Многие весьма значительные предпосылки в виде предшествующих достижений Отдела химической генетики для выполнения этой программы уже существовали, но вместе с трагической гибелью Иосифа Абрамовича надежда на ее осуществление в том полном объеме, в котором она была им задумана, умерла. Расхожий тезис о том, что незаменимых людей нет, неверен.
С.Т. Захидов
ПРИНЦИП ПОДОБИЯ МЕЖДУ ОБЪЕКТАМИ ФИЗИЧЕСКОГО И ГЕНЕТИЧЕСКОГО МИКРОМИРА В ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ТРУДАХ И.А.РАПОПОРТА
1900 год в естествознании ознаменовался рождением двух великих теорий: квантовой и генной, установивших две фундаментальные черты материального мира - дискретность и скачкообразность. Открытия электрона, порционности электромагнитной энергии, рентгеновских квантов, явления радиоактивности и явления наследственности (менделевские расщепления) проложили путь к господству атомистических воззрений в теории строения материи.
Все последующее развитие генной инженерии, связанное с открытиями явлений множественного аллелизма (генетической изотопии), немых (неактивных) генов, интронно-экзонной организации гена, механизма образования мутаций подтвердили квантовую сущность генетического субстрата, показали, что все многообразие биологического мира осуществляется дискретными генетическими единицами, их сочетаниями и изменениями.
Вскоре после того, как вышла статья голландского ботаника, одного из трех европейских исследователей, переоткрывших независимо друг от друга менделевские закономерности, Гуго де-Фриза "Мутационная теория"1, стало ясно, что наследственные изменения происходят в результате скачкообразных, случайных, перемен в генетическом материале и что понятия "скачок" и "мутация", "скачкообразность" и "мутационность" - понятия синонимы. Позже Э. Шредингер в этой связи писал2, что факт прерывистости, означающий (в генетике) отсутствие между неизменными особями и немногими измененными промежуточными формами, напоминает физику квантовую теорию, в которой есть положение о том, что между двумя соседними энергетическими уровнями нет промежуточных ступеней. Во многих случаях качественные, скачкообразные изменения генов происходят благодаря количественным
1 Г. де-Фриз. Мутации в учении о наследственности // Новые идеи в биологии / Под ред. проф. В.А. Вагнера. СПб.: Образование, 1914. С. 1-59.
2 Шредингер Э. Что такое жизнь с точки зрения физики? М.: ИЛ, 1947.
184
изменениям в наследственных структурах, протекающие при этом мутагенные реакции по своему характеру очень сильно напоминают явления, наблюдаемые в квантовом мире, а именно: ядерные реакции, процессы радиоактивного распада, деления атомного ядра и его полного расщепления на составные частицы.
Большой вклад в развитие идей генетической атомистики внесли экспериментальные и теоретические исследования И.А. Рапопорта3. Эти исследования показали, что в генетических системах действуют те же закономерности, что и в микрофизике: атомизм, высокая упорядоченность дискретных единиц, их делимость на другие порядки прерывности, скачкообразность переходов из одного состояния в другое. Они показали, что в системе природных атомизмов генетическое строение, включающее в себя пять дискретных ступеней усложнения (нуклеоти- ды—>триплеты—>гены—>хромосомы—>геном), имеет свое особое положение и что основу этой иерархической лестницы составляют нуклеотиды - "элементарные частицы" наследственности.
Нуклеотиды, плавающие в огромном числе в протоплазматической среде, представляют собой чисто химические тела, не имеющие генетических свойств. Последнее они приобретают только в процессе химикофизических преобразований генного катализа и последующего взаимодействия с аминокислотами. Генетическая материализация нуклеотидов и аминокислот не сопровождается изменениями их собственной (общей) массы, хотя внутренняя энергия, возможно, приобретает новую форму - генетическую. Другими словами, квантовый процесс рождения генетических нуклеотидов в аутокатализе сопровождается потерей исходного химического состояния нуклеотидов. И, наоборот, порвав валентные связи с соседними нуклеотидами и покинув генную структуру, они теряют статус генетических единиц и вновь приобретают свойства свободных химических нуклеотидов, которые в дальнейшем деградируют в протоплазматической среде (Рапопорт, 1991). Аналогичную ситуацию можно наблюдать при ядерных процессах, когда свободный нейтрон испытывает бета-распад.
Созидательный синтез, действующий в генетической организации, интегрирует дискретные нуклеотиды в триплеты, триплеты в гены, гены "вложены" в хромосому, геометрия которой проста и напоминает собой построение химических полимеров, но отличается от них ориги-
3 Рапопорт И.А. Микрогенетика. М.: Наука, 1965; Он же. Модель формирования генетического вещества // Химический мутагенез и создание селекционного материала. М.: Наука, 1972. С. 13-43; Он же. Сопряжение созидательных процессов на генетическом и селекционном уровнях // Там же. С. 43-72; Он же. Хромосомы в репарационном процессе // Химический мутагенез и иммунитет. М.; Наука, 1980. С. 3-35; Он же. Значение генетически активных соединений в фенотипической реализации признаков и свойств // Химический мутагенез в селекционном процессе. М.: Наука, 1987. С. 3-53; Он же. Генетическая дискретность и механизм мутаций // Химический мутагенез и проблемы селекции. М.: Наука, 1991. С. 3-62; Он же. Две системы прерывности и термодинамическая флуктуация в генетическом строении // Химический мутагенез и задачи сельскохозяйственного производства. М.: Наука, 1993. С. 417-432; Он же. Открытие химического мутагенеза // Избранные труды. М.: Наука, 1993; Он же. Гены, эволюция, селекция. М.: Наука, 1996.
185
нальной природой прерывности. В хромосоме индивидуальные нуклеотиды, гены расположены в линейной последовательности (что отличает хромосомную систему, как впрочем и генную, от квантовой модели атома Бора), между ними нет генетических областей, они взаимодействуют между собой, и это ведет к их упорядоченности. Генетическое строение накладывает категорический запрет на разветвление хромосом (Рапопорт, 1993). Высшая ступень генетического полиатомизма - геном. Поскольку высшие формы генетического строения заключает в себе низкие формы, разделение генетического строения на микрогенетическое и макрогенетическое невозможно без потерь цельности. Тем не менее каждая из ступеней обладает собственными, своеобразными качествами и значительной самостоятельностью (Рапопорт, 1980, 1993).
История возникновения строго упорядоченного, универсального генетического строения неизвестна. Генетическая формация могла возникнуть либо в результате длительного эволюционного процесса, либо в результате резкого изменения внешних условий, преобразовавшего протяженную химическую структуру в прерывистые формы. Генетическая формация, давшая начало всему живому на земном шаре, - это качественно новая, переходная ступень в развитии видимого мира, пограничная область между мертвой и живой природой. В основе этой формации лежат два вида прерывности - старшая, не отвергнутая - микрофизическая, излишне подчеркивающая, что ее сохранение в генетическом устройстве - признание единства строения материи во всех ее многообразных формах; и младшая, новая физико-химическая, рожденная в результате химической конъюгации между новыми, необычными элементами материи - химическими нуклеотидами и химическими аминокислотами, заложившими начальную предпосылку будущего отрыва генетики от химии.
Генетическое строение, воплотившее в себе два самостоятельно развитых интерьера, отличается от чисто молекулярной формации рядом важных, оригинальных особенностей (Рапопорт, 1987, 1991, 1993, 1996): 1) генетическое строение, выраженное в структуре нуклеопротеиновых генов и хромосом, не способно к фазовым переходам; 2) генетическое строение воплощает уникальные генетические спектры преобразований в митозе и мейозе, генетические катаклизмы; 3) гены, имеющие собственное материальное поле, способны взаимодействовать только с избранным классом химических молекул, обладающих могучим прогенетическим потенциалом, в то время как чисто химические нуклеиновые кислоты и белки вступают во взаимодействия со многими химическими телами, причем их реакции с мутагенами не подчинены прерывистой закономерности; 4) внутригенная и внутрихромосомная нуклеопротеиновая конъюгации устойчивы и нечувствительны к крупным сдвигам рН, тогда как химический нуклеопротеиновый конъюгат распадается на составные части при критическом значении рН раствора.
В отличие от других материальных дискретных формаций генетическая прерывность способна к самовоспроизводству (аутокатализу) и преобразованиям по механизмам генных, хромосомных и геномных мутаций, способна - и до сих пор наука не знала таких примеров - сформировать через деятельность промежуточных узлов (активность гена -
186
информационная нуклеиновая кислота, рибосома-фермент) структуру типа признака, проверяемого не фигурирующим где-либо вне живой природы естественным отбором на адаптивность.
Проекция генетического строения на физическую, кварковую прерывность дала новые доказательства в пользу теории генетической атомистики. "С появлением первых статей, доказавших существование кварков и тройственной их интеграции в барионах, - пишет И.А. Рапопорт (1991), - бросилось в глаза подобие трех нуклеотидов в триплете и трех кварков в барионе. Оно распространилось позже на параллель между четверкой исходного разнообразия как нуклеотидов, так и четырех различных кварков, участвующих в образовании барионов. С учетом прерывности обеих сопоставляемых систем не перестает нарастать многообразие всех других образцов подобия".
К сожалению, рамки статьи исключают возможность даже конспективного изложения способов доказательств и анализа всех установленных И.А. Рапопортом примеров общности между микрофизическими и микрогенетическими объектами, связывающими две дискретные системы, и ограничиться простым их перечислением. Заинтересованного читателя я отсылаю к работе И.А. Рапопорта "Генетическая дискретность и механизмы мутаций" (1991).
Итак, параллели, которые были установлены между генными нуклеотидами с триплетами и кварками с барионами:
I. Подобие генетических нуклеотидов в составе триплетов и кварков в барионах.
II.Подобие наборов четырех внутригенных нуклеотидов и четырех кварков.
III. Подобие между двумя видами взаимодействия в нуклеотидах и кварках.
IV. Подобие между структурой кварка и нуклеотидной структурой по спину.
V. Подобие между электрическим зарядом кварка и дипольным моментом генетического нуклеотида.
VI. Подобие включенного состояния (confinment) во внутрибарионовом, внутритриплетном, внутригенном и внутрихромосомном положениях.
VII. Подобие между кварками и внутригенными нуклеотидами по недоступности их анализу с помощью спектральных устройств.
VIII. Подобие между хромосомами и хромосомоподобными элементами, наблюдаемыми при рождении кварка (или глюона).
IX. Подобие между отсутствием свободных кварков и свободных генетических нуклеотидов.
X.Подобие между барионовыми квантовыми числами и триплетными квантовыми числами в генетических триплетах.
XI. Подобие квантовых чисел, определяющих индивидуальность кварков и генетических нуклеотидов.
XII. Подобие полноты выхода генетических триплетов и барионов, достигаемое в различных пределах, в связи с гетерогенностью чередования триплетов в генах.
187
XIII. Подобие квантовой интеграции в цветных барионах и генетических триплетах.
XIV. Подобие преобразования внутригенных нуклеотидов и кварков в составе барионов вне зависимости от их массы.
XV. Подобие положения глюонов в системе кварков и генетической нуклеопротеиновой системы, приближенное родство между генетическими нуклеотидами и кварками.
"В пользу использованного приема сопоставления, - пишет Рапопорт, - говорит применение в разных областях квантовой физики близких идей и родственного аппарата". Так, например, модель оболочечного строения атома очень часто переносят на атомное ядро, представляющее собой также сложную квантово механическую систему, состоящую из протонов и нейтронов. Рапопорт был убежден, что будут найдены и другие образцы подобия между объектами физического и генетического микромира, не менее убедительные, что найдены между кварками и нуклеотидами. Правда, справедливости ради надо сказать, что и приведенные сопоставления дают богатейший материал для теории генетической прерывности.
Современная генетическая атомистика, как конкретное учение о строении и свойствах органической наследственной материи, не ограничивается простым постулированием ее квантовой природы, но рассматривает ее слагающие дискретные единицы как качественно разные ступени или узлы, подлежащие дальнейшему анализу. Исследования, которые ведутся в последние годы на базе методов молекулярной биологии и рапопортовского химического мутагенеза, приближают нас к пониманию реального механизма наследственности, который, по убеждению Э. Шредингера, тесно связан с квантовой теорией и даже опирается на нее. Нет никаких сомнений, что уже в скором времени мировоззренческий взгляд И.А. Рапопорта будет востребован современным научным сообществом, занятым синергетическими проблемами, и будет с успехом интегрирован в общую теорию самоорганизации сложных динамических систем.