Наука: захватывающий поиск

Испытаем и исследуем пути свои. Плач. Иер. 3:40

Если мы хотим найти точки соприкосновения науки и Священного Писания, необходимо дать оценку обоим источникам информации. В этой главе мы рассмотрим несколько примеров, иллюстрирую­щих могущество науки Термин наука, за исключением особо оговорен­ных случаев, используется мною в значении процесса поиска истины и истолкования природных явлений.

Мы живем в эпоху беспрецедентного научного и технологического про­гресса, и большинство из нас признательны науке за все современные удобства. Удивительные приборы и приспособления свидетельствуют о действенности научных принципов. Каждый день мы ожидаем нового про­рыва в науке, размышляя о том, какое очередное открытие ученых сможет повысить качество нашей жизни. В этой главе сделаем краткий обзор не­которых весьма впечатляющих достижений научной мысли.

ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

В результате серии экспериментов, проведенных не так давно учеными Калифорнийского университета в Сан-Диего, были выведены растения, которые светятся в темноте. Никогда прежде у высших растений не на­блюдался феномен излучения света в результате биологической активно­сти (биолюминесценция). Определенное число организмов, включая обыч­ных светлячков, и особенно целый ряд морских животных действительно производят «холодное свечение» (не сопровождающееся сколь-нибудь зна­чительным выделением тепла) с помощью биохимических средств, но это явление не было известно у более развитых растений и животных. И вот теперь у нас есть светящееся в темноте табачное растение. Исследовате­ли выбрали табак, потому что его генетическая система хорошо изучена и у него имеется хороший носитель для передачи новой информации в его ДНК¹. Ученые вывели эту новую разновидность растения с помощью по­разительных методик генетической инженерии.

Генетическая инженерия — это одно из многочисленных научных направ­лений, поражающих нас своими успехами. Основа ее методологии заклю­чается во внедрении гена одного организма в наследственный аппарат дру­гого. В случае со светящимися табачными растениями исследователи вклю­чили ген фермента люциферазы, отвечающего за свечение у светлячков, в генетическую систему (ДНК) табака. При поливе соответствующими хими­ческими веществами (аденозина трифосфат и люциферин) растения начи­нали слегка светиться, показывая тем самым, что они усвоили ген люцифе­разы. Другие растения, политые такими же растворами, но без включения этого гена, не излучали света. У светящихся растений чуть ярче остальных частей светились корни, молодые лепестки и проводящие ткани.

Процесс переноса генов — это сложная манипуляция с основной на­следственной информацией, закодированной в длинных молекулах ДНК. Генетическая инженерия разработала методы, с помощью которых био­логи могут выделять секции ДНК у одного организма и переносить их в другой организм, где они будут воспроизводиться и функционировать. Перенос осуществляется с помощью вируса или плазмиды (специальной ДНК из бактерии) как носителя нужной ДНК. Эта комбинированная ДНК, называемая рекомбинантной, может переносить информацию между раз­ного рода организмами. В случае со светящимися табачными растениями исследователи совместили ген светлячка, отвечающий за фермент люци-феразу, с ДНК-«активатором» из вируса, вставили его в плазмиду, а затем уже ввели в табачные растения, которые обрели способность к свечению. Процедуры эти весьма сложные.

Столь заметные результаты имеют большое значение, не ограничиваю­щееся одним лишь получением новых, светящихся форм растительной жиз­ни. Поскольку свечение легко обнаружить, эта система позволяет распоз­навать и изучать поведение генов. Впрочем, можно только догадываться, какие бы открылись возможности, если бы людям удалось заставить све­титься все, что им хочется. Например, светящихся детей было бы легче искать в темном лесу! Биологи уже сообщают об определенных успехах, связанных с внедрением гена люциферазы в клетки обезьяны². Однако пер­спективы генетической инженерии, связанные со сложными формами жиз­ни, не столь уж радужны из-за их меньшей генетической гибкости.

Что касается более простых организмов, то генетическая инженерия уже записала на свой счет целый ряд впечатляющих успехов. Несколько необхо­димых в медицине крайне специализированных молекул, которые можно было получить только путем дорогостоящей и трудоемкой экстракции из живых организмов, теперь производят в больших количествах с помощью генетически измененных бактерий. Примером тому могут служить белковый интер-ферон, повышающий сопротивляемость человека к вирусным инфекциям, и гормон инсулин, контролирующий уровень сахара в крови. С помощью раз­личных манипуляций с генами гормона роста исследователи получают более крупных мышей и свиней, а также коров, производящих больше молока. Ис­пользуя генетическую инженерию, ученые создают новые виды сложных ферментов, участвующих в управлении химическими преобразованиями³.

Одно из самых ярких достижений в области генетики поможет в лече­нии различных болезней, связанных с иммунодефицитом. Люди, поражен­ные такими заболеваниями, не могут сопротивляться болезнетворным мик­робам и вынуждены пребывать в строго стерильной изоляции, как это было в случае с ребенком, который жил в защитной пластиковой оболочке и стал известен как «мальчик из пузыря». Не так давно исследователи взяли несколько клеток у двух девочек, больных иммунодефицитом, генетичес­ки изменили их и ввели девочкам обратно, тем самым обеспечив иммун­ную сопротивляемость, в которой они нуждались. Яркие достижения ге­нетиков в сельскохозяйственной сфере позволяют получать генетически измененные плоды, имеющие больший срок хранения, и растения, более устойчивые к вирусам и насекомым-вредителям.

Подобные успехи, однако, вызывают обеспокоенность относительно возможного отрицательного влияния, которое могут оказать новые разно­видности организмов на окружающую среду. К этой обеспокоенности нельзя относиться легкомысленно. Но в любом случае генетическая инже­нерия говорит нам о том, что наука — это могучий инструмент.

РАЗВИТИЕ ОРГАНИЗМОВ

Каким образом из одной-единственной клетки возникает сложнейший организм? И почему одна клетка, постепенно развиваясь, превращается в дождевого червя, а другая — в акулу? И хотя у нас нет ответов на все воп­росы, наука сделала несколько открытий, относящихся к данной области.

По крайней мере теоретически каждая клетка содержит ДНК, в кото­рой заложены инструкции по строительству всех частей организма, и каж­дая клетка обладает информацией по любой функции организма как еди­ного целого. Таким образом, клетка, являющаяся частью коры головного мозга, где протекает процесс мышления, содержит также инструкции, ка­сающиеся возникновения и роста ногтей. И все же каждая часть нашего тела развивается своим путем, в результате чего возникают сердечная мыш­ца, печень или зуб, как того требует полноценное функционирование орга­низма. Каким образом происходит это строго упорядоченное развитие?

Ученые выяснили, что различные части организма начинают приобре­тать присущие им черты еще на ранних стадиях развития. Большинство организмов возникает из одной клетки. У многих животных деление пер­вой клетки на две определяет будущие правую и левую половины организ­ма. Иногда две клетки разделяются и создают два полноценных организма, а не один. Поскольку каждая из них имеет одну и ту же полную наслед­ственную информацию, то они производят очень похожее потомство, та­кое, как однояйцевые близнецы. Броненосец, как правило, производит по четыре однояйцевых близнеца. Очевидно, каждая из самых первых кле­ток организма обладает способностью развиться в полноценный организм. И наоборот, едва возникший эмбрион амфибии можно разделить на от­дельные клетки, которые после воссоединения могут превратиться в один полноценный нормальный эмбрион.

Пролить свет на дифференциацию в развитии помогли некоторые ори­гинальные эксперименты. Самыми впечатляющими были опыты, проведен­ные над развивающимися лягушками⁴. Исследователи использовали южно­африканскую шпорцевую лягушку. Среди ее особенностей следует отме­тить способность взрослых особей регенерировать утраченные конечно­сти. По этой причине метод подрезки пальца на задней конечности для иден­тификации экспериментальных животных сопряжен с определенными трудностями, поскольку у них вскоре отрастает новый палец. В экспери­ментах с этими лягушками исследователи удаляли из икринок клеточные ядра, содержащие контролирующую ДНК, и заменяли их ядрами клеток более развитых форм. Ученые хотели определить, насколько успешно трансплантированные ядра от более взрослых животных будут контроли­ровать процесс развития зародышей. Было выявлено, что клеточные ядра у эмбрионов, находящихся на ранних стадиях развития, обладают гораздо большей способностью к получению нормальных головастиков, чем ядра, взятые у животных, находящихся на более поздних стадиях (на стадии пла­вающего головастика, например)⁵. Как сообщалось, в нескольких случаях в результате пересадки клеточных ядер, взятых из кишечника головасти­ка, появлялись способные к размножению взрослые особи; однако резуль­таты данных экспериментов оспариваются⁶. Клеточные ядра из кожи взрос­лых лягушек стимулировали развитие только до более рудиментарной ста­дии головастика⁷.

Научные периодические издания сообщили о крупном прорыве, касаю­щемся экспериментов с овцами. Большинство экспертов считали, что мле­копитающих невозможно клонировать. И хотя данный эксперимент про­ходил отнюдь не гладко, он действительно свидетельствует о прогрессе науки. Исследователи имплантировали ядро клетки из молочной железы шестилетней овцы в неоплодотворенную яйцеклетку от другой овцы, из которой предварительно удалили прежнее ядро. Затем они вживили но­вый «эмбрион» с генетической информацией из молочной железы в матку другой овцы, где он развился в нормальную особь, имеющую генетичес­кую информацию, идентичную той, что содержится в молочной железе ее шестилетней «матери»⁸. Потенциальные возможности, открывающиеся в связи с подобным успехом, просто необозримы.

С растениями работать проще. Специалистам в области физиологии ра­стений из Корнельского университета⁹ удалось получить культуру клеток из зрелой моркови в кокосовом молоке. В этой культуре клетки моркови образуют тканевую массу. Когда исследователи перенесли клетки из этих масс в твердую среду, они развились в полноценное, активное, зрелое ра­стение. Подобные результаты в очередной раз подтверждают гипотезу о том, что каждая клетка обладает информацией, необходимой для образо­вания полноценного организма.

Еще одной иллюстрацией достижений биологов может служить процесс соединения клеток двух отдельных организмов, находящихся на ранних ста­диях развития, для получения одной «смешанной» особи. Например, клетки едва возникших мышиных эмбрионов легко отделяются друг от друга. Когда исследователи совершают подобное над клетками мышиных эмбрионов, относящихся к двум разным видам, а затем соединяют их, то клетки этих эмбрионов сливаются и образуют единый организм. Если этот комбиниро­ванный эмбрион имплантировать другой самке, то он может развиться и в конечном итоге стать взрослой особью, имеющей смесь клеток от разных эмбрионов. Подобные организмы имеют четырех родителей вместо двух. Если у первых двух эмбрионов были гены, вызывающие разный окрас, то у некоторых потомков возникает пятнистая окраска, где каждый цвет унасле­дован от одного из родительских эмбрионов. Если два исходных эмбриона были разного пола, то некоторые потомки оказываются гермафродитами¹⁰.

Можно также вызывать эмбриональное развитие органов, не свойствен­ных данному организму, путем пересадки клеток, которые отвечают за фор­мирование этих органов. У эмбрионов на более поздних стадиях развития образование головы, туловища и хвоста стимулируется определенными клетками. Эксперименты над эмбрионами тритона показывают, что если исследователи пересаживают определенную часть одного эмбриона дру­гому, пересаженные клетки могут стимулировать формирование дополни­тельной головы. Следует отметить занимательный факт — пересаженная часть не становится головой нормального эмбриона, но остается частью первичной кишки организма.

Новая область исследования, работы в которой только начинаются, свя­зана с функцией гомеотических (содержащих гомеобоксы) генов, относя­щейся к развитию организма¹¹. Подобные гены влияют на развитие, и то, какой процесс они в данный момент контролируют, зависит от меняющейся среды, в которой находятся формирующиеся органы. Таким образом, развитие имеет сложный характер. Экспериментальное включение/выключе­ние этих генов может привести к возникновению причудливых организмов с лишними крыльями, глазами или усиками. Но столь сложные открытия су­лят большое будущее исследованиям процесса развития в целом.

Не менее удивительны достижения в области рождения и развития че­ловека. Процесс оплодотворения человеческой яйцеклетки сперматозои­дом в лабораторных условиях стал весьма обычной процедурой. Получен­ный таким образом организм можно затем имплантировать генетически неродственной женщине, которая на протяжении девяти месяцев будет служить суррогатным инкубатором для ребенка. Можно также заморозить человеческий эмбрион на восьмиклеточной стадии для хранения его в те­чение неопределенного времени, пока не наступит подходящий момент для его имплантации в суррогатную матку.

Подобные достижения, наряду с клонированием овец, ставят вопрос о кло-нировании людей. Эта возможность широко обсуждается в популярных из­даниях. Высказываются даже опасения, что диктаторы смогут клонировать себя до бесконечности, осуществив тем самым свою мечту о вечном правле­нии! Мы уже можем клонировать морковь, овец и, возможно, лягушек, и у нас есть научные данные, которые говорят о том, что людей можно клонировать из клеток взрослых организмов. В настоящее время разработана еще одна технология, позволяющая получать человеческие клоны, начиная с ранних стадий эмбрионального развития. Исследователи испытывают ее на эмбрио­нах, имеющих серьезные отклонения, во избежание проблем этического ха­рактера. Чтобы получить клон, можно разделить надвое эмбрион, находящий­ся на очень ранней стадии развития, — нечто подобное происходит в том слу­чае, когда естественным путем образуются однояйцевые близнецы. Одну по­ловину можно имплантировать для последующего ее развития, а другую — заморозить для многолетнего хранения. Если потребуется клон первого орга­низма, то можно задействовать замороженный идентичный образец, который имплантируется суррогатной матери. Однако нужно помнить, что человечес­кое существо — это не просто продукт его генетических формул. Наша сущ­ность определяется средой, свободой выбора и прочими факторами. Клони-рование развитого разума может оказаться гораздо более трудной задачей, чем подобная процедура с животными. Социальные, нравственные и этичес­кие вопросы, поднимаемые в связи с клонированием, весьма значительны, но столь же значителен и прогресс науки в целом.

ПОКОРЕННЫЕ ЭЛЕКТРОНЫ

Одним из самых главных достижений минувшего века можно смело на­звать миниатюризацию транзисторов и прочих электронных компонентов, таких, как диоды, резисторы и конденсаторы, умещающихся теперь в од-ном крошечном кремниевом кристалле, который представляет собой слож­ную, согласованную, интегральную схему, состоящую из миллионов фун­кциональных электронных элементов, каждый из которых свидетельству­ет о действенности принципов научной работы.

Рис. 161. Вид на марсианский ландшафт из посадочного модуля «Марс Пасфайндер» (ап­парель в левом нижнем углу, надувная оболочка в правом нижнем углу) Исследовательс­кий марсоход «Соджорнер» (на переднем плане) оборудован альфа-протонным рентгено­вским спектрометром, предназначенным для анализа марсианских горных пород. Подоб­ные достижения свидетельствуют об успехе науки и связанной с ней технологии.

Специалисты, разрабатывающие обычные интегральные схемы на плос­ких компьютерных чипах, получили прозвище «жителей двухмерного мира» у нового поколения технологов, создающих микроскопические двигатели на тех же самых плоских чипах. Невероятно, но факт: исследователи из Калифорнийского университета в Беркли сконструировали двигатели ди­аметром менее одной десятой миллиметра. В отличие от традиционных электромоторов, работающих на основе сил магнитного поля, эти двигате­ли используют эффект притяжения и отталкивания электростатических сил. И вновь мы видим принципы науки в действии. Ученые полагают, что подобные двигатели, помимо прочих сфер применения, будут полезны при работах по очистке мелких деталей и в микроскопических исследованиях. Их предлагают использовать даже в качестве крошечных роботов, пере­мещающихся в кровотоке человека и удаляющих холестерин из артерий. Фактов, свидетельствующих о действенности основных принципов на­уки, очень много. К упомянутым выше достижениям мы можем прибавить многочисленные продукты технологии, основанной на научных принци­пах, например, телевидение, персональные компьютеры, спутники, иссле­довательские космические аппараты (рис. 16.1), ядерные реакторы и про­чее. Едва ли стоит продолжать перечисление успехов и достижений на­уки. Она действительно обладает могучей силой.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Наука добилась таких успехов, что мы, люди, оказались в техногенной среде, которая грозит поглотить нас. В экспериментальной сфере наука принесла огромную пользу и заслуживает большого уважения. Любое огульное отрицание науки, исповедуемое некоторыми людьми, не имеет под собой никаких оснований. Однако это не значит, что у нее нет слабых мест.

ССЫЛКИ

1. Ow DW, Wood KV, DeLuca M, de Wet JR, Helinski DR, Howell SH. 1986. Transient and stable expression of the firefly luciferase gene in plant cells and transgenic plants. Science 234:856-859.

2. De Wet JR, Wood KV, DeLuca M, Helinski DR, Subramani S. 1987. Firefly luciferase gene: structure and expression in mammalian cells. Molecular and Cellular Biology 7(2):725-737.

3. Flam F. 1994. Co-opting a blind watchmaker. Science 265:1032, 1033.

4. a) Qurdon JB. 1968. Transplanted nuclei and cell differentiation. Scientific American 219(6):24-35; b) Gurdon JB, Laskey RA, Reeves OR. 1975. The developmental capacity of nuclei transplanted from keratinized skin cells of adult frogs. Journal of Embryology and Experimental Morphology 34:93-112; c) Gurdon JB. 1977. Egg cytoplasm and gene control in development. The Croonian Lecture, 1976. Proceedings of the Royal Society of London В 198:211 -247.

5. McKinnell RG. 1978. Cloning: nuclear transplantation in amphibia. Minneapolis: University of Minnesota Press, p. 101.

6. cm. McKinnell, pp. 110-112 (note 5).

7. Gurdon, Laskey, and Reeves (note 4b).

8. Wilmut I, Schnieke AE, McWhir J, Kind AJ, Campbell KHS. 1997. Viable offspring derived from fetal and adult mammalian cells. Nature 385:810-813.

9. a) Steward FC, withMapesMO, Kent AE, Halsten RD. 1964. Growth and development of cultured plant cells. Science 143:20-27; b) Steward FC. 1970. From cultured cells to whole plants: the induction and control of their growth and morphogenesis. The Croonian Lecture, 1969. Proceedings of the Royal Society of London В 175:1 -30.

10. a) Mintz В. 1965. Experimental genetic mosaicism in the mouse. In: Wolstenholrne GEW, O'ConnorM, editors. Preimplantation stages of pregnancy. Ciba Foundation Symposium. Boston: Little, Brown, and Co., pp. 194-207; b) Mintz B, Illmensee K. 1975. Normal genetically mosaic mice produced from malignant teratocarcinoma cells. Proceedings of the National Academy of Sciences U.S.A. 72:3585-3589.

11. Краткое описание гомеобокса ДНК дано в главе б.