«sztuczny»… nie oznacza to, że niedosięgły Bóg płata nam psikusy ze swej niezdobytej twierdzy w cytoplazmie gamety”.
LINIA CZASU
1910–1915
Morgan wykazuje chromosomowe
podstawy dziedziczenia
1927
Hermann Muller (1890–1967) wykazuje, że promieniowanie rentgenowskie może powodować mutacje
1943
Max Delbrück (1906–1981) i Salvador Luria (1912–1991) wykazują, że mutacja jest niezależna od doboru naturalnego
Nowoczesna syntetyczna teoria ewolucji pokazała, że duże mutacje nie są siłą ewolucji. Jednak bez zmian genetycznych żadna ewolucja nigdy by nie nastąpiła. Dobór naturalny i dryf mogą być procesami sprawiającymi, że pewne allele najpierw się rozprzestrzenią, ale allele te muszą w jakiś sposób różnić się od innych wariantów. Informacja genetyczna musi być wiernie kopiowana z pokolenia na pokolenie, aby cechy mogły być dziedziczone, ale niezbyt wiernie. Drobne błędy kopiowania – małe mutacje – dostarczają surowego materiału dla ewolucji, są iskrami mogącymi wzniecić ogień. Albo staną się płomieniem dzięki naturalnemu doborowi, albo będą się tlić podczas dryfu genetycznego, albo nie wzniecą ognia i zginą.
Doświadczenia T.H. Morgana nad Drosophila okazały się sukcesem dzięki przypadkowej mutacji: muszce o białych oczach. Jego zespół zwiększył szanse wykrycia takiego losowego zdarzenia przez krzyżowanie ze sobą milionów owadów, ale mutacje spontaniczne są tak rzadkie, że niezbędne były ogromne liczby osobników, aby móc je wychwycić. Bazowanie na szczęściu i czasie sprawiało, że badania te były niezwykle pracochłonne. Jednakże sposób przyspieszenia ewolucji w drodze indukowania mutacji wkrótce nadał badaniom nad Drosophila nowy kierunek.
Przełom nastąpił dzięki jednemu ze studentów Morgana – nowojorskiemu Żydowi Hermanowi Mullerowi. Był błyskotliwym teoretykiem, jego idee okazały się istotne dla wyjaśnienia prac o chromosomach, lecz ponieważ nie przeprowadzał samodzielnie doświadczeń, miał niewielki udział w publikacjach grupy. Zirytowany takim traktowaniem – był kłótliwym i trudnym we współpracy człowiekiem, choć jego biografowie sugerowali także, że stał się ofiarą antysemityzmu – Muller rozstał się ze swoim nauczycielem, aby przenieść się do Teksasu i rozpocząć pracę na własny rachunek.
Promieniowanie rentgenowskie Muller był zafascynowany zjawiskiem mutacji, a także niedawnymi osiągnięciami Ernsta Rutherforda w rozszczepianiu atomu. Podobnie jak atomy, geny powszechnie uważano za niepodzielne i niemutowalne. Jeśli w rzeczywistości możliwe było zmienienie formy atomu, to może dałoby się – rozważał – także wpływać sztucznie na geny i je zmieniać? W roku 1923 rozpoczął ekspozycje muszek owocowych na rad i promieniowanie rentgenowskie, by przetestować swą hipotezę.
Muller i Stalin
Jako żarliwy komunista, Muller przeniósł się w roku 1935 do pracy w Związku Radzieckim, gdzie rozwinął socjalistyczne podejście do eugeniki. Rozmnażanie selekcyjne – argumentował – można wykorzystać do inżynierii społecznej, aby wytworzyć nową klasę, bardziej skłonną do życia zgodnie z naukami Marksa i Lenina. Stalina to jednak nie poruszyło. Pod wpływem Trofima Łysenki uznał genetykę opartą na prawach Mendla i teorii Darwina za naukę burżuazyjną i rozpoczął karanie osób ją praktykujących. Współpracownik Mullera, Nikołaj Wawiłow, został aresztowany i późniejzmarł w gułagu. Muller uciekł, aby uniknąć tego samego losu.
Pierwsze doświadczenia niewiele wniosły. Chociaż promienie rentgenowskie zdawały się powodować mutacje, dowód był trudny do uchwycenia, ponieważ miały także działanie niepożądane – sterylizowały owady, uniemożliwiając sprawdzenie, co dzieje się z ich potomstwem. Jednakże w listopadzie 1926 Muller ostatecznie ustalił prawidłowe dawki promieniowania. Gdy poddawał samce much działaniu promieniowania rentgenowskiego, a następnie krzyżował je z dziewiczymi samicami, wydawały one na świat zmutowane potomstwo w niespotykanych ilościach. W ciągu kilku tygodni stworzył ponad 100 mutantów, o połowę więcej niż uzyskano wszystkich spontanicznych w ciągu wcześniejszych 15 lat.
Niektóre mutacje były letalne, ale wiele nie, i te właśnie były przekazywane wiernie kolejnym pokoleniom, tak jak przewidział Mendel. Muller zauważył pęknięcia w chromosomach much, co prawidłowo zinterpretował, twierdząc, że promieniowanie powoduje losowe zaburzenia w ich strukturze.
Często uzyskane zmiany są tak niszczycielskie, że powodują natychmiastową śmierć lub są tak szkodliwe, że szybko znikają z puli genowej. Ale czasami uzyskuje się niewielką „mutację punktową” w pojedynczym genie, która prowadzi do niewielkiej różnicy fenotypowej, która może rozprzestrzenić się w populacji w drodze doboru naturalnego czy dryfu genetycznego. Promieniowanie może spowodować to w sposób sztuczny i szybki w laboratorium. W naturze to samo osiąga się przez losowe błędy kopiowania lub przez ekspozycję na mutageny środowiskowe, takie jak promieniowanie ultrafioletowe lub pewne związki chemiczne.
Manipulacje genetyczne Muller natychmiast docenił wagę swego odkrycia. Nauka miała teraz narzędzie wprowadzania mnóstwa mutacji do organizmów laboratoryjnych, co znacznie poprawiło szybkość i wydajność badań genetycznych. Stała się pełnoprawną nauką badawczą. Wydawało się także, że skoro mutacje można indukować, to można także nimi manipulować.
Oznaczało to, że można sztucznie przyspieszyć ewolucję przez ekspozycję organizmów na promieniowanie, a następnie wybiórcze rozmnażanie mutantów o pożądanych cechach. Gdy Muller ogłosił swe teorie w serii wykładów publicznych pod koniec lat 20. XX wieku, został pierwszą sławą genetyki. Jako pierwszy wyobraził sobie potencjał modyfikacji genetycznych, na długo zanim pierwsze zbiory roślin modyfikowanych genetycznie (GM, genetically modified) zostały wyrwane przez Greenpeace1.
Eksperyment Lurii i Delbrücka
Mimo że to, jak ważne dla procesu ewolucji są mutacje, było wiedzą podstawową już w latach 40. XX wieku, pozostało jedno pytanie. Czy dobór naturalny po prostu zachowuje losowe mutacje, które okazały się korzystne, czy może presja selekcyjna powoduje, że mutacje mają większe prawdopodobieństwo pojawienia się? Salvador Luria i Max Delbrück rozwikłali to, wykonując doświadczenie z bakteriami i wirusami je atakującymi. Stwierdzili, że mutacje, które uodporniają bakterie na fagi, pojawiały się losowo z dość stałą częstością niezależnie od presji selekcyjnej. Mutacje zachodzą niezależnie od doboru naturalnego, a nie z jego powodu.
Muller proponował użycie promieniowania do wytwarzania nowych odmian hodowlanych; inni naukowcy niebawem udowodnili, że powoduje ono dziedziczne mutacje u kukurydzy. Mutageneza wywołana promieniowaniem rentgenowskim jest wykorzystywana po dziś dzień w taki sam sposób, aby stworzyć nowe odmiany hodowlane roślin (mimo swego nienaturalnego pochodzenia, takie uprawy są w pełni akceptowane przez rolnictwo ekologiczne, choć inne podejścia do manipulacji genetycznych, co dziwne, nie). Muller zasugerował istnienie potencjalnych innych zastosowań w medycynie i przemyśle, co rzeczywiście się stało. Wymyślił nawet, że sztuczne mutacje można wykorzystać do kierowania, w pozytywny sposób, ewolucją człowieka.
Niebezpieczeństwa promieniowania Ta ostatnia idea będzie wymagała jednak mniej ryzykownych sposobów indukcji mutacji niż promieniowanie rentgenowskie. Następną implikacją odkryć Mullera była obserwacja, że promieniowanie nie ma korzystnego czy neutralnego wpływu na geny. Większość mutacji zachodzących w DNA (zob. rozdz. 7) nie jest nieszkodliwa, czyli neutralna, lecz katastrofalna: znaczna część zmutowanych much Mullera padła, a inne były niepłodne. U organizmów żyjących dłużej niż Drosophila, łącznie z ludźmi, ten rodzaj uszkodzeń genetycznych powoduje raka. Muller rozpoczął kampanię publiczną uświadamiającą zagrożenia wynikające z ekspozycji na promieniowanie, na przykład dla lekarzy przepisujących leczenie promieniowaniem rentgenowskim.
Genetycy