Мы планируем живое

Мы планируем живое

Если жизнь однажды сама себя создала, то не должно оказаться чересчур трудным создать ее снова.

Джон Бернал

Можно совершить своего рода кинопутешествие, которое познакомит нас с новой и перспективной областью радиобиологии - с радиоселекцией.

Представим себе среднюю полосу России. Широкое ячменное поле. И над ним захлебывающегося от счастливой, бесконечной песни жаворонка. Нитку телеграфных столбов, убегающих за горизонт. Колышущиеся на ветру пряди берез...

Объектив приблизился к тучному ячменному колосу. Он занял весь экран. Вероятно, июльский ветер гнал упругие волны по хлебному полю. Тяжелый колос покачивался плавно и гордо. С высоты птичьего полета было видно, что поле разбито на аккуратные квадраты. По углам каждого участка виднеются вбитые деревянные колья. К ним приколочены фанерные небольшие щиты. На каждом карандашом проставлены номера и шифры: № 1 - норма, № 2 - гамма... Все шестнадцать квадратов имеют такие обозначения.

Горизонт затягивают зловещие фиолетово-черные грозовые тучи. Жаворонок сложил крылья и камушком упал на землю. Ячменное поле замерло. Тяжелая, как свинцовая пуля, дождевая капля ударила в обочину дороги и подняла крохотное облачко пыли. Июльская гроза началась. Ливень бешено молотит по колосьям растений. Ураганный ветер остервенело носится по полю, швыряет пригоршни града.

Когда гроза кончилась и выглянуло солнце, снова залился песней жаворонок.

А ячменное поле изменилось. Теперь оно напоминало мирный город после вражеской злобной и бессмысленной бомбардировки. Колосья лежали прибитые к земле, сломанные и обреченные. Но пострадали только определенные участки поля. Опустошенный ливнем квадрат чередовался с неповрежденным, на нем колосья были будто умыты ласковым дождем. На неповрежденном квадрате стояла пометка "гамма".

В чем же дело? Ураганный ветер и дождь безумствовали на всем поле.

Оказывается, на экране было показано опытное поле, на котором испытывали новый сорт ячменя, полученный после гамма-облучения,- новый радиационный мутант. Этот сорт имеет более толстую и прочную солому, не полегающую от ливня и сильного ветра. Делянки с таким ячменем имели шифр "гамма". Они не пострадали от грозы. Радиационный мутант обладал и рядом других полезных свойств: более устойчив к различным заболеваниям, дает повышенные урожаи зерна. Как будто бы и немного - на пять-шесть процентов выше нормы. Но на огромных посевных площадях собирают дополнительно тысячи пудов зерна!

Это пример "высокой практики" радиоселекции. Но "высокая практика" должна иметь и "высокую теорию".

Чтобы познакомиться с одним из выдающихся открытий нашего времени в области молекулярной радиобиологии, продолжим наше кинопутешествие, совершим поездку в старейший английский университет.

На экране возникла карта острова. Показалось старомодное здание Кембриджского университета. В тесноватой лаборатории, заставленной шкафами, забитой книгами и похожими на детские игрушки моделями гигантских молекул, были двое молодых ученых - Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон. Джеймсу Уотсону на вид было не больше двадцати пяти лет.

Молекула ДНК напоминает веревочную скрученную лестницу

Казалось, что они с увлечением играют в какую-то игру, напоминающую сооружение фантастических машин из пластинок детского конструктора. Исследователи задали себе нелегкую задачу. Каково строение загадочной молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты, или просто ДНК, ответственной за передачу наследственных признаков? Молекула ДНК состоит из более просто построенных составных частей - азотистых оснований. Эти основания носят названия аденина, тимина, гуанина и цитозина. В любом живом организме количество адениновых оснований всегда равняется числу тиминовых, а число гуаниновых - числу цитозиновых. Как устроена молекула, можно было понять, просвечивая ее лучами Рентгена. Рентгеноструктурный анализ молекул ДНК, выделенных из тканей животных, отражал картину расположения оснований в хитроумной молекуле. Темные пятна и полосы на фотопленках рентгенограмм доказывали это со всей очевидностью. Но пленка однобоко отражает реальную картину. Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон вырезали металлические пластинки разной формы для всех составных частей нуклеиновой кислоты. Каждое из четырех азотистых оснований имело свою неповторимую форму пластинки. В составе ДНК находится фосфатная группа и сравнительно небольшая молекула сахара, который называют дезоксирибозой. Для них ученые тоже вырезали пластинки особой формы. Теперь надо было взять соединяющие трубки и вращающиеся сочленения. Строительный материал был под рукой. Можно было конструировать модели живых молекул. Оставалось "немногое" - нужно было так расположить шаткую конструкцию всех шести составных частей ДНК, чтобы теоретически рассчитанная модель молекулы полностью соответствовала рентгеновским снимкам ДНК живой клетки.

Это была задача чрезвычайной сложности.

Следовало обладать большими знаниями ученого, помноженными на воображение и вдохновение художника и возведенными в квадрат работоспособности.

Зимой 1953 года Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон создали модель молекулы ДНК. Она представляла двойную спираль и очень напоминала скрученную винтом веревочную лестницу. Продольными нитями этой "веревочной лестницы" были длинные цепи правильно чередующихся молекул дезоксирибозы и фосфата. Поперечными служили четыре азотистых основания: гуанин, цитозин, аденин и тимин. Как оказалось в дальнейшем, в чередовании азотистых оснований и были записаны наследственные признаки живого организма. Каждая "ступенька" лестницы - это пара оснований. И эти пары оснований были всегда только двух типов: аденин - тимин, гуанин - цитозин.

Сколькими же разными способами можно расположить эти пары оснований? Простая школьная задача. Если в молекуле ДНК сто оснований, то их можно расположить 4100 степени. Если это число написать, то в нем будет 61 цифра. Ну, а если в молекуле ДНК 1000 пар оснований?

Теперь посмотрим, что происходит при делении клетки. Заглянем только в ядро.

Перед нами двуспиральная лестница ДНК. К молекуле быстро приблизился фермент, который взаимодействует с гигантской молекулой. Как по мановению волшебной палочки, молекула ДНК стала преображаться. Двуспиральная лестница постепенно стала раскручиваться. Ее ступеньки - связи между парами оснований - стали рваться. Прошло несколько секунд, и от "лестницы" остались две "гребенки", стоящие своими "зубьями" одна напротив другой. Затем к каждому "зубу гребенки" стали подходить азотистые основания, соединенные с дезоксирибозой и фосфатом.

В зарождении новой молекулы существовал строгий порядок. Действовало правило "образования пар". К аденину подходил только тимин, к тимину только аденип. К цитозину - гуанин, к гуанину - цитозин.

Казалось, азотистые основания брались за руки и становились парами, как в танцевальном ансамбле.

Но вот появились новые ферменты. Они приблизились к рождающейся молекуле и "замкнули" связи между молекулами дезоксирибозы и фосфата. Произошел процесс так называемого "самокопирования" ДНК.

Прошло еще немного времени, и в ядре клетки возникли две новорожденные молекулы ДНК.

Они раздвинулись, и ядро стало делиться. Прошло еще несколько мгновений, и два новых ядра начали медленно расходиться в разные стороны. Клетки разделились на две дочерние.

Открытие Крика и Уотсона оказало исключительно большое влияние на развитие молекулярной биологии и радиобиологии. Их исследования были частью "высокой теории", на которую могли опираться радиоселекционеры.

Прошло несколько лет. И новые открытия биохимиков помогли еще ближе приблизиться к пониманию молекулярных механизмов наследственности.

В 1956 году американский биохимик А. Корнберг осуществил удвоение молекулы ДНК в пробирке. Были взяты все необходимые составные части для биосинтеза, фермент - полимераза ДНК и "затравочная" ДНК.

Потрясающим было следующее.

Если "затравочная" молекула ДНК принадлежала вирусу, то и синтезировалась вирусная ДНК, если "затравка" была крысиной, то и образовывалась крысиная ДНК.

Изменения наследственных признаков и появление мутации в значительной степени связаны с изменением синтеза белка.

Обозначим аденин буквой А, тимин - Т, гуанин - Г и цитозин - Ц. Тогда можно сказать, что четырехбуквенный алфавит азотистых оснований ДНК определяет последовательность всех аминокислот во всех белках.

Если с помощью ионизирующей радиации вносят изменения в четырехбуквенный алфавит, то, естественно, наблюдают изменения и в тех "словах", которые пишутся этими буквами.

Радиационная селекция опирается на этот теоретический фундамент.

Большинство радиомутантов - это уроды. И только единицы из них несут полезные свойства. Парадоксально, но факт. Чем больше уродливых форм, тем больше шансов найти талантливых уродцев. Селекционеры их ищут и отбирают. Селекция - самый старый метод улучшения растений и животных.

В течение многих веков основой для селекционной работы служили те признаки и особенности организмов, которые уже существовали. А каким путем можно увеличить, резко ускорить изменчивость организмов?

Оказалось, таким "ускорителем" могут быть проникающие лучи.

Ионизирующая радиация в определенных дозах вызывает молекулярные изменения в ДНК. А это приводит к появлению самых разнообразных наследственных отклонений - мутаций.

Видный ученый в области генетики - академик Н. П. Дубинин как-то заметил, что важно получить неполегающие формы хлебных злаков, создать сорта, устойчивые к болезням, добиться, чтобы на полях Сибири могла расти озимая пшеница, урожайность которой намного выше, чем яровой. Нужно получить сорта хлопчатника с компактным кустом, пригодные для машинной уборки; вывести сорта картофеля, не поражающиеся фитофторой. Важно добиться резкого повышения выхода сахара из свеклы. И совершенно новое задание - создать такие формы растений, которые будут сопровождать космонавтов, давая им кислород и пищу при их полетах к далеким планетам Солнечной системы.

Что и говорить, работа радиоселекционерам предстоит большая. Ученые в разных странах получили тысячи и тысячи новых радиомутантов. Только некоторые из них оказались перспективными. Но эти счастливые единицы заслуживают того, чтобы о них поговорить более подробно.

Некоторые из сельскохозяйственных растений такие же древние, как человеческая цивилизация. Например, хлопок, который и в наши дни не может вытеснить вездесущая синтетика. Задолго до начала нашей эры хлопок был известен в Индии, Иране, Китае, Перу, Мексике. Археологами доказано, что по крайней мере 2,5 тысячи лет назад его культивировали в Средней Азии в долинах Мургаба, Амударьи, Сырдарьи, Зеравшана. Уже полторы тысячи лет назад на знаменитых восточных базарах Бухары, Самарканда, Хорезма продавались ткани из хлопка. Специалистам хорошо известна болезнь, которая называется вилт. Вызывается она бактериями и грибками. Поражает кукурузу, картофель, фасоль, табак, капусту и хлопок. Характеризуется эта болезнь увяданием наземных органов и поражением системы проводящих сосудов растений. Полудикая форма хлопчатника слабо поражается вилтом, дикая к этому заболеванию очень устойчива. И вот оказалось, что под влиянием радиоактивного фосфора можно получать радиомутанты, пригодные для селекции хлопчатника.

В Узбекской Академии наук был получен радиомутант от известного сорта 108-ф, который в фазе бутонизации облучили гамма-лучами. Радиомутант обладал многими полезными признаками. Его кусты были компактны и устойчивы к полеганию. Коробочки у мутанта выглядели значительно крупнее обычных; выход и длина волокна были значительно больше.

У исходного стандарта в среднем было 7 коробочек на куст, а у радиомутанта - 10. Сейчас этот радиомутант размножают.

На лекции по радиоселекции нередко показывают эффектный снимок: на полированной черной доске лежат девятнадцать колосков. Все они члены одной семьи и связаны тесными родственными связями.

Два крайних слева колоса - это исходные сорта озимой пшеницы, а точнее, пшенично-пырейный гибрид 186. А справа от них - колосья различных радиомутантов, полученных после облучения нейтронами исходных форм. Компания получилась весьма пестрая: колоски длинные и короткие, плотные и рыхлые, и так далее. В результате нейтронного облучения возникло большое разнообразие растений, отличающихся друг от друга строением колоса, биохимическим составом зерна, прямостоящим и неполегающим стеблем, большим или меньшим количеством белка в зерне, разными хлебопекарными качествами. Некоторые радиомутанты значительно превосходили исходную форму урожаем и устойчивостью к заболеваниям. Например, мутант "Эректоид-72" обладал короткой и прочной соломиной, был устойчив к полеганию, к поражению мучнистой росой и ржавчиной. Этот "полезный уродец" использовали в качестве исходного материала для создания нового сорта.

А радиомутант картофеля? После облучения сортов "Ранняя роза", "Эпрон", "Седов" были получены и отобраны "талантливые уродцы" - радиомутанты, рано созревающие, с повышенным содержанием крахмала, более урожайные. У кукурузы были найдены быстро созревающие радиомутанты. Нашли перспективные радиомутанты кукурузы для кормовых целей - с большим числом широких листьев и развитыми початками.

К 1965 году только за рубежом появилось шестнадцать новых радиационных сортов, представляющих интерес для практики. Тут и ячмень неполегающий, раннеспелый, озимый, устойчивый к мучнистой росе. Овес, устойчивый к заболеванию ржавчиной. Фасоль раннеспелая, высокоурожайная, устойчивая к грибковым заболеваниям.

Первые радиационные сорта фасоли и сои в Советском Союзе были получены на селекционной станции в Натахтари около города Тбилиси селекционером С. Г. Теодорадзе. Сначала семена фасоли и сои были облучены гамма-лучами радиоактивного кобальта. Эту работу произвели в Институте биофизики Академии наук СССР. Два года спустя были отобраны лучшие радиомутанты и среди них проведена гибридизация. Еще два года спустя - в 1962-1964 годах - состоялись конкурсные сортоиспытания. И, наконец, два радиомутанта фасоли зарегистрировали как сорта.

Рождение нового сорта процесс длительный и трудный. Может быть, поэтому селекционеры новым сортам присваивают имена.

Новые сорта фасоли "Радиола-1174" и "Радиола-1177" превосходят по урожайности исходный стандарт на 60- 90 процентов.

А соя? Один из радиомутантов - сорт "Универсал" дал урожай на 8,5 центнера с гектара больше исходного стандарта, другой - "Чудо Грузии" - на 11,6 центнера!

Многие городские жители никогда не видели сои. Это очень древняя культура. Вся история сои связана с Китаем. Достоверно известно, что ее возделывали за 4-5 тысяч лет до нашей эры. Почти семь тысяч лет назад древний человек собирал и ел семена и бобы сои. Скромное растеньице из семейства бобовых. В учебнике сказано: бобы линейные или серповидные изогнутые. Семена разной формы и цвета: желтые, зеленые, коричневые и черные. До 45 процентов белка, до 25 - жира. Но это растение-труженик с огромным трудовым стажем. Зеленая масса и сено сои - богатейший корм для крупного рогатого скота, лошадей, свиней. Соевое масло - первоклассное сырье для маргарина, мыла, лаков, олифы, глицерина, красок.

Задумайтесь. Получен новый радиомутант сои, а потом новый сорт. Он дает 800 - 900 дополнительных килограммов сои с гектара. Несколько. лет кропотливого труда ученых и селекционеров. А потом новорожденный сорт становится постоянным жителем на десятках тысяч гектаров.

В Америке, во Флориде, посевы овса сильно страдали от заболевания ржавчиной. И не было сортов, устойчивых к этой болезни. Тогда ученые и селекционеры взяли сорт овса "Флорилена". Семена были облучены на реакторе нейтронами в разных дозах, а потом высеяны на опытном поле. Семена проросли и превратились в растения. За ними велись самые тщательные наблюдения.

Среди подопытных растений оказались и такие, которые показывали удивительную устойчивость к заболеванию ржавчиной. Появились, "полезные уроды". Эти "уроды" были отобраны, а затем размножены. Маленькое чудо произошло.

В 1960 году был создан новый сорт овса, который не болел ржавчиной. В память о его родителях вновь сотворенному сорту дали ласковое имя "Флорад".

Нельзя не рассказать о радиомутантах среди самых маленьких организмов - различных плесенях, бактериях и грибках.

Маленькие "талантливые уродцы" подчас наши незаменимые помощники.

Что необходимо сделать, чтобы быстрее рос молодняк в животноводстве? Вот один из методов достигнуть этого. Существуют микроорганизмы, растущие на отходах спиртовых заводов. При этом они синтезируют значительные количества витамина B₁₂. Затем из этих организмов химическим путем выделяют витамин. Добавление ничтожных количеств этого витамина в корм резко усиливает усвоение пищи и ускоряет рост животных. Подсчитано, что выход мяса на килограмм затраченного корма у витаминизированных животных увеличивается почти в два раза. Ученые получили радиомутанты этих микроорганизмов. Они продуцируют витамин В₁₂ значительно больше, чем исходные родительские формы.

Сейчас не найдешь человека, который не слышал бы об антибиотиках. А вот о том, что наша промышленность, выпускающая биомицин, пенициллин, стрептомицин и другие антибиотики, использует радиомутанты, знают немногие.

Антибиотиками лечат и сельскохозяйственных животных. С их помощью предупреждают или резко сокращают падеж молодняка - свиней, телят, ягнят. Добавка антибиотиков в корм повышает вес и увеличивает рост птиц.

В питомниках ценных пушных зверей с помощью антибиотиков улучшают и ускоряют развитие молодых зверьков.

Радиационные мутанты черной плесени синтезируют в четыре раза больше лимонной кислоты, чем исходные штаммы. Черная плесень используется в промышленности для получения ценной органической кислоты.

Чтобы увеличить число мутантов микроорганизмов, используют различные источники ионизирующей радиации: рентгеновские установки и гамма-лучи, быстрые нейтроны, ультрафиолетовые лучи.

Так радиационная селекция еще раз доказала свою жизненную силу.