10 гениев, изменивших мир

Через некоторое время Морган обнаружил мушку с розовыми глазами, и этот признак имел совершенно иной механизм наследования, чем белоглазость или желтый цвет. Всего же были выявлены четыре такие сцепленные группы генов у плодовой мушки, которые соответствовали четырем ее парам хромосом. Это навело Моргана на мысль о том, что все три гена располагаются в тесной близости друг к другу на одной и той же хромосоме.

Результаты некоторых проведенных ученым экспериментов, казалось, противоречили менделевскому закону независимого наследования, согласно которому наследование одного признака, каковым является, например, пол животного, не зависит от наследования другого – например, цвета глаз. Группа, руководимая Морганом, установила, что некоторые признаки все же связаны между собой, т. е. их сочетание встречается у потомков чаще, чем предполагают статистические законы Менделя. Так, повторим, белоглазость у мушек – мутантный признак (у человека известно несколько десятков таких признаков, в том числе некоторые наследственные дефекты – дальтонизм, гемофилия и др.).

Объяснение выявленному феномену состояло в том, что не все четыре пары хромосом у плодовых мушек были одинаковы. В частности, самки обладали набором из двух Х-образных хромосом, а у самцов Х-хромосома объединялась с Y-подобной хромомосой, которая никогда не встречалась у самок. Морган предположил, что Х-хромосома достается самцу по материнской линии, а Y-хромосома – по отцовской.

Сделав такой вывод, он увидел взаимосвязь между различием наборов хромосом у самок и самцов дрозофил и цветом их глаз. Морган предположил, что если материнская Х-хромосома несла информацию о красном цвете глаз, то самец тоже обладал красными глазками (вне зависимости от цвета глаз отца). Если же Х-хромосома матери несла информацию о белоглазости, то и у самцов из ее потомства глазки были белыми, поскольку соответствующий участок на Y-хромосоме отсутствовал и в наборе XY материнский признак оказывался главенствующим, доминантным. Таким образом, впервые была выявлена взаимосвязь между специфическим признаком и его привязанностью к конкретной хромосоме. Изучение обнаруженных феноменов позволило Моргану и его сотрудникам установить точное местонахождение генов и принцип их работы.

Установленные закономерности исследователь представил в статье «Наследование, сцепленное с полом, у дрозофил» («Sex Limited Inheritance in Drosophila»), вышедшей в 1910 году в журнале «Science». В этой и еще одной статье, опубликованной через год в том же журнале, Морган убедительно показал, что наследование некоторых признаков связано с полом, а информация о них хранится в конкретных участках хромосом (генах). Собственно говоря, он представил три фундаментальных положения, которые стали базовыми для всего дальнейшего развития генетики. Вот эти положения:

1) гены располагаются в хромосомах;

2) ген, имея четко отведенное место, не может перемещаться ни с одной хромосомы на другую, ни по различным участкам одной хромосомы;

3) существуют признаки, сцепленные с полом, которые проявляются только у мужских особей в связи с отсутствием соответствующего участка на мужской Y-хромосоме.

Морган показал, что каждая хромосома содержит набор еще более крошечных элементов, которые он назвал генами (термин позаимствован у датского физиолога В. Иогансена, который годом ранее прочел в Колумбийском университете серию лекций). Каждому гену соответствует определенное место на определенной хромосоме. Как только эта мысль укрепилась в сознании генетика, он интуитивно почувствовал, что близок к пониманию механизмов наследственности и роли хромосом: «Яйцеклетка каждого вида животного или растения содержит определенное количество телец, называемых хромосомами, – писал ученый. – Такое число хромосом содержится и в мужских половых клетках. Следовательно, когда сперматозоид оплодотворяет яйцеклетку, она содержит удвоенное число хромосом. Каждой хромосоме, содержащейся в мужской половой клетке, соответствует определенная хромосома в яйцеклетке, то есть две хромосомы каждого типа образуют пару».

Полученные выводы тем более поразительны, что Морган на протяжении многих лет был убежденным противником хромосомной теории наследования. Нужно было обладать большим научным мужеством и непредвзятостью мышления, чтобы отказаться от своих заблуждений, признать правильность взглядов, казавшихся неприемлемыми, и радикально изменить направление исследовательской деятельности.

Собственно говоря, структура и роль хромосом не очень интересовали Моргана, когда он начинал эксперименты с дрозофилами. Потребовалось вырастить и изучить сотни поколений дрозофил, прежде чем профессор и его сотрудники все же поверили сами и убедили других в том, что наследственность связана именно с хромосомами. По сути дела, пока не были обнаружены белоглазые мушки-мутанты и подтвердилось, что дефектный ген располагается на Х-хромосоме, Морган весьма скептически относился к менделевской теории наследования признаков и существования наследственных факторов. Когда же он увидел, что эти «факторы» имеют физическую подоплеку и реальный носитель – ген, менделевская теория предстала в новом свете.

Морган опубликовал свои первые выводы еще в 1910 году, но окончательное подтверждение хромосомной теории наследования было получено в 1913-м американским генетиком, сотрудником Т. Г. Моргана К. Бриджесом, открывшим, что нарушение в распределении половых хромосом сопровождается изменениями в наследовании признаков, сцепленных с полом. В полную же силу его аргументы были изложены в 1915 году, когда Альфред X. Стартевен, Кальвин Б. Бриджес (они присоединились к Моргану в 1912 году) и Герман Дж. Меллер (он вошел в исследовательскую группу в 1914-м) выпустили книгу «Механизмы менделевского наследования», в которой объявили, что наследственность подчиняется вполне определенным законам и ее можно описать точными количественными методами.

Книга «Механизмы менделевского наследования» стала исторической, перевернув представления о передаче наследственной информации и предоставив базис для развития генетики, да и биологии в целом. Последняя превратилась из описательной науки в экспериментальную, построенную на точных расчетах, подобно физике и химии, а анатомия – «королева» биологического знания со времен эпохи Возрождения и до начала XX века – уступила первенство генетике.

К своему удивлению, Морган и его сотрудники отмечали, что гены, расположенные на одной и той же хромосоме, наследовались вместе реже, чем этого можно было ожидать. В большинстве клеток организма имелось по две хромосомы каждого типа, и Морган подозревал, что в паре они могут расщепляться и создавать новые комбинации, тем самым позволяя производить обмен генами. Более того, оказалось, что чем больше расстояние между двумя генами в одной хромосоме, тем больше вероятность разрыва между ними. Если это так, то гены не будут наследоваться вместе. И наоборот, гены, расположенные в хромосоме близко друг от друга, имеют меньше шансов быть разделенными. Уже в 1911 году А. Стертеван осознал, что степенью сцепления двух генов в хромосоме может служить величина линейного расстояния между ними (это расстояние впоследствии было названо сентиморганом в честь Томаса Моргана).

Изучение процесса разрыва хромосом дало возможность составить первые генетические «карты», показав на них относительное расположение генов в хромосоме. Тем самым открывалась дорога к целенаправленному конструированию новых сортов растений и пород животных, к революции в медицине и в сельхозпроизводстве, затем – к раскрытию генетических кодов, к клонированию человека и многому другому, что и сегодня еще не достигнуто, но рано или поздно осуществится.

Профессиональное признание не заставило себя ждать. Томаса Моргана делает своим членом одна академия за другой (в декабре 1923-го – и Академия наук СССР), в конце 20-х он возглавляет Национальную академию наук США. Среди многих наград выдающегося ученого – медаль Дарвина (1924) и медаль Копли Лондонского королевского общества (1939). Он был избран членом Лондонского королевского общества, Национальной академии наук, Американской ассоциации развития науки, Американского философского общества, Генетического общества Америки и Американского общества натуралистов. Университет Джона Хопкинса, университет Кентукки, разумеется, также присвоили Моргану почетные докторские степени. В честь великого генетика назван факультет биологии университета Кентукки, его имя присвоено ежегодной награде Общества генетиков Америки – медали, которая вручается исследователю, сделавшему наибольший вклад в развитие науки. Открытия Томаса Моргана отображены на одной из почтовых марок Швеции (1989), которая входит в серию из восьми марок, посвященных генетикам – нобелевским лауреатам.

Морган проработал в Колумбийском университете почти двадцать четыре года и его главной целью было включить цитологию в более широкий контекст биологической науки как способ объяснить явления живой природы. Тесный контакт ученого с профессором Эдвардом Уилсоном, чьи научные интересы лежали в сфере приложения законов квантовой механики к проблемам химии и физики, оказал огромное влияние на характер и направление работ зоологов Колумбийского университета.

Через двадцать четыре года работы в Колумбийском университете, в 1928-м, Морган получил предложение стать преподавателем и возглавить Кирхгофовские лаборатории в Калифорнийском технологическом институте (Калтех) в Пасадене. Он принял это предложение и остался в Калтехе до самой своей смерти в 1945 году. Там же по предложению астрофизика Джорджа Эллери Хейла он основал Отделение биологии, которое подарило миру семерых нобелевских лауреатов.

Создавая новый исследовательский центр, Морган стремился к тому, чтобы его программа отличалась от программ аналогичных центров в университете Джона Хопкинса или Колумбийском университете. Основное внимание он сосредоточил на генетике и эволюции, экспериментальной эмбриологии, физиологии, биофизике и биохимии.

Вместе с великим учителем на новое место перешли несколько его бывших студентов и сотрудников, что позволило собрать незаурядный коллектив исследователей. Работы, выполняемые группой Моргана и другими специалистами в Пасадене, снискали институту заслуженную славу ведущего в области экспериментальной биологии. Слава эта сопровождала его и после того, как Морган сменил тематику исследований, занявшись главным образом эмбриологией. К работе в своей лаборатории Калтеха он привлек Бриджеса, Стартевана, Шульца и Тайлера, а также пригласил российского ученого Ф. Добжанского (который в итоге остался в США). К работе в Моргановской лаборатории в разные годы присоединились Дж. Билль (ставший позднее нобелевским лауреатом), Б. Эфрусси, Э. Л. Татум, Л. Полинг, Ф. Вент и С. У. Фокс, Дж. Монод (нобелевский лауреат 1965 года), Б. Клинток (нобелевский лауреат 1983 года).

Впрочем, Морган был хорошо известен и за пределами узкого круга специалистов-генетиков, что позволяло без особого труда находить деньги на оплату деятельности Отдела биологии Калтеха у частных лиц и в благотворительных фондах (таких, например, как Фонд Рокфеллера). Это было крайне важно, поскольку Калтех был частным вузом и не получал ни копейки государственного финансирования.

В Калтехе ученый вернулся к своим давнишним исследованиям морских животных и полностью прекратил заниматься генетикой, передав бразды правления Стартевану, который продолжил разработку данной проблематики. Подобно Моргану, он предоставлял своим студентам большую свободу в выборе тем для научной работы и был готов ответить на любой вопрос, который у них возникал.