Молекулярная биология в 2000 году | Журнал Природа 7/1971 10.06.1971

Профессор Ф. Крик

Выступая в октябре 1969 г. на конференции, посвященной 100-летию журнала «Nature», известный английский биолог Ф. Крик остановился на некоторых перспективах развития молекулярной биологии в ближайшие 30 лет. Мы публикуем его выступление и отклик акад. В. А. Энгельгардта.

Фрэнсис Гарри Комптон Крик, заведующий отделом в Лаборатории молекулярной биологии в Кембридже (Англия). Вместе с Дж. Уотсоном и М. Уилкинсом расшифровал структуру ДНК и объяснил механизм репликации наследственной структуры, заложив основы расшифровки генетического кода. За это открытие — одно из крупнейших в XX в.— Крик вместе с Уотсоном и Уилкинсом получил Нобелевскую премию 1962 г. по физиологии и медицине.

Я хочу рассмотреть будущее молекулярной биологии и, в меньшей степени, биологии клетки *. В мои планы не входит разбор вопросов прикладной биологии или социального применения биологических исследований. И не потому, что они несущественны, а просто чтобы ограничить рассматриваемые проблемы разумными пределами. Сначала мы должны рассмотреть обозримый промежуток времени, для которого прогнозы могут оказаться полезными. Зачастую нетрудно сделать краткосрочный прогноз, на 5 или 10 лет вперед. Молекулярные биологи уже имеют некоторый опыт в предсказаниях подобного рода в своей области науки. За прошедшие 20 лет подобные предвидения оказывались обычно правильными. Расхождения получались лишь в точности определения времени. Ошибки во времени осуществления прогноза нередки. Например, на определенных этапах развития науки можно было сказать с достаточной степенью достоверности, что генетический код рано или поздно должен быть открыт. Когда рассчитывают, что это может произойти, скажем, в течение пяти лет, то истинное время, как показал опыт, может оказаться либо короче (2—3 года), либо длиннее (8—10 лет).

На тот случай, если Вы решите, что мои мнения ошибочны, я скажу, что другие человеческие суждения кажутся мне немногим лучше! Таким любопытным примером служит изучение структуры белков. После того как М. Перутц и Дж. Кендрью расшифровали структуру гемоглобина, Л. Брэгг предсказал, что понадобится примерно еще 10 лет, прежде чем будет установлена структура следующего белка. Таким белком, структуру которого расшифровали, стал лизоцим. Но оказалось, что в этом случае речь идет о 5 годах вместо предсказанных 10, и ирония судьбы е том, что это было сделано Д. Филлипсом в лаборатории самого же Л. Брэгга. Но на основании этого примера не стоит делать заключение, что прогноз всегда осуществляется быстрее, чем предполагается. Например, выяснение коллинеарности гена с кодируемым им белком заняло гораздо больше времени, чем предполагалось вначале.

Естественно, что чем значительнее промежуток времени, на который делается предсказание, тем более сложной оказывается задача. Один из путей решения — вернуться назад и попытаться представить себе, что ты предсказал в прошлом важное научное открытие. Легко доказать, что большинство важных открытий оказывается непредвиденном, вследствие чего их трудно предугадать. Хорошим примером служит работа О. Эйвери и его коллег, которые показали, что ДНК — химическая молекула, включающаяся в трансформирующиеся бактерии Pneumococcus; или открытие Дж. Ледербергом и Е. Тэйтумом генетической рекомбинации в бактериях. Потребовалась бы особая дальновидность, чтобы суметь предсказать эти открытия за 5 лет до того, как они были сделаны, или заранее представить себе их огромную важность. В этом смысле прогнозы на 50 лет действительно очень затруднительны, и я считаю, что они не заслуживают серьезного внимания. Для периода в 25 лет еще можно надеяться на какой-то успех. Поэтому я и взял 30-летний срок, который благополучно подведет меня как раз к 2000 г.

Можно ожидать большого увеличения биологических знаний

Я убежден, что имеются определенные симптомы, которые вселяют уверенность, что произойдет значительное увеличение объема биологических знаний в течение этого периода. На первом месте стоит вопрос о большом притоке людских резервов в биологию в настоящем и во все возрастающем количестве — в будущем. В настоящее время можно со всей определенностью сказать, что наибольшее число биологических исследований сконцентрировано в США и в части Западной Европы; кроме того, значительные вклады вносят СССР и Япония. Складывается впечатление, что количество затрачиваемых усилий тесно связано с уровнем жизни. Поскольку есть много стран, уровень жизни в которых, по-видимому, за этот период поднимется, мы можем ожидать, что и эти страны внесут свой вклад в развитие биологии. В частности, не будет удивительным, если в конце концов Китай станет обладателем большого научного потенциала.

До недавнего времени можно было считать, что средства, выделяемые на научные исследования в любой из передовых стран, постоянно возрастают. Напрашивается общий вывод, показывающий, что это возрастание не может продолжаться в течение длительного времени и рано или поздно наступит насыщение. Мы, возможно, уже видим начало такого процесса в США, хотя причиной этого частично является война во Вьетнаме. С широкой точки зрения, однако, мы можем с уверенностью сказать, что если не произойдет ядерной катастрофы, то будут выделены большие средства и значительно возрастет число людей, занятых биологическими исследованиями.

Возрастает не только число биологов как таковых, но и все большее число людей устремляется в биологию из других областей науки. Нельзя не отметить миграцию ученых из физики и химии в молекулярную биологию, из молекулярной биологии — в биологию клетки и т. д. В противоположность этому редко можно увидеть биолога, бросившего биологию и занявшегося чисто физическими или химическими проблемами. Представляется интересным провести разделение между проблемами и методами. Что касается проблем, то ученые, по-видимому, все чаще берутся за комплексное решение вопросов. Что же касается методов, здесь дело обстоит иначе и можно встретить исследователей, заимствующих методы из любой области науки. Так, современные биологи не колеблясь применяют методы, недавно разработанные физиками.

Результатом миграции людей из так называемых точных наук является уверенность, которую они вносят в изучение биологических проблем. Физика и химия за прошедшие 70 лет добились чрезвычайных успехов и не только революционизировали эти науки, но и заложили их более глубокие теоретические основы. В особенности это относится к физикам, которые настолько привыкли к революциям в своей науке, что это стало их второй натурой. Неудивительно, что они, приходя в биологию, кажутся слишком дерзкими и самоуверенными в своих подходах к биологическим проблемам. Хотя чистых биологов это и огорчает, приходится признать, что в молекулярной биологии именно благодаря этому произошли большие сдвиги.

Влияние физики и химии

Другой крайне важный фактор, который, как мне иногда кажется, еще недостаточно оценен,— это огромная сила современных экспериментальных методов, приходящих из физики или физической химии. Достаточно только сослаться на такие примеры, как хроматография, использование радиоизотопов или электронная микроскопия, которые показывают, насколько мощны и разнообразны эти методы. Молекулярный биолог, если ему предложить разрешить любую задачу, которая его интересует в данный момент, используя методы, скажем, применявшиеся в 1935 г., в отчаянии откажется от решения такой проблемы. Нет никаких признаков, указывающих, что ныне используемые методы начинают исчерпывать свои возможности. Кроме того, налицо все предпосылки к развитию новых методов, например использованию ядерного магнитного резонанса, с одной стороны, и электронной счет но-вычислительной техники — с другой. Хотя никто не утверждает, что имеющиеся на сегодня методы способны разрешить все проблемы, стоящие перед нами, тем не менее общее мнение таково, что либо существующие методы, либо какие-то новые, порожденные изобретательностью и серьезным подходом к этим проблемам, помогут нам разобраться в них.

Возвращаясь к рассмотрению характера самой биологии, мы видим перед собой почти безграничное число важных, интересных и нерешенных проблем. Это отчасти связано со сложностью, присущей биологии, а также с горячим желанием изучить окружающий нас мир и, в частности, нашу собственную природу. Здесь имеется так много вещей, которые мы хотели бы знать, притом знать досконально, что на этой стадии у нас нет серьезных опасений, будто предмет исследования может истощиться.

Исходя из этих соображений, мы можем с уверенностью предсказать, что в течение длительного времени в биологии будут проводиться обширные исследования, поскольку здесь велики возможности использования людских резервов, средств, методов, в полной мере соответствующих задачам и привлекательности стоящих проблем.

Рассмотрим сначала различные специфические проблемы молекулярной биологии и зададимся вопросом, в каком состоянии они будут к 2000 г. Читателю может показаться интересным составить свой собственный перечень хорошо ему известных проблем. Для примера можно взять следующие: углубленное понимание репликации ДНК и процессов расплетания; структура хромосом; роль последовательностей нуклеотидов в нуклеиновых кислотах, которые имеют не только кодовое значение, но и используются для реализации механизмов окончания, начала или контроля разнообразных синтезов; значение повторяющихся последовательностей в ДНК и многое другое. Лично мне кажется, что независимо от того, какой проблемой заниматься, будь то классическая молекулярная биология или такие связанные с ней области, как окислительное фосфорилирование и структура митохондрий, или даже такие относительно неизученные области, как структура мембран, трудно предположить, что какая-либо из этих проблем, хотя бы в общих чертах, не будет решена к 2000 г. Молекулярный механизм мышечного сокращения; образование разнообразных антител и природа иммунологической устойчивости; пути действия гормонов; изменение синапсов в процессе обучения — все эти проблемы, по моему мнению, должны значительно продвинуться в своем решении к концу XX в.

Биология клетки

Если мы теперь вернемся к биологии клетки, т. е. области, которую я не очень хорошо знаю, то придем к тем же заключениям, хотя, возможно, для решения некоторых проблем потребуется больше времени; по-видимому, в некоторых случаях потребуется 40 или 50 лет. Я имею в виду такие направления, как механизм и контроль митоза; движение клетки и, в частности, рост аксона; «узнавание» клеток (особенно это относится к нервной системе); природа влияния, производимого градиентом при эмбриональном развитии.

Если читатель подумает, что я являюсь сверхоптимистом, пусть он мысленно вернется назад, к 1940 г., и увидит, насколько больше мы знаем сейчас, чем знали тогда, о большинстве из перечисленных проблем. А ведь этот период включает 5 лет войны, во время которой биологические исследования развертывались очень медленно. Правда, и в первую половину этого периода людские резервы и средства, выделяемые для биологии, возрастали, но они не достигали того высокого уровня, который мы имеем теперь.

Если согласиться, что большинство проблем, в изучении которых мы глубоко заинтересованы в настоящее время, по всей вероятности, будут решены к 2000 г., стоит рассмотреть и те проблемы, которые, как нам кажется, к тому времени еще останутся нерешенными. В эту категорию попадут проблемы, имеющие наиболее общее значение. Я совершенно уверен, что в последующие годы в этих направлениях будет достигнут некоторый прогресс, но я сомневаюсь, что мы будем в состоянии получить удовлетворительные ответы в широком плане, не говоря уже о деталях. Вот примеры такого рода направлений в биологических исследованиях: происхождение жизни на Земле, существование жизни на других планетах и обмен информацией* с обитателями других миров (если считать, что они существуют). Я предполагаю, что значительный прогресс будет достигнут в изучении нервной системы, но тем не менее меня не удивит, если некоторые из наиболее сложных аспектов поведения мозга останутся загадкой.

Я думаю о таких вещах, как наши яркие трехмерные представления о внешнем мире, которые мы создаем в мозге из световых сигналов, проникающих через наш глаз, и другой информации, а также такие проблемы, как природа сознания, хотя еще не ясно, сможет ли она стать реальной, либо останется семантической.

Остается еще одна основная проблема, которой, как я считаю, биологи уделяют недостаточно внимания. Все биологи не без основания полагают, что эволюция шла по линии естественного отбора, но представители более точных наук подчеркивают, что нужно еще установить, может ли быть объяснена скорость эволюции теми процессами, с которыми мы уже знакомы. Меня нисколько не удивит, если окажется, что в природе предпочтительно развивались специфические и «искусные» механизмы, придавшие эволюции значительную скорость. Яркий пример этого — рекомбинация. Если бы мы через 100 лет смогли оглянуться назад, мы убедились бы, что наши сегодняшние знания не в состоянии адекватно объяснить ту степень развития, которая наблюдалась в действительности. Для разрешения этой проблемы мы будем нуждаться в исчерпывающем знании многих биологических систем на молекулярном, экологическом уровне, а также и на всех промежуточных уровнях. По этой причине я сомневаюсь, созреет ли эта тема за тот период, который мы сейчас обсуждаем, хотя я был бы удивлен, если бы не были предприняты первые шаги для решения этих проблем.

Размышляя о том, какие проблемы окажется возможным разрешить к 2000 г., а какие нет, я думаю, что различия между двумя категориями проблем зависят главным образом от того, можно ли будет приступить к их исследованию путем вычленения небольшой части биологических систем или же придется иметь дело с ними как с целым. Успехи молекулярной биологии в значительной степени обусловлены тем, что ее внимание концентрировалось на первом типе проблем, хотя некоторые аспекты общего поведения также часто используются как рабочий инструмент. Молекулярная генетика в этом плане служит ярким примером.

В дальнейшем будет трудно избежать вопросов, включающих в себя комплекс взаимодействий, поскольку многие из основных проблем биологии носят именно такой характер. В разрешении подобных вопросов может помочь развитие быстродействующих электронно-вычислительных машин, но при этом возникнут новые трудности, причем не только расчетного характера. Прежде всего надо знать, какие данные подлежат реальному подсчету, а не являются только вероятными. Простым примером может служить общее поведение микроорганизмов, таких как Escherichia coli, включая все их регуляторные механизмы. Такую клетку можно рассматривать как специализированную химическую фабрику, поэтому исследователи не без основания интересуются производительностью этой конструкции. Трудность решения долгосрочных проблем, упомянутых мною, заключается в комплексе взаимодействий, за исключением, по-видимому, вопроса о происхождении жизни, где основная трудность заключается в получении каких-либо прямых экспериментальных подтверждений, поскольку зарождение жизни относится к слишком далекому прошлому.

Наконец, надо рассмотреть промежуточные задачи, например такие вопросы, которые не стоят непосредственно перед нами сегодня, или такие, долгосрочность которых, как мы думаем, не даст возможности решить их к концу рассматриваемого периода. К ним относятся главным образом те проблемы, которые трудно предугадать, отчасти потому, что подобные вопросы зависят от новых и непредвиденных открытий в том или ином направлении. С подобными проблемами мы, несомненно, встретимся. Можно предсказать, что они частично зависят от вопросов, которые мы еще не научились ставить. Остается неясным, сколько направлений в будущем может зависеть от подобного рода открытий. Не похоже, однако, чтобы они составили незначительную долю. С другой стороны, я сомневаюсь, чтобы исследования, проведенные к 2000 г., могли бы полностью зависеть от открытий, которые будут сделаны за оставшийся срок. Конечно, именно эти неожиданные и важные достижения и вдохновляют ученых на последующие исследования, но не надо забывать, что даже без них прогрессирующая наука может развивать плодотворные концепции и методы; даже исследования последнего типа могут привести к целой серии небольших открытий, пробуждающих интерес людей к работе.

Новые области науки

Надо, однако, рассматривать не только открытия в существующих областях науки, но и создание совершенно новых областей, которые вряд ли существуют в настоящее время. В 50-х годах Дж. Уотсону и мне нравилась гипотетическая наука астроботаника. Мы считали, что когда- нибудь она обретет черты реальности, но отнюдь не в близком будущем. Нам это представлялось настолько далеким, что могло служить предметом шуток, и самое удивительное здесь то, что сейчас эти исследования уже ведутся. В настоящее время нет данных, свидетельствующих, что мы можем встретиться с проявлениями жизни на Луне, и сомнительно, чтобы жизнь обнаружили на Марсе, но уже поставлены опыты с целью выяснить возможность выживания земных организмов в суровых условиях, имеющихся на небесных телах.

Я чувствую себя обязанным предложить новые направления исследований, которыми практически никто не занимается. Я хочу, например, предложить вашему вниманию биохимическую теологию. Неверно было бы думать, что прежде не изучали такие предметы, как сила молитвы. Так, в прошлом веке Ф. Гальтон написал забавную статью «Статистические исследования силы молитвы», в которой с помощью нескольких замысловатых статистических тестов показал, что молитва малоэффективна. В настоящее время, по-видимому, ни англиканская церковь, ни Ватикан не ведут работу в этом направлении. Но никто, насколько мне известно, не рассматривал эту проблему на биохимическом уровне. Верущих людей так много, что трудно поверить, чтобы все они не получали какого- либо удовлетворения от молитв. Можно полагать, что хороший молекулярный биолог объяснит это явление молекулярными механизмами. Это явление частично может включать молекулярную биологию синапсов и общую организацию нервной системы, но основным, по-видимому, является гормональное действие, и не удивительно, если в будущем установят, что уровень гормонов зависит от молитвы.

Я прихожу к заключению, что между сегодняшним днем и 2000 г. биологические исследования будут проводиться широким фронтом. Вероятно, к тому времени будет решено большое число проблем молекулярной и клеточной биологии. Некоторые важные общебиологические направления будут находиться на начальной стадии изучения, неизбежно будут достигнуты новые, непредвиденные и значительные успехи в изучении природы, которые сейчас даже трудно предвидеть. Короче говоря, вся область в целом в 2000 г. будет привлекать умы ученых еще больше, чем сегодня.

10 июня 1971 года.

содержание

Отзывы о статье (0) / +добавить