17 октября 2019, четверг, 23:10
VK.comFacebookTwitterTelegramInstagramYouTubeЯндекс.Дзен

НОВОСТИ

СТАТЬИ

PRO SCIENCE

МЕДЛЕННОЕ ЧТЕНИЕ

ЛЕКЦИИ

АВТОРЫ

История изобретательской мысли в СССР

Raphanobrassica - нестерильный гибрид редьки и капусты
Raphanobrassica - нестерильный гибрид редьки и капусты

Продолжаем знакомить читателей с книгами, вошедшими в длинный список ежегодной премии «Просветитель». В октябре из их числа будут выбраны восемь изданий, среди которых позже и определят победителей в двух номинациях: «естественные и точные науки» и «гуманитарные науки».

Книга Тима Скоренко «Изобретено в СССР. История изобретательской мысли с 1917 по 1991 год» (издательство «Альпина нон-фикшн») стала продолжением его книги «Изобретено в России. История русской изобретательской мысли от Петра I до Николая II». В предисловии автор формулирует цели обеих книг: во-первых, «рассказать о замечательных изобретениях, сделанных в разное время нашими соотечественниками, — максимально объективно, не преуменьшая и не преувеличивая их заслуг», а во-вторых, «развеять многочисленные мифы и фальсификации, связанные с историей изобретательства». Своим девизом Тим Скоренко выбрал фразу «Прежним остался и девиз: "Россия — не родина слонов, зато у нас есть замечательные амурские тигры"».

Если в книге «Изобретено в России» описывались только технические достижения отечественных инженеров и изобретателей, то в новой книге обширный раздел посвящён открытиям учёных разных специальностей: генетиков, физиков, трансплантологов, полярных исследователей, медиков. Особые разделы книги «Изобретено в СССР» посвящены достижениям в исследованиях космоса, а также спорным вопросам о приоритете в различных открытиях и изобретениях. Заключительная глава книги рассказывает о выдающихся учёных и изобретателях, покинувших Советский Союз.

Предлагаем ознакомиться с фрагментом книги, где рассказывается о биологе Георгии Карпеченко, создавшим рафанобрассику — первый в истории нестерильный растительный межвидовой гибрид.

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 учёно-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[1]. 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», «протаскивании 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.



[1] Стоит заметить, что Иван Владимирович Мичурин к этому направлению никакого отношения не имел. Лысенко попросту воспользовался прославленным именем. Он написал уже после смерти великого учёного программную статью «Множьте ряды мичуринцев», в которой заложил ряд идей, давших начало сомнительной теории.

Ранее в рубрике «Медленное чтение» были представлены следующие книги, вошедшие в длинный список премии «Просветитель» 2019 года:

Обсудите в соцсетях

Система Orphus
«Ангара» Африка Византия Вселенная Гренландия ДНК Иерусалим КГИ Луна МГУ Марс Монголия НАСА РБК РВК РГГУ РадиоАстрон Роскосмос Роспатент Росприроднадзор Русал СМИ Сингапур Солнце Титан Юпитер акустика антибиотики античность археология архитектура астероиды астрофизика бактерии бедность библиотеки биомедицина биомеханика бионика биоразнообразие биотехнологии блогосфера викинги вирусы воспитание вулканология гаджеты генетика география геология геофизика геохимия гравитация грибы дельфины демография демократия дети динозавры животные здоровье землетрясение змеи зоопарк зрение изобретения иммунология импорт инновации интернет инфекции ислам исламизм исследования история карикатура картография католицизм кельты кибернетика киты климатология клонирование комета кометы компаративистика космос культура лазер лексика лженаука лингвистика льготы мамонты математика материаловедение медицина металлургия метеориты микробиология микроорганизмы мифология млекопитающие мозг моллюски музеи насекомые наука нацпроекты неандертальцы нейробиология неолит обезьяны общество онкология открытия палеолит палеонтология память папирусы паразиты перевод питание планетология погода политика право приматы психиатрия психоанализ психология психофизиология птицы ракета растения религиоведение рептилии робототехника рыбы сердце смертность собаки сон социология спутники старение старообрядцы стартапы статистика такси технологии тигры топливо торнадо транспорт ураган урбанистика фармакология физика физиология фольклор химия христианство цифровизация школа экология электрохимия эпидемии эпидемиология этология язык Александр Беглов Древний Египет Западная Африка Латинская Америка НПО «Энергомаш» Нобелевская премия РКК «Энергия» Российская империя Сергиев Посад альтернативная энергетика аутизм биология бозон Хиггса глобальное потепление грипп информационные технологии искусственный интеллект история искусства история цивилизаций исчезающие языки квантовая физика квантовые технологии климатические изменения компьютерная безопасность компьютерные технологии космический мусор криминалистика культурная антропология междисциплинарные исследования местное самоуправление мобильные приложения научный юмор облачные технологии обучение одаренные дети педагогика персональные данные подготовка космонавтов преподавание истории продолжительность жизни происхождение человека русский язык сланцевая революция физическая антропология финансовый рынок черные дыры эволюция эмбриональное развитие этнические конфликты ядерная физика Вольное историческое общество жизнь вне Земли естественные и точные науки НПО им.Лавочкина Центр им.Хруничева История человека. История институтов дело Baring Vostok Протон-М 3D Apple Big data Dragon Facebook Google GPS IBM MERS PRO SCIENCE видео ProScience Театр SpaceX Tesla Motors Wi-Fi

Редакция

Электронная почта: polit@polit.ru
Телефон: +7 929 588 33 89
Яндекс.Метрика
Свидетельство о регистрации средства массовой информации
Эл. № 77-8425 от 1 декабря 2003 года. Выдано министерством
Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и
средств массовой информации. Выходит с 21 февраля 1998 года.
При любом использовании материалов веб-сайта ссылка на Полит.ру обязательна.
При перепечатке в Интернете обязательна гиперссылка polit.ru.
Все права защищены и охраняются законом.
© Полит.ру, 1998–2019.