В 1988 г. американский генетик Джон Кэйрнс (Cairns, 1988) повторил опыты Лурии и Дельбрюка и пришел к заключению, что условия, при которых они проводились, не давали основания для тех выводов, которые были сделаны. В них использовались слишком большие дозы вирулентного штамма вируса, который сразу убивал все бактерии, не обладавшие к нему устойчивостью, и, таким образом лишал их возможности выработать эту устойчивость. Если бы Лурия и Дельбрюк воспользовались умеренным фагом лямбда, они пришли бы к заключению, что бактерии приобретают устойчивость к фагу именно после вступления с ним в контакт. Когда Кейрнс снизил дозу вирусов до стрессовой, то доминирующими среди мутантов стали бактерии, которые обладали резистентностью и свидетельствовали о направленном приспособительном процессе. Представлению о неадаптивном, не совпадающем с направлением отбора характере мутаций был нанесен сильнейший удар. В конце статьи Кэйрнс высказал допущение, что каждая клетка может обладать механизмом для осуществления НПП.
Другая серия опытов проводилась Кэйрнсом с соавторами (Cairns, 1988; Cairns, Overbaugh, Miller, 1988) на той же кишечной палочке, но брались бактерии с мутацией в гене lacZ лактозного оперона, не способные расщеплять лактозу. Их помещали на 1–2 дня в среду с глюкозой, где клетки могли нормально делиться. Затем из общего числа бактерий удаляли всех мутантов lас+ и переносили колонию в селективную среду только с одной лактозой. Первые дни мутанты отмирали, но уже спустя неделю рост колонии возобновлялся за счет вспышки реверсий именно в гене lacZ Возникала адаптация к лактозе путем перестройки генома.
Опыты однозначно свидетельствовали о возможности отбор зависимого направленного мутирования определенного гена под воздействием внешнего фактора. Как писали эти авторы, если клетка установила обратную связь от белка к тРНК, то «она может производить выбор, какие мутации производить» (Cairns, Overbaugh, Miller, 1988. P. 145). Подобный механизм был назван генетическим поиском (Чайковский, 1976).
Сходные результаты, но уже с использованием мутантов по генам, использования триптофана и сахара-салицина получил другой американский генетик – Барри Холл (Hall, 1988, 1990, 1992). Он же открыл адаптивные мутации у дрожжей, т.е. уже у эукариотных организмов. Ему удалось выяснить также, что массовые адаптивные мутации являются следствием транспозиции (перемещения) мобильных генетических элементов (Hall, 1988) и что в случае мутаций двух генов («двойных мутаций») их частота по сравнению с одиночными возрастает в 108 раз (Hall, 1982). Понятно, сколь важное значение имеют эти данные для новой теории эволюции.
Число подобных публикаций множилось, стали появляться первые обзорные работы (Foster, 1993; Lenski, Mittler, 1993).
Следующий важный этап в познании адаптивных реакций организмов, как указывает М.Д. Голубовский (2000), связан с теоретическим обоснованием направленных мутаций и раскрытием механизма их возникновения ведущим американским специалистом по новой генетике Джеймсом Шапиро. По мнению Голубовского, Шапиро (Shapiro, 1995a) считает достаточным для объяснения феномена адаптивных мутаций наличие двух механизмов. Во-первых, в живой клетке содержатся биохимические комплексы или «системы естественной генетической инженерии», способные реконструировать геном. Активность этих комплексов может резко меняться в зависимости от физиологического состояния клетки. Примером может служить ответ ее генетической системы на тепловой шок, когда происходит прямое увеличение клеточной толерантности и начинают синтезироваться белки теплового шока (стрессовые белки), во-вторых, рост мутабельности происходит не в одной какой-то клетке, а в целой клеточной популяции, где возможен межклеточный горизонтальный перенос информации с помощью вирусов, плазмид и тому подобных агентов. В ключевые моменты или во время стресса ведущую роль в увеличении частоты мутирования и перестройке генома играют, по-видимому, мобильные генетические элементы. Используя метафору одного из современных дарвинистов, Шапиро резюмирует, что было обнаружено в клетке: вместо «слепого часовщика» (образ-аналог естественного отбора,– В.Н.) «мы нашли там генетического инженера с впечатляющим набором замысловатых молекулярных инструментов для реорганизации ДНК-молекулы» (op. cit.). В другой работе он же пишет, что за последние десятилетия на уровне клетки была открыта такая «непредвиденная сфера сложности и координации, которая более совместна с компьютерной технологией, нежели с механизированным подходом, доминировавшим во время создания неодарвиновского современного синтеза» (Shapiro, 1997; обе цитаты из: Голубовский, 2000. С. 163, 164). Познание работы всей этой сферы – дело будущего.
Современная молекулярная генетика начинает реабилитировать и другую составляющую ламаркизма – тезис о наследовании приобретенных признаков. Наблюдения и эксперименты в поддержку этого тезиса, накапливавшиеся на протяжении трех последних веков, столь многочисленны, что еще в начале XX в. составляли основу эволюционных представлений доброй половины ученых-биологов. Но даже если исключить из их числа тех, которые с точки зрения классической генетики были неверно поставлены и превратно истолкованы, наберется немало и таких, в которых стойкое наследование новых особенностей организации или новых свойств, приобретенных в индивидуальной жизни, трудно было отрицать. К числу таких экспериментов и наблюдений относились, например, опыты французского генетика (!) Ф. Л'Еритье с наследованием чувствительности дрозофилы к углекислому газу (L'Heritier, 1937), опыты Г.Х. Шапошникова (1961, 1965) на тлях и П.Г. Светлова (1965) – на мышах и дрозофиле, многочисленные примеры длительных модификаций, становящихся наследственными, разнообразные случаи цитоплазматической наследственности, особенно у простейших и растений. Еще 15–20 лет назад они не привлекали внимания исследователей, не говоря уже о том, чтобы рассматривать их в руководствах по генетике и теории эволюции. Широкое обсуждение и успех открытия феномена направленных мутаций автоматически сделал актуальной и проблему НПП.
В 1991 г. вышел очередной том авторитетного ежегодника по генетике – «Annual Review of Genetics». Он открывался большой обзорной статьей Отто Ландмана, озаглавленной «Наследование приобретенных признаков» (Landman, 1991) и посвященной памяти Т. Соннеборна – выдающегося исследователя генетики свободноживущих и симбиотических простейших, обнаружившего ряд неканонических типов наследования. В статье собрано большое число фактов ламаркистского наследования, относящихся к последнему 40-летию. Порядка 10 экспериментов, подтвердивших факт такого наследования при соблюдении всех необходимых требований к проведению эксперимента, были подвергнуты детальному анализу, и для их объяснения автором публикации был указан конкретный молекулярно-генетический механизм.
Мы не будем сейчас касаться этих механизмов, поскольку их можно понять только на основе знания новой (неклассической) генетики, которой в этой книге мы посвящаем специальную главу. Там будет уместно вернуться к этим механизмам. Здесь же приведем резюме, к которому пришел Ландман в указанной выше статье: наследование приобретенных признаков вполне совместимо с современной концепцией молекулярной генетики, и менделевская, и ламаркистская наследственность могут мирно сосуществовать в лоне молекулярной биологии.
Десять лет, прошедшие после публикации этих строк, еще больше расширили зону компетенции ламаркизма, одновременно наполнив ее строго генетическим содержанием.
