственных за один и тот же признак, но и всех генов организма, поскольку белки, получающиеся в результате их обработки, непременно должны находиться во взаимодействии друг с другом, что и является основой целостности организма.

Если Вы знакомы с работами Грегора Менделя, то Вам известно, что он ввел такие термины, как доминантный и рецессивный признак. Господин Мендель работал с такими признаками гороха, которые контролируются одной парой генов (разумеется, он не имел понятия о генах, так что ему и всей биологической науке крупно повезло, что он выбрал именно эти признаки). Признак, который наблюдался у одного из родительский растений и обязательно проявлялся в первом поколении гибридов, он назвал доминантным. Признак второго родительского растения, рецессивный, в первом поколении «исчезал», зато в среднем четверть потомков, полученных от скрещивания двух гибридов, имела этот признак. Суть в том, что тот вариант гена (или аллель), который отвечает за проявление рецессивного признака, как бы скрывается и меркнет на фоне работы варианта, обусловливающего выражение доминантного признака, и становится недоступным нашему взору. Очевидно, что если доминирующего аллеля у потомка не будет, то есть будут два рецессивных аллеля, то рецессивный признак уже не будет подавлен и проявится.

Подобным же образом осуществляются и многие другие взаимодействия генов. Теперь, я полагаю, Вы сможете объяснить себе, почему в семьях одни признаки выражаются непосредственно у детей, а другие – только у внуков и правнуков.

Бывает, что проявление какого-то признака требует сочетания определенных вариантов нескольких генов. Но встречаются и обратные случаи, когда наличие одного лишь гена предполагает развитие у организма нескольких признаков. Такое явление называется плейотропией, и оно может объяснить постоянную совмещенность некоторых признаков организма. Вы приводите пример, что у бесшерстных собак наблюдается недоразвитость зубов. Видите ли, зубы и волосы имеют в своем составе одинаковые белки, которые, разумеется, должны быть построены по инструкции, заданной одним и тем же геном. Если этот ген дефектный, то его продукт либо уничтожается контролерами, либо не обладает свойствами, которые позволили бы ему в полной мере выполнять свою функцию в различных органах и тканях организма. Можно заключить, что феномен плейотропии характерен для генов, кодирующих полифункциональные или широко распространенные в организме белки.

Совместное наследование нескольких признаков может также объясняться «сцепленностью» их генов. Одна молекула ДНК содержит в себе множество генов, и эти гены, скорее всего, будут наследоваться вместе, поскольку они являются частью одной и той же цепи, или, как говорят, «группы сцепления». Особенно вероятно совместное наследование, если гены нескольких признаков расположены близко друг к другу, так как уменьшается вероятность их расхождения при кроссинговере, т.е. при обмене сходными частями между парными материнскими и отцовскими нуклеиновыми кислотами, и попадания в разные половые клетки. Гены, располагающиеся в особых молекулах ДНК, несущих также информацию, определяющую пол организма, называются сцепленными с полом.

Хочу отметить, что далеко не все признаки, проявляющиеся у существ мужского пола и не наблюдающиеся у организмов женского пола (и наоборот), являются продуктами генов, сцепленных с мужским полом и с полом вообще. Например, «ген самца» у млекопитающих лишь запускает еще одну регуляторную систему в организме, которая контролирует возможность считывания определенных генов и/или объем производства соответствующих белков. Живым доказательством этого утверждения служит, например, порода овец, в которой самки так же несут рога, хотя и не имеют «мужского элемента».

Общий характер домашних разновидностей.

Трудности при различении разновидностей и видов.

Происхождение домашних разновидностей от одного или нескольких видов.

Породы домашнего голубя, различия между ними и их происхождение.

На данный момент окончательно установлены те рамки, которые позволяют нам с достаточной степенью уверенности отличить вид от разновидности и один вид от другого. Сейчас общепризнанной является точка зрения такая, что представители одного вида, помимо всех прочих ранее установленных особенностей, способны свободно скрещиваться друг с другом, причем потомки такого скрещивания обязательно фертильны. Собственно, производя многочисленные скрещивания голубей различных пород, Вы, как я поняла, придерживались того же мнения. Таким образом проблема родства ныне существующих животных может быть довольно легко решена.

Стоит пояснить, что фертильность гибридов определяется сходством их наборов ДНК. Известные гибриды лошадей и ослов жизнеспособны, но стерильны, поскольку из-за различий генетическом аппарате родительских форм при создании половых клеток у гибрида цепи ДНК не могут правильно разойтись по гаметам, которые вследствие этого становятся неполноценными. То есть лошаки и мулы являются межвидовыми гибридами, которые, нужно отметить, вообще являются одной из немногих счастливых случайностей образования потомства у столь генетически разнородных родителей.

Необходимо добавить, что в случае растений проблемы с получением гибридов особей, принадлежащих даже разным семействам, преодолимы в значительно большей степени. Некоторые химические соединения способны влиять на клетки так, что при попытке деления материал их ядер удваивается, как происходит в норме, но не разделяется. Такие удвоенные дозы генетического материала для животных организмов несовместимы с жизнью, но растения в результате такого вмешательства сохраняют жизнеспособность, а стерильные формы обретают способность к размножению.

При скрещивании двух собак разных пород мы можем в большинстве случаев получить фертильных метисов, что доказывает достаточно сильное сходство родительских форм и их принадлежность к одному виду. Кроме того, скрещивание волков и собак с получением плодовитого потомства тоже возможно, потому собаки, по крайней мере, те, что происходят из Европы, сохранили тесную связь со своей исходной формой.

Однако и здесь остаются некоторые сложности, связанные с начальными стадиями видообразования. Например, естественное скрещивание таких морфологически отличных друг от друга пород как дог и пекинес (даже если они имеют сходный генетический аппарат), очевидно, крайне маловероятно. Если применить методы искусственного осеменения, положительного результата можно добиться лишь в одном направлении скрещивания: от самца пекинеса к самке дога. Если произвести скрещивание самки пекинеса с самцом дога, она не сможет выносить зародышей, поскольку те будут отличаться слишком большим размером.

Искусственный отбор.

Пытаясь прокомментировать Ваши рассуждения о том отборе качеств животных и растений, так тщательно культивируемых на протяжении тысячелетий, я нашла, что сказать мне особенно нечего, поскольку закономерности такого отбора интуитивно понятны и Вам, и мне и даже представителям дикарских племен, если таковые еще остались.

Действительно, человек отбирает тех существ, которых стремится одомашнить, по наличию выраженности у них тех качеств, которые ему необходимы. Зачастую причиной начала отбора является возникновения некоторого привлекающего внимание отклонения или даже уродства. Такие признаки возникают от спонтанных изменений структуры ДНК, приводящих, по сути, к возникновению новых аллелей генов. Если такое отклонение желательно для человека, он стремится получить больше особей с этим мутантным признаком, для чего проводит многочисленные скрещивания и тем самым распространяет измененный ген. Когда появляется достаточное количество особей, несущих интересующий признак, появляется хорошая количественная основа для начала культивирования и впоследствии выделения новой домашней породы, которая, скорее всего, не смогла бы сохраниться в условиях дикой природы.

Итак, господин Дарвин, я попробовала показать Вам Ваш бессмертный труд с точки зрения современной науки, и, я надеюсь, мне удалось совершить задуманное.

Мне хотелось бы выразить Вам благодарность за те внимательные и точные наблюдения и прекрасные выводы, что Вы привели в своих работах, поскольку воистину потрясающе то, что Вы, не имея понятия о тонкой организации природы наследственности и изменчивости, которая раскрывается только моими современниками, выдвинули свою смелую теорию, положения которой сейчас находят подтверждение. Кто знает, может быть, если бы Вы не заинтересовались этими загадочной историей преобразования и эволюции живых существ, биологическая наука 2012 года находилась бы на более низкой ступени своего развития. Еще раз благодарю Вас.

С глубоким уважением,

Марина Бирюкова.