Текст книги "Эволюционизм. Том первый: История природы и общая теория эволюции"

Клонирование (от греч. «клон» – ветвь, побег, отпрыск) создание генетически сходных организмов путём бесполого размножения. Естественное клонирование широко распространено в природе. К нему относятся размножение делением у простейших, вегетативное размножение у растений, партеногенез и образование однояйцевых близнецов.

Это означает, что естественное клонирование присуще всем живым организмам на Земле от самых примитивных бактерий до высших млекопитающих. Но чем выше поднимается тот или иной вид живых организмов по уровню развития, тем меньше в его размножении роль клонирования и тем больше роль самоизменения клеток в ходе биологической работы данного организма. У человека клонирование проявляется только в ходе развития однояйцевых близнецов.

Клонирование посредством деления – очевидно, самый древний из способов размножения, когда-либо существовавших на Земле. В его основе лежит способность структур нуклеиновых кислот к самоудвоению и самокопированию, вследствие чего одна структура трансформируется в две структурно идентичные ей. Но структурная идентичность отнюдь не означает абсолютной одинаковости полученных копий. Различия возникают на уровне атомов и элементарных частиц, а также вследствие воздействия среды и ошибок копирования (мутаций).

Клонирование как копирование генома было исходной формой размножения, на основе которой происходило эволюционное усложнение мобилизационных структур, участвующих в продолжении жизни. Поэтому любое размножение включает в себя момент клонирования в эволюционно преобразованном виде. Все мы суть эволюционно преобразованные клоны своих предков по отцовской и материнской линиям.

Нам никуда не уйти от истины о том, что мы – всего лишь клоны древних обезьян, которые на пространствах жарких африканских степей смогли выжить только потому, что, не имея достаточных для выживания в степях естественных органов, стали использовать органы искусственные и благодаря столь фундаментальному изменению характера биологической работы и естественного отбора тысячелетие за тысячелетием преобразовывали структурирование своего генома.

Наряду с этим мы – клонированные одноклеточные, которые развились из единственной оплодотворённой яйцеклетки посредством специализации клонированных делением клеток. И все мы – клоны древнейших одноклеточных, которые миллиарды лет назад выработали чудесное копировальное устройство на основе ДНК. Неточное копирование, направляемое биологической работой и отбором – вот путь от древнейшей цианобактерии к человеку. Все мы – клоны наших эволюционных предшественников, изменённые и преобразованные биологической работой огромного числа поколений.

В каждой клетке многоклеточных организмов содержится ядро, мобилизационная структура клетки, которая посредством мобилизации генов, определённых структур ДНК, направляет биологическую работу по выработке необходимых для жизнедеятельности белков. Все клетки организма содержат один и тот же присущий данному виду геном. Но специализация клеток при совершении необходимой для развития организма биологической работы приводит к резкому различию между гаплоидными (с одинарным набором хромосом) половыми клетками, которые мобилизованы на клонирование, и диплоидными (с полным двойным набором хромосом) соматическими клетками, которые в процессе приобретения специализированных функций необратимо изменяют свой генетический аппарат таким образом, что могут клонировать только специализированные клетки, но не целостный организм.

Можно только поразиться научной интуиции Августа Вейсмана, который, не имея никаких данных о структурах наследственности, выдвинул тезис о принципиальном различии соматических и половых клеток. Но это различие не абсолютно. Функции клонирования сходны при очень глубоких и существенных различиях между клетками различной специализации.

Миллиарды клеток человеческого организма являются изменёнными клонами одной единственной оплодотворённой яйцеклетки. Это целый космос, внутренний микрокосмос, развитие которого вспять невозможно. Весьма вероятно, что на микроуровне жизни действует закон необратимости эволюции, сформулированный И. Пригожиным применительно к неравновесной термодинамике.

До конца 80-х годов XX века генетики были едины в убеждении, что клонировать млекопитающих любыми соматическими клетками взрослых особей невозможно и никогда не будет возможно.

Опыты по искусственному клонированию многоклеточных организмов оставались неизвестными широкой публике. Между тем ещё в 1952 г. американские генетики Р. Бриггс и Т. Кинг получили генетические копии лягушки. Они заменили гаплоидное ядро половой клетки диплоидным ядром, вырезанным из соматической клетки зародыша и имплантировали «оплодотворённую» таким образом яйцеклетку в яйцевод другой лягушки. Полученные таким образом клоны развивались лишь до стадии головастика, а затем погибали вследствие генетических нарушений.

Был, впрочем, и российский «Кулибин» – эмбриолог Георгий Лобашов, который проводил аналогичные опыты ещё в 1940-е годы. Но как раз по окончании опытов в 1948 году случилась лысенкопобедная сессия ВАСХНИЛ, и результаты исследований не были опубликованы, а приоритет в открытии по праву достался тем, у кого собственное государство не препятствует развитию науки и разнообразию мировоззренческих подходов, а создаёт для этого свободные и насыщенные многообразными возможностями условия.

В 1960 г. были завершены эксперименты английского генетика Джона Гордона, который продвинулся в клонировании лягушек гораздо дальше своих американских коллег. Он пересаживал ядра из соматических клеток взрослой лягушки, в том числе из эпителия кишечника взрослых лягушек, и в конце концов добился того, что 1–2% головастиков проходили стадию метаморфоза и доживали до взрослого состояния.

Как и следовало ожидать, это были лягушки-инвалиды, они были мало жизнеспособны, страдали различными нарушениями жизнедеятельности и сильно отличались от своего генетического родителя – донора соматического ядра. Так что копирования при клонировании даже земноводного организма отнюдь не происходило. Значение этих опытов заключалось лишь в том, что была показана принципиальная возможность клонирования многоклеточных животных организмов.

Уже сама такая возможность вызвала наукообразные мечтания о создании точных копий наиболее ценных сельскохозяйственных животных, о копировании людей, известных своими достижениями в различных областях деятельности, чтобы обеспечить им интеллектуальное бессмертие. Высказывались также надежды на воссоздание различных видов вымерших животных – мамонтов, динозавров, гигантских птиц и т. д. Фантасты внесли свою лепту в создание генно-инженерных утопий и антиутопий, создав широкую гамму художественных образов клонов-близнецов, подменяющих друг друга в общественной жизни, и парков юрского периода.

В 70-е году XX века американский учёный швейцарского происхождения Карл Илмензее провёл эксперименты по клонированию классического объекта генетики – мухи-дрозофилы. Полученные таким образом эмбрионы развивались до определённых стадий с многочисленными отклонениями от нормы, а затем погибали.

Затем Илмензее осуществил серию экспериментов на мышах и объявил о получении клона из трёх мышей. Авторитетная комиссия экспертов проверила результаты опытов и признала их недостоверными. Однако многие специалисты не согласны с выводами этой комиссии и признают приоритет Илмензее в клонировании мышей. Во всех случаях клоны рождались неполноценными и рано умирали.

Наконец, в 1997 г. шотландский учёный Ян Вилмут (или Уилмут) из Рослинского университета объявил о рождении самого знаменитого в настоящее время клонированного животного – овечки Долли. Успех Вилмута был обеспечен титаническим трудом и огромными затратами времени и денег. Долли оказалась единственным успешно произведённым на свет клоном из 277 попыток, закончившихся провалом.

В 1999 г. (как мы уже знаем, это был пик общественного недоверия к достижениям генной инженерии) была сделана попытка опровергнуть достижение Вилмута и обосновать сомнение в том, что Долли была на самом деле клонированным животным. Итальянский учёный Витторио Сгарамелла (Ун-т Калабрия) и американский профессор Нортон Зайндер (Рокфелеровский ун-т, США) указали на то, что овца, явившаяся донором клеток для Долли, была беременна, а зародышевые клетки способны перемещаться с кровотоком в различные части тела.

Сам Вилмут с сожалением признал, что он не обратил внимания на это обстоятельство и что достоверность его опытов подлежит дополнительной проверке. В этом признании проявилось мужество учёного и его готовность следовать истине, каким бы суровым испытаниям ни подвергались его личная карьера и научный авторитет. К счастью, дальнейшие молекулярно-генетические исследования убедительно подтвердили клонированный характер клеточных структур Долли и достоверность достижения Вилмута.

Овечка Долли стала легендой искусственного клонирования, вызвала небывалый всплеск надежд на возможность воссоздания средствами генной инженерии любых когда-либо существовавших живых существ и чуть ли не воскрешения мёртвых по клеткам их костной ткани, сохранившейся в их останках. Всё это говорит о том, что всплески квазинаучной веры могут носить ненаучный, мифологизированный характер, но они отражают растущее могущество науки и постановку ею задач, которые раньше решались, лишь в религиозных представлениях о чудесах, творимых сверхъестественными существами.

И пусть решение таких задач сегодня так же недостижимо, как и тысячи лет назад. Наука не останавливается, она ускоренно эволюционирует, и то, что было абсолютно неосуществимым вчера, сегодня осуществляется на уровне не вполне удачных экспериментов, а завтра может стать вчерашним днём научных достижений. Боги и демоны уходят в прошлое по мере того, как эволюция человеческих знаний реализует невозможное. Разумеется, это даётся людям гораздо труднее, чем создание мифов о могущественных существах, способных творить что угодно по мановению своей воли.

Вот и овечка Долли родилась с множеством генетических нарушений и сниженной жизнеспособностью. Люди – не боги, и их создания подчиняются законам эволюции. Ведь создать методом клонирования живое существо, исходя из генетической информации взрослой неполовой клетки млекопитающего – значит как бы повернуть вспять ход эволюции, вернуть млекопитающее к способу размножения одноклеточного организма.

Конечно, такое млекопитающее почти со стопроцентной вероятностью (которая будет уменьшаться по мере наших успехов в овладении секретами биологической работы системы наследственности) явится генетически неполноценным. Но генетически неполноценные млекопитающие, в том числе и люди, рождаются в результате крупных вредных мутаций, вызывающих генетические заболевания, т. е. нарушения биологической работы всего организма в целом.

Несчастная овечка Долли была подлинной мученицей науки, она страдала артритом, ожирением и признаками преждевременного старения, поскольку была рождена от взрослой соматической клетки. Затем её поразила острая лёгочная инфекция, и в феврале 2003 г. было сообщено о её преждевременной смерти. Долли была в целом нежизнеспособна и совсем непохожа на свою донорскую и вынашивающую мать.

Однако само зачатие овечки Долли стало возможным, по-видимому, вследствие двух важных обстоятельств. Во-первых, ядро соматической клетки для этого зачатия было взято от беременной овцы, организм которой своей биологической работой был подготовлен выделением в кровь определённых гормонов к живорождению. Во-вторых, клетка для изъятия ядра была взята из вымени, т. е. из вторичного полового признака, клеточные структуры которого были ближе по своему строению к половым клеткам.

Как бы там ни было, но появление на свет живой клонированной овцы создало мощные стимулы для последующих исследований. Если Ян Вилмут для слияния ядра соматической клетки с яйцеклеткой использовал электростимуляцию, которая травмировала генетический аппарат, группа исследователей из университета в Гонолулу (Гавайские острова) под руководством Риузо Янагимачи нашла способ вживлять донорское ядро с помощью специальной микропипетки.

По мере совершенствования технологии генно-инженерного клонирования снижался травматизм трансплантации, расширялся диапазон животных, зачатых и оплодотворённых генетическим аппаратом соматических клеток. Каждый прошедший год приносил и приносит новые важные для науки результаты.

В 1997 г., сразу же вслед за Долли родилась первая в мире клонированная мышь, в 1998 г. – первая корова, в 1999 – козёл, в 2001 – кошка, в 2002 – кролик, в 2003 – бык, мул и олень, в 2005 – собака Снуппи, афганская борзая, в 2006 – хорёк, в 2009 – верблюд. При этом с начала XXI века собака была успешно клонирована трижды, кошка – дважды, коза – пять раз. В 2004 г. была с коммерческой целью клонирована кошка – домашняя любимица богатого человека, а в 2008 г. началось коммерческое клонирование собак.

Полученные клоны не являются ни вполне жизнеспособными животными, ни похожими копиями тех животных, от соматических клеток которых они зачаты. При клонировании происходит копирование генотипа, фенотип же не может быть скопирован вследствие происходящих в организме изменений в процессе развития.

Российский генетик и селекционер Владимир Струнников отмечает по этому поводу:

«Работая с целым рядом резко различающихся между собой клонов, нам удалось выявить, что, несмотря на одинаковые генотипы и условия разведения, члены одного клона оказываются весьма разнообразными по целому ряду признаков: величине, продуктивности и плодотворности. В некоторых клонах это разнообразие бывает большим, чем в генетически разнородных популяциях» (Струнников В.А. Клонирование животных: теория и практика – Природа, 1998, № 7).

В этих словах содержится настоящий приговор геноцентризму, который окончателен и обжалованию не подлежит. Если клоны, т. е. «чистые линии» наследования, обладающие одинаковым генотипом, могут различаться между собой больше, чем в генетически разнородных популяциях, о какой же определяющей роли генов в развитии организма может идти речь? Гены задают лишь общие контуры развития организма, они сами зависимы от биологической работы фенотипа, они включаются и выключаются не по однажды заведенной программе, содержащейся в оплодотворённой яйцеклетке, а в зависимости от распределения произведенных ими белков. Они перепрограммируются в совместной биологической работе с фенотипом.

В. Струнников объясняет фундаментальные различия клонов с геноцентрических позиций – ошибками копирования, сбоями «копировального аппарата», т. е. мутациями, накопленными в генофонде. Но ведь мутации – такой же результат биологической работы организма, как и безошибочная работа генетических структур. Понятно, что мутации – не единственная причина громадных различий клонированных животных.

Другой лидер современной российской генетики, Леонид Корочкин, видит главную причину различий клонируемых животных в степени колеблемости в рамках нормы реакций проявления признака, контролируемого тем или иным геном. Такая колеблемость «зависит от влияния многих других генов» (каждый из которых имеет свою норму реакции), от воздействия внутренней (которая у разных приёмных материй будет разной) и внешней среды (температура, влажность, содержание кислорода и всяких других веществ в воздухе, уровень радиации и прочее)». (Корочкин Л.И. В лабиринтах генетики – Новый мир, 1999, № 4).

Корочкин обращает внимание на то, что различные условия развития зародышей в матках разных вынашивающих матерей неизбежно будут расширять «определённые пределы колеблемости проявления данного гена в фенотипическом признаке» (Корочкин Л.И. Клонирование животных – Соровский образовательный журнал, 1999, № 4, с. 15).

Следует уточнить, что эта колеблемость в работе генов вызывается под влиянием внешних условий биологической работой организма в целом, воздействием на генетические структуры переносимых белками сигналов о состоянии покровов тела зародыша, групп клеток, находящихся в процессе органогенеза, а главное, формирующейся макроскопической мобилизационной структуры целостного организма – его центральной нервной системы. В конечном счёте развитие фенотипа диктует генам сценарии поведения.

«Спрашивается, – подытоживает Корочкин, – велика ли вероятность точного воспроизведения свойств «клонируемого» образца?» (Там же). Вероятность эта, конечно же, очень мала, практически близка к нулю.

Крайне низкой является и вероятность точного копирования многоклеточных организмов другими способами клонирования. Так, тот же Владимир Струнников возглавлял группу исследователей, которая на протяжении многих лет проводила эксперименты по клонированию тутового шелкопряда методом партеногенеза в сочетании с селекцией.

«В результате многолетнего отбора, – пишет В. Струнников, – нам удалось накопить в генотипе селектируемых клонов невиданно большое число генов, обусловливающих высокую склонность к партеногенезу и жизнеспособность. Вылупление гусениц достигло 90 %, а их жизнеспособность, как ни удивительно, повысилась до 95-100 %», опередив в этом отношении обычные породы и даже гибриды. В дальнейшем мы «скрестили» с помощью партеногенетических самцов два генетически резко отличающихся клона разных рас и от лучших гибридных самок вывели сверхжизнеспособные клоны» (Струнников В.А. Клонирование животных: теория и практика – Природа, 1998, № 7).

Само по себе выведение клонов, обладающих высокой жизнеспособностью, является значительным научным достижением. Но обусловлено было это достижение тем, что клонировались насекомые, у которых естественная эволюция размножения ещё сохраняет наряду с половым процессом достаточно выраженную способность к партеногенезу как «запасному» варианту произведения на свет себе подобных.

Исследователи сталкивались с явлением угнетения жизнедеятельности, депрессии партеногенеза и связанного с ним клонирования, которое объясняется вытеснением клонирования из диапазона биологической работы вида в сфере размножения. Естественное клонирование остаётся своеобразным рудиментом системы размножения, приводящим к снижению жизнеспособности вследствие отсутствия поступления свежей генетической информации, передаваемой половым путём. Это явление аналогично инцесту млекопитающих, т. е. скрещиванию между близкими родственниками, несущими в своих половых клетках близкородственные гены, что приводит к появлению анемичного, болезненного потомства.

Как отмечает В. Струнников, «депрессия у тутового шелкопряда несравнимо меньше, чем у млекопитающих животных», у которых «яйцеклетка с диплоидным яром, образованным в результате слияния двух женских гаплоидных ядер или двух мужских, вообще не развивается в организм» (Там же).

Наиболее важным научным результатом многолетних экспериментов В. Струнникова с точки зрения изучения возможностей клонирования явилось выведение клонов, причём не только самок, но и самцов, с повышенной жизнеспособностью и плодовитостью при половом скрещивании. Сами по себе непосредственного практического значения для шелководства они не имеют, так как уступают размножающимся половым путём тутовым шелкопрядам по ряду экономических показателей. Так, клонированные самки слишком прожорливы, они съедают на 20 % больше листа шелковицы, а их коконы содержат на 20 % меньше шёлка.

Экономически выгодными клоны становятся только при разведении на племя при обычном половом размножении. При этом клонированные самцы спариваются с клонированными самками и из потомства отбирают особей с максимальной продуктивностью. Это позволяет повысить выход хлопка-сырца не менее, чем на 30 %. Аналогичную методику другой российский селекционер В.Наволоцкий, использовал для выведения нового сорта ячменя, выращиваемого в 1990-е годы на площадях, составляющих 5,5 млн. га.

Как видим, методы направленного (индуцированного) партеногенеза, которые использовал В. Струнников, как и методы внедрения соматического ядра, не позволяют создавать клонов, являющихся сколько-нибудь точными копиями ценных в каком-либо отношении живых существ. Генетические копии не создают фенотипических копий, и только искусственный отбор в достаточно длинном ряду поколений может приблизить фенотип генетической копии к свойствам фенотипа её оригинала. Происходит это потому, что подбираются особи, биологическая работа которых в процессе развития зародыша обладала сходством с прототипом клонирования.

Третья группа методов – технология расщепления эмбриона – более перспективна с точки зрения копирования потомства. Примером естественного расщепления эмбриона являются однояйцевые близнецы, которые вследствие идентичных условий развития в эмбриональном состоянии выполняли в матке сходную биологическую работу. Внешнее сходство таких близнецов бывает просто поразительным, однако близкие люди всё же без особого труда различают их по особым приметам, а также по манере держаться, мимике, жестам, поведению, речи и другим особенностям. Такие клоны не копируют, чаще всего, творческие способности друг друга и склонности к различным видам деятельности. Но склонности к определённым реакциям и некоторые черты характера у них могут развиться сходные. В этом сказывается как влияние общих генов, так и разнообразие социальных связей и социально обусловленной деятельности. Разделить врождённое и приобретенное не всегда бывает возможно вследствие их глубокого внутреннего единства. Однояйцевые близнецы могут быть и разнополыми, и тогда их сходство резко снижается различиями гормональных систем.

Поскольку искусственное разделение эмбрионов с целью формирования однояйцевых близнецов у животных, а впоследствии и у человека, не может обеспечить даже и генетического копирования родительского организма, практическая ценность этой технологии невелика. Возрождение вымерших видов и умерших индивидов, на которое возлагаются надежды людей на научно достижимое «воскрешение», эта технология также не обещает.

Любая технология клонирования, как и любая технология направляемой человеком эволюции, несмотря на эффектные достижения, находится сегодня лишь в зачаточном состоянии. Поэтому кажется, что обстоятельства, препятствующие копированию ценных организмов по содержащейся в их взрослых клетках генетической информации, абсолютно непреодолимы и никогда не будут преодолены.

Всё это такие же иллюзии, как и мифы о быстром решении этих проблем. Препятствия к их решению абсолютно непреодолимы нашими нынешними средствами. Бездумная фанатическая устремлённость к их преодолению может нанести немалый вред. Но вспомним: до рождения генетической инженерии считалось абсолютно невозможным клонирование млекопитающих.

Одним клонированием вряд ли возможно воссоздание ценных для человечества организмов и видов живых существ. Но сочетание биотехнологий, нанотехнологий и информационных технологий может вывести решение этих проблем на новые рубежи.

Особые трудности встают перед исследователями при попытках клонирования приматов, а значит, ещё большие встанут при попытках клонирования человека. Клонированные эмбрионы обезьян формируются с отклонениями не только в строении генетической информации, но даже в числе хромосом.

В то же время искусственное индуцирование партеногенеза при помощи сильных физических и химических раздражителей (нагрев, трение, протравливание растворами кислот) позволило восстановить склонность к партеногенезу у клеток животных, в естественной среде размножающихся исключительно половым путём. К таким животным относятся и млекопитающие, и даже приматы.

Зародыши обезьян в этих экспериментах размножались до сотни клеток, что позволяло извлекать стволовые клетки. Был создан таким образом и ранний человеческий эмбрион. Это открывает перспективы для биотехнологического производства разнообразных тканей человеческого организма для их трансплантации, причём клонированные ткани, донором исходных клеток для которых является сам пациент, не будут отторгаться его иммунной системой.

Биотехнологические методы открывают перед человеком огромные перспективы, и отказываться от них было бы не только непрактично, но и бесчеловечно.