Валерий Чолаков
Нобеловите награди (48) (Учени и открития (1901–1982))

Начало на генетиката

През 18 век, с развитието на съвременното естествознание, вниманието на изследователите бе привлечено от тайнствените процеси на размножението и сътворението на новия живот. Оттогава датират и първите научни експерименти по хибридизиране на различни организми. Един от пионерите в тази област е английският селекционер Томас Ендрю Найт. Кръстосвайки различни растения, той обърна внимание, че всеки сорт има свой собствен комплекс от признаци. В хибридите тези особености не се губят, а се унаследяват в различни комбинации. Така в началото на 19 век Найт стигна до концепцията за елементарните наследствени признаци, които сто години по-късно щяха да бъдат наречени гени.

В историята на генетиката след Найт обикновено се споменават френските изследователи Огюстен Сажре и Шарл Ноден. Най-важното откритие на Сажре е установяването на явлението доминантност. При кръстосване на различни сортове в хибридите често се проявяват признаците само на единия родител. В следващите поколения обаче могат да се проявят потиснатите признаци на другия родител. Това показваше, че елементарните наследствени белези не се губят при кръстосването. В 1852 г. Ноден предприе експерименти за количествено изследване на разпределението на наследствените признаци при кръстосване. Но и той работеше, също като Сажре, с растения, които бяха малко подходящи за такъв анализ. Работата на тези двама изследователи, както и на други учени, подготви почвата за разкриването на важни генетични закономерности. Необходима бе обаче правилна постановка на въпросите и точно формулиране на експеримента, за да се получат ясни резултати.

Това направи чешкият изследовател-аматьор Грегор Мендел със своите опити, проведени в Бърно между 1856 и 1863 г. Още от самото начало неговата работа се отличаваше с много точно планиране. Най-напред Мендел избра извънредно удачен обект за изследване — обикновения грах. След това, за разлика от Ноден, той съсредоточи вниманието си върху минимален брой признаци. Така след няколко години експерименти Мендел откри правилото за доминиране в първото поколение, отбелязано още от Сажре, независимото разпределение на признаците в следващите поколения и тяхното количествено съотношение.

Мендел бе изпреварил развитието на науката с десетилетия. През 60-те години на 19 век за наследствеността и унаследяването се измисляха най-фантастични теории. Единствено изследователите, които изучаваха процесите на размножение, стъпка по стъпка се приближаваха към истината, макар и от друга посока. В 1875 г. Ото Хертвиг обясни оплождането като съединяване на две клетки. Обобщавайки изследванията на клетъчното делене, Аугуст Вайсман обяви ядрата за носители на наследствените свойства. Изучаването на хромозомите даваше идея как могат да се разпределят наследствените фактори между двете клетки. Тези „цветни телца“ в клетъчното ядро бяха открити от Шнайдер в 1873 г. Скоро стана ясно, че техният брой е постоянен за всеки определен вид растение или животно. В 1883 г. Ван Бенеден забеляза, че в половите клетки те са два пъти по-малко. Когато се съединят, се получава двойният набор хромозоми, характерен за възрастните индивиди. Така в началото на нашия век ембриологията и цитологията бяха създала добра база за изследването на материалните носители на наследствеността. Оставаше само да бъде преоткрита генетиката. Това направиха Карл Коренс, Хуго де Фриз и Ерих фон Чермак, съответно в Германия, Холандия и Австрия.

Тримата учени публикуваха в 1900 г., независимо един от друг, своите резултати за кръстосването на растения. Чермак откри забравената работа на Мендел и тя бе отпечатана отново в 1901 г. Скоро след това двама цитолози — Сътън и Бовери, показаха, че законите на Мендел много добре се обясняват от разпределението на хромозомите при клетъчното делене. Така бавно набираше темп хромозомната теория за наследствеността.

Раждането на генетиката през първото десетилетие на нашия век бе доста бурно. Класическият генетичен анализ още не беше разработен и в изследването на наследствеността продължаваше да доминира английската биометрична школа. Нейните представители умело си служеха с математическата статистика, но малко се интересуваха от биологичната страна на въпроса. Тези учени търсеха средните стойности на количествените признаци и техните вариации. Много по-късно се разбра, че тези признаци се определят от голям брой гени и техният анализ е много труден с методите на класическата генетика. В 1908 г. обаче това не беше известно и Карл Пирсън, основателят на биометричната школа в Англия, заяви, че няма окончателно доказателство за приложимостта на менделизма към някоя от съществуващите форми на живот. По същото време имаше проблеми и в други области. В 1906 г. Бейтсън и Пънет изследваха двойки признаци и установиха, че те не се разпределят, както го изискват правилата на Мендел. Младата наука генетика бе изпаднала в криза.

Тези противоречия бяха всъщност началото на ново откритие. Необходим беше подходящ човек, за да бъде направено то. Това се оказа цитологът Томас Хънт Морган, професор по експериментална зоология от Колумбийския университет в Ню Йорк. Той успя да направи синтез между данните на статистиката и клетъчните процеси. Морган се зае с експерименти в генетиката през 1909 г., като най-напред тръгна сред колегите си от университета да търси малко същество, което бързо да се размножава на ограничено пространство и при ограничени средства. Оказа се, че на тези условия отлично отговаря широко разпространената винена мушица. Нейното латинско име е Дрозофила меланогастер — напълно подходящо за бъдеща знаменитост.

Малката лаборатория на Морган, наречена „дрозофилната стая“, скоро бе задръстена с бутилки от мляко, лабораторни колби, епруветки и други такива неща. Поставена в такъв съд, двойка дрозофили има нужда само от парченце банан за пълното си щастие и след 12 дни дава потомство от 1000 индивида. С малко етер те лесно се упояват, след което могат да бъдат сортирани с акварелна четка. Морфологията на дрозофилата е извънредно богата и предлага голямо разнообразие от форми на власинки, крилца, антени, цвят на очи и други подобни, което я прави идеален обект за генетиката.

Изследвайки разпределението на признаците, Морган се сблъска със същото „взаимно привличане на гените“, забелязано от Бейтсън и Пънет в 1906 г. Установи се, че наследствените белези на дрозофилата се разпределят в три групи, които се унаследяват като цяло, свързани едни с други. Морган нарече този феномен „скачване на гените“. Като цитолог той много добре знаеше, че в клетките на дрозофилата има три големи хромозоми. Наред с тях има и една четвърта, малка хромозома. Няколко години по-късно, в 1914 г., Херман Мълтър, който работеше тогава при Морган, откри и четвърта група гени, наистина твърде малобройна.

Така Морган установи, че гените действително се намират в хромозомите. Това откритие бе много добър отговор на противоречието, установено от Бейтсън и Пънет. Скоро обаче се появиха нови проблеми. Гени, за които се знаеше, че са в една група, в следващите поколения изведнъж се оказваха в различни групи. Морган предположи, че се извършва обмен на генетичен материал между различните хромозоми. Той дори успя да види това под микроскоп. Двете хромозоми се доближават и се прекръстосват, като си обменят фрагменти. Този процес бе наречен кросинговер.

Морган си представяше гените наредени по дължината на хромозомата като зрънца от мъниста. Експерименталните данни го доведоха до забележителната идея за създаването на генетични карти. Очевидно колкото са по-раздалечени два гена, толкова е по-голяма вероятността нишката между тях да се прекъсне и да се рекомбинира по друг начин. С помощта на просто изчисляване на процента на кросинговер стана възможно да се установи относителното разстояние между гените в хромозомата. Впоследствие бе въведена дори мерната единица „морган“, която отговаря на един процент кросинговер.

Забележителните открития на Томас Хънт Морган дадоха огромен тласък на генетиката. Младата наука получи своите първи теоретични обобщения и признанието на научния свят. Един израз на това признание бе решението на професорите от Каролинския институт да се даде Нобеловата награда по физиология и медицина за 1933 г. на Морган за създадената от него хромозомна теория за наследствеността.

В опитите на Морган една нова мутация се откриваше веднъж на няколко хиляди дрозофили. С развитието на концепцията за гена стана ясно, че в основата на мутациите лежат някакви химични промени във веществото-носител на наследствената информация. Този въпрос бе изучен подробно от Херман Джозеф Мълър, който още като студент влезе в групата на Морган. Усвоявайки до съвършенство методите за работа с дрозофили, той започна собствени изследвания върху мутациите, техните причини и възможностите за изкуственото им получаване.

Мълър подлагаше малките мушици на различни въздействия и още в началото установи, че с повишаването на температурата расте и броят на мутациите. Той си припомни известната закономерност от химията, че топлината увеличава скоростта на реакциите, и реши да търси други, още по-силно действуващи агенти. Той започна със светлинно облъчване и накрая през 1926 г. стигна до рентгеновите лъчи. Една година преди това Г. Надсон и Г. Филипов в Съветския съюз вече бяха провели подобни опити, облъчвайки дрожди с рентгенова радиация.

Тези експерименти поставиха началото на радиобиологията. Мълър успя да постигне почти сто процента мутации в потомството, което е хиляди пъти повече от естествените случаи. Така той реализира една своя мечта от младежките си години — да се ускори процесът на еволюция, да се намери начин за намеса в него. Методът за получаване на изкуствени мутации бе веднага възприет от селекционерите. Още през 1928 г. Л. Стадлър го приложи с успех при царевицата. През 30-те години Тимофеев–Ресовски, Макс Делбрюк и други учени създадоха теорията за мишената, която обясняваше действието на радиацията.

Откритието на Мълър го направи световноизвестен учен. През 1932 г. той бе поканен на работа в Берлин, а две години по-късно в Ленинград, където работи с големия съветски генетик Николай Вавилов. До 1937 г. Мълър бе на работа в Москва, като имаше на свое разположение значителен брой сътрудници. В 1945 г. светът научи за зловещата мощ на атомното оръжие. Радиобиологията стана изведнъж извънредно актуална. И съвсем скоро, през 1946 г., Херман Мълър получи Нобеловата награда по медицина и физиология за предизвикването на мутации с рентгенови лъчи.

Хромозомната теория за наследствеността бе върховно постижение на класическата генетика. Хромозомните карти и изкуствените мутации с радиация или химични мутагени се оказаха мощно оръжие в ръцете на селекционерите. С тяхна помощ интуитивният подбор, извършван в течение на хилядолетия, се превърна в точна наука и създаването на нови сортове неимоверно се ускори. През 50-те и 60-те години бяха получени нови високодобивни култури и ефектът от тяхното въвеждане бе толкова впечатляващ, че се заговори за „зелена революция“.

Сред хората, довели до нейното възникване, е Норман Ърнест Борлоу. През 50-те години той започна изследвания в Мексико върху нискостъблените пшеници, като направи кръстоска между японския сорт „норин“ и други известни сортове. Постепенно бяха получени хибриди с ниското стъбло на японския си предшественик и ценните качества на другите сортове. Това се оказа извънредно важно за интензификацията на земеделието. Ниското стъбло може да носи голям клас, без да поляга, и растението не изразходва енергия за образуването на вегетативна маса, която се превръща в ненужна слама.

Норман Борлоу не беше кабинетен учен. След като проведе тази блестяща селекционерска работа, той положи огромни усилия, за да бъдат внедрени новите сортове в максимално кратък срок. През 1965 г. той организира изпращането на десетки хиляди семена от Международния институт по пшеницата в Мексико за индийския субконтинент — един от районите на хроничен глад. За по-малко от пет години производството на зърно в Индия и Пакистан се увеличи два пъти.

Личните заслуги на учения, който напусна лабораторията си, за да решава проблема за глада на място, накараха Нобеловия комитет при Норвежкия стортинг да даде през 1970 г. на Норман Борлоу Нобеловата награда за мир.