В книге «Изобретено в России» я подробно объяснял, почему не стал касаться науки и ограничился именно изобретательским делом. А вот во второй книге без науки обойтись невозможно: в XX веке она настолько тесно сплелась с изобретательством, что разграничить их не проще, чем разделить сиамских близнецов.
Физические опыты XVIII века можно было делать в простой, по сегодняшним меркам, лаборатории с применением элементарных приборов, чаще всего изготовлявшихся самими учёными или ремесленниками по их заказу. Но уже в XIX веке материальная база науки стала сложнее, а XX век поднял планку ещё выше.
Сегодня научные открытия совершают не гении-одиночки, а группы исследователей, которые работают в больших лабораториях и пользуются дорогостоящим оборудованием. И делают они это не случайно, а в результате многолетней работы и расчётов – по сути, в XX и XXI веке учёный знает, какое открытие он хочет совершить, и медленно к нему движется.
Как раз здесь в науку тесно вплетается изобретательство. Современные приборы для научных изысканий не сделаешь своими руками. Это чаще всего сложнейшие устройства, которые требуют труда множества инженеров и технологов, а затем серийного или мелкосерийного производства или даже строительства.
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.
Искусство размножения
Растения способны к вегетативному размножению – укорениться может и отломанная от родительской особи веточка. Этот процесс основан не на половом размножении, а на регенерации целого растения из его фрагмента, в результате которой появляются клоны – генетически однородные особи. Но у вегетативного размножения есть и ряд недостатков. В частности, оно препятствует генетическому разнообразию видов, что может привести в дальней перспективе к снижению урожайности. А ещё дочерние растения генетически идентичны родительским и, соответственно, восприимчивы к тем же патогенным вирусам, бактериям и грибам – это может привести к гибели целых культур. Вот почему нужен был способ добиться фертильности гибридов – восстановить нарушенный мейоз. Тут-то в нашей истории и появляется Георгий Дмитриевич Карпеченко.
Он родился в 1899 году в городе Вельске, под Вологдой, окончил гимназию, учился в Пермском университете, а затем в Московской сельхозакадемии – знаменитой Тимирязевке (правда, в честь Климента Тимирязева её назвали позже, в 1923-м). В академии работали блестящие преподаватели; в частности, научным руководителем Карпеченко был знаменитый селекционер Сергей Жегалов, автор первого русскоязычного учебника по предмету – книги «Введение в селекцию сельскохозяйственных растений». Кстати, я живу в двух шагах от Тимирязевского парка и, гуляя там с женой, люблю заходить в небольшой тихий уголок среди деревьев, где похоронены великие селекционеры, ботаники, биологи – сотрудники Тимирязевки. Там лежит и Жегалов с семьёй, и не найти лучшего места для упокоения человека, всю жизнь отдавшего растениям.
Но вернёмся к Георгию Карпеченко. Он окончил академию в 1922 году и остался работать на кафедре селекции растений «для подготовки к учено-учебной деятельности» (читай – в аспирантуре). Именно там в 1924 году, в возрасте 25 лет, он сделал своё самое значительное открытие или, можно сказать, изобретение. Карпеченко работал с гибридом посевной редьки (Raphanus sativus) и огородной капусты (Brassica oleracea). Оба этих вида относятся к семейству капустных, но к разным родам (соответственно капусты и редьки), то есть в данном случае гибридизация была даже не межвидовой, а межродовой. Итоговый гибрид носил название «рафанобрассика» (Brassicoraphanus), полученное слиянием латинских наименований родительских видов.
Естественно, рафанобрассика имела тот же недостаток, что и прочие гибриды. Она была стерильной из-за нарушения мейоза: хромосомы капусты и редьки не вступали в конъюгацию. Но Карпеченко нашёл оригинальное решение проблемы.
Как я уже говорил, клетка с одинарным хромосомным набором (у человека это, например, 22+X) называется гаплоидной. Клетка с двойным набором (например, 44+XX) – диплоидной. Но у человека других вариантов быть и не должно. Если нарушается плоидность, то есть число одинаковых наборов хромосом в клетке, то возникают различные генетические заболевания. Но у других видов – чаще у растений, но также у и некоторых животных, скажем у нематод или аскарид, которым не свойственно хромосомное определение пола, – нормальным явлением считается полиплоидия, то есть ситуация, когда в клетке содержится не одинарный или двойной, а тройной, четверной и т. д. набор хромосом.
Полиплоидию, надо сказать, тоже открыл российский учёный – ботаник-цитолог Иван Иванович Герасимов. Исследуя влияние температуры на клетки зелёной водоросли спирогиры, он обнаружил, что при нагревании в ней образуются клетки с двумя ядрами, которые затем успешно делятся, и в результате образуются новые клетки – с одним ядром и четверным набором хромосом. Впоследствии полиплоидия была разделена на две разновидности: аутополиплоидию, когда в одной клетке мультиплицируется один и тот же геном, и аллополиплоидию, когда в одной клетке сосуществует два разных генома.
Собственно, именно аллополиплоидия и стала решением проблемы стерильности. Изначально и у редьки, и у капусты по девять пар хромосом (в редьке – RR, в капусте – BB). Межвидовой гибрид RB, с которым изначально работал Карпеченко, также имел 18 хромосом, но девять из них были от редьки, а другие девять – от капусты, и они не могли конъюгировать между собой. Соответственно, мейоз нарушался и гибрид оставался стерильным.
Карпеченко обработал некоторые проростки гибрида колхицином – достаточно простым алкалоидом, широко применяемым ныне в сельском хозяйстве в качестве мутагена для получения новых сортов и в качестве медицинского средства при некоторых заболеваниях. Одно из свойств колхицина – способность разрушать микротрубочки веретена деления, специфической вспомогательной структуры, образующейся при делении клетки. Результатом обработки стало получение гибридов, которые имели удвоенный набор хромосом – не RB, а RRBB. Соответственно, при дальнейшем половом размножении хромосомы R конъюгировали со «своими» же R дублирующего набора, а B – с аналогичными B. Свойства гибрида от этого не изменялись, но мейоз становился возможным, а гибрид с 36 хромосомами, складывающимися в 18 пар, – фертильным.
Забавно, что стабильная и фертильная Raphanobrassica оказалась совершенно бесполезной в практическом плане. От капусты она получила корни, а от редьки – ботву (исследователь рассчитывал, что будет наоборот). Тем не менее первый в истории фертильный растительный гибрид имел огромное научное значение. По сути, Георгий Карпеченко впервые в истории создал абсолютно новый рукотворный вид, способный к половому размножению.
Взлёт и падение Георгия Карпеченко
Следующие несколько лет стали для Карпеченко золотыми. В 1925 году его пригласил к себе во Всесоюзный институт растениеводства сам Николай Вавилов, и Карпеченко организовал там и возглавил лабораторию генетики. Его работы были востребованы в Советском Союзе и за границей – в том же 1925-м он отправился в длительную зарубежную командировку и посетил ряд ведущих генетических лабораторий мира: в Великобритании, Финляндии, Швеции, Норвегии, Дании, Франции, Австрии. В 1927 году он триумфально выступил с докладом о своих работах с рафанобрассикой на Пятом Международном генетическом конгрессе в Берлине. Между прочим, Международные генетические конгрессы (IGC) проводятся каждые пять лет до сих пор; СССР принимал это крупнейшее мероприятие отрасли в 1978 году, а последний на момент написания книги конгресс 2018 года прошёл в Бразилии. Берлинский съезд 1927 года собрал более 900 делегатов, и советские генетики не просто выглядели на нём достойно, но находились в числе лидеров.
Лаборатория Карпеченко вела многочисленные исследования и активно сотрудничала с другими лабораториями мира – метод, разработанный Георгием Дмитриевичем, был взят иностранными коллегами на вооружение ещё в 1926 году, после первого его путешествия в Европу. К слову, у Карпеченко в лаборатории генетики работала и супруга Вавилова – Елена Барулина, специализировавшаяся на чечевице.
1929-й был, видимо, самым продуктивным и спокойным годом для всей советской генетики. Карпеченко стажировался в США, где работал в Пасадене (Калифорния) с несколькими другими советскими генетиками. Особенно он сдружился с Феодосием Добржанским, преподавателем ЛГУ, находившимся там же в рамках программы научного обмена между двумя странами. Добржанский так и не вернулся в СССР – ему повезло в том, что на момент, когда советское правительство резко охладело к генетике, он всё ещё был в США и понял, что возвращение чревато неприятностями. А вот Карпеченко вернулся.
Дальнейшие события хорошо известны тем, кто изучал историю науки. С 1928 года популярность и вес в советском научном сообществе начал набирать «выходец из народа», агроном-самородок Трофим Денисович Лысенко, адепт лженаучного направления мичуринской агробиологии[2]. Для краткой характеристики этой «науки» достаточно сказать, что её сторонники отрицали роль ДНК в наследственности, отрицали применение математики в биологических работах, утверждали, что изменение внешних условий может изменить организм на уровне наследственности, и т. д. Возникло противостояние между генетиками и сторонниками мичуринской агробиологии, и, к сожалению, Сталину, человеку без образования и понимания вопроса, больше понравились громкие лозунги и обещания Лысенко, а не сложные научные объяснения Вавилова.
Далее началась знаменитая «лысенковщина» – политическая кампания по преследованию генетиков. Множество талантливейших исследователей погибли в лагерях. По сути, не было ни одного генетика, которого бы не арестовывали и как минимум не допрашивали по подозрению в «шпионаже», «протаскиванию враждебных теорий» и т. д. Были расстреляны сильнейшие генетики – Израиль Агол, Соломон Левит и пр., а сам Николай Вавилов умер в тюрьме 26 января 1943 года.
Георгия Дмитриевича Карпеченко арестовали 15 февраля 1941 года. Он успел сказать жене всего несколько слов: «Галя, позаботься, чтоб Валя поступила в университет…» (имея в виду их шестилетнюю дочь). Первоначально ему предъявили обвинение в «шпионско-вредительской деятельности», затем добавили борьбу против «передовых методов научно-исследовательской работы и ценнейших достижений академика Лысенко по получению высоких урожаев».
Карпеченко расстреляли на полигоне «Коммунарка» 28 июля 1941 года. Жене о смерти мужа сообщили лишь в 1955 году, а истинную причину смерти (расстрел), как и точную дату гибели учёного, рассекретили и вовсе в 1991-м.
Эти репрессии отбросили советскую генетику, на тот момент одну из сильнейших в мире, на десятилетия назад. Нет, кафедры и лаборатории генетики остались и работавшие там учёные продолжали дебаты и борьбу против лысенковщины, но в целом эта наука была обезглавлена. Её возрождение началось только во времена хрущёвской оттепели, и стране пришлось нагонять упущенное.
Но всё-таки стоит помнить, что технология, открытая и опробованная в 1924 году именно советским учёным, дала мировой генетике толчок, сравнимый в какой-то степени с открытиями Менделя.