ОРЕНБУРГСКИЙ ПЕРИОД

C 1 сентября 1946 по апрель 1956 г. работал в Оренбургском Государственном педагогическом институте. С 1 сентября 1947 г. заведовал кафедрой ботаники, с 1955 г. — одновременно проректор института по научной части. Читал курсы лекций по биохимии, физиологии, анатомии и морфологии растений.

Надо отдать должное государству — жизнь в стране после такой войны и разрухи, которую только что пережила она за 1941–1945 годы, стала быстро налаживаться; почти сразу же были созданы благоприятные условия и для развития науки.

Здесь, в Оренбурге, состоялся мой первый этап самостоятельных исследований, которые я тогда решил посвятить белкам, нуклеиновым кислотам и формообразовательным процессам у растений. Для этого на кафедре создали неплохо оборудованную цитобиохимическую лабораторию и подобрали небольшой, прекрасно работающий коллектив. В его составе тогда были ассистент, затем доцент и заведующий кафедрой Н. В. Слепченко, а также студент, ассистент и, теперь уже давно, доктор биологических наук Ю. В. Перуанский.

Естественно, особенно в первые послевоенные годы, с материальным обеспечением лабораторных исследований наблюдались трудности, но мы постепенно преодолевали их. В первые и последующие годы «оренбургского периода» мне очень помог микроскоп с иммерсионной системой и другими приставками, который я купил в одной из аптек Берлина летом 1945 г. накануне демобилизации и отправки домой. Он дал мне возможность выполнить все цитохимические исследования и получить необходимые микрофотографии, использованные потом при защите докторской диссертации и помещенные в монографии.

Постепенно налаживалось дело и с приобретением другого научного и учебного оборудования.

Труднее приходилось моим коллегам в ВИРе, да и во всем ВАСХНИЛе, президентом которого тогда был Т. Д. Лысенко.

Пиком этой несуразной «научно-государственной» активности, втянувшей в себя немало и хороших биологов, стала «знаменитая» в своем роде августовская Сессия ВАСХНИЛ 1948 года под названием «О положении в биологической науке». Зловредные волны от этой сессии тогда раскатились по всей стране. Они коснулись и нашей кафедры, о чем мне не хотелось бы вспоминать.

Иногда, к сожалению, в такие дела вмешивались и местные «идеологи», даже других специальностей. Как-то после моего критического выступления на Ученом совете по поводу работ Ольги Лепешинской «О живом веществе» один доцент кафедры географии обвинил меня в консерватизме и отрицании диалектического материализма, да с таким шумом, что дело дошло до Обкома партии. К моему счастью, вскоре в центральной газете идеи Лепешинской были разгромлены и ее горячий поклонник географ посрамлен.

Но за этот период времени произошел один неприятный для меня эпизод: как-то я был вызван секретарем райкома партии, у него сидел высокий чин (кажется, полковник) из НКВД, который довольно бесцеремонно обратился ко мне с вопросом: «Как Вы оказались в Оренбурге?» Надо ли писать, как я был возмущен! И ответил: «Об этом Вы могли бы узнать из моей автобиографии в Институте»; посмотрев на его лицо, добавил, что, во всяком случае, раньше, чем он; что прадед мой — оренбургский казак Нежинской станицы, дедушка — крестьянин села Голубовки Бузулукского уезда, отец — учитель химии и биологии, был участником Первой мировой войны, а я вот — участник Второй, нашей Великой Отечественной. Так что почти с фронта я и оказался здесь, у себя на Родине. Хотел спросить его, был ли он на фронте, да, боясь скандала, помешал секретарь райкома, уже имевший опыт общения с еще «неостывшими» фронтовиками. Да и «гость», видно, понял, что произошла какая-то ошибка, но какая, я так и не узнал. Расстались дружелюбно. Я ушел на лекцию, по пути зашел к секретарю партбюро Института, рассказал ему, а он в ответ: «Есть у нас такие ябеды, даже догадываемся кто, но попробуй докажи! И таких случаев анонимной клеветы в нашем институте, к сожалению, немало».

Было и такое. Но в основном во всех отношениях обстановка в преподавательском и студенческом коллективе оставалась прекрасной, располагающей к педагогической и творческой деятельности. Особенно благотворное влияние на всех нас оказывали наши старейшие на биофаке коллеги, в их числе заведующий кафедрой зоологии профессор Райский, начавший здесь свою карьеру еще до революции, когда наше учебное заведение называлось Реальным училищем. В молодости он был «заядлым» рыбаком и охотником. По его рассказам, по забывчивости на обширных поймах реки Урал за свою жизнь он потерял (оставлял в кустах и не мог найти) несколько велосипедов. На этих поймах, на весенних и осенних охотах, немало времени провел и я.

Случился у нас здесь и один «охотничий казус». Как-то на осенней «гусиной тяге» мы, небольшая группа преподавателей пединститута, окончив охоту, при выходе из поймы увидели, что из-за бугра прямо на нас довольно низко летит стая гусей. Наиболее быстрой оказалась реакция у старейшего из нас охотника — заведующего кафедрой марксизма-ленинизма Г. А. Щеголева.

Однако радость от такой удачи была недолгой: стая свернула в сторону и неподалеку от нас села, а на бугре появилась бабушка с ближайшего хутора. Надо ли воспроизводить те слова, которыми она оценила нашу «охотничью удачу»?!

«Помирились» на том, что гуся этого мы у нее «купили» и попросили бабушку приготовить жаркое на всех, включая семью хозяйки.

От описаний сопутствовавших нам событий в Оренбурге вернемся к научным делам этого периода.

В наших исследованиях тогда особое внимание уделялось биологической роли нуклеиновых кислот — связи структурного состояния их молекул с функциональным состоянием органоидов, клеток и организма в целом, а главное — выяснению значимости нуклеиновых кислот в морфогенетических процессах в сопоставлении с другими биологическими молекулами, особенно с молекулами белка.

Здесь хотелось бы отметить, что до начала эпохи молекулярной биологии (первые годы «оренбургского периода» 1946–1953) функциональный облик нуклеиновых кислот представлялся еще довольно туманным. Аргументами в пользу их биологической важности в то время служили лишь такие факты, как сосредоточенность этих кислот в эмбриональных и регенерирующих тканях, железистых образованиях, репродуктивных органах и непременно в контакте с белками; еще только начали появляться публикации о способности их к трансформации наследственных свойств. Исключительно на этом основании в предложенной нами функциональной классификации биохимических соединений организма мы отнесли их к биологически активным конститутивным веществам протоплазмы. Уже на первых этапах исследований мы пришли к твердому убеждению, что все основные биологические (генетические и морфогенетические) функции нуклеиновые кислоты в организме выполняют только через белки. Это представление положено нами в основу изучения морфогенеза растений, неоднократно докладывалось на симпозиумах, защищено в докторской диссертации (1954) и опубликовано в нашей первой монографии: «Нуклеиновые кислоты и морфогенез растений» (М.: Высшая школа, 1959).

Фактически в те же годы зарождалась молекулярная биология, а белки и нуклеиновые кислоты становились первыми и главными ее объектами. Особенно важной и интересной для нас была история раскрытия природы молекул нуклеиновых кислот.

Началось это с открытия биохимиками и физиками структуры и биологической функции их молекул. При этом решающую роль в повороте методологии биологов, несомненно, сыграла расшифровка функций и организации молекулы ДНК. В памяти нашего поколения (30-е гг. и начало 40-х) еще сохранились остатки прежних представлений о так называемой «тимонуклеиновой кислоте» (с конца 19-го века источником получения ДНК был главным образом тимус животных) как о полимере тетрануклеотида, немногим сложнее крахмала.

Открытию ДНК в новом качестве предшествовали классические исследования Эрвина Чаргафа (1950) и Джеймса Давидсона (1955), которые показали ее специфичность для организмов по составу нуклеотидов и установили ряд строгих числовых отношений между нуклеотидами в ее молекуле. Они известны как «правила Чаргафа». Затем это легло в основу модели двуспиральной структуры молекулы ДНК: ее предложили биохимик Дж. Уотсон и физик Ф. Крик весной 1953 г.

Первое время ДНК находили только у животных, а РНК только у растений. Р. Фёльгену и Х. Розенбеку в 1924 г. посредством качественной микрохимической реакции удалось показать широкое распространение ДНК у растений. Окончательно общность ее для животных и растений биохимически доказали в 1936 г. А. Н. Белозерский и И. Дубровская.

По крайней мере до 1950 г. не существовало единого мнения о том, к какому классу молекул принадлежат гены. Модель Уотсона-Крика убедительно показала, что это ДНК.

Вскоре Дж. Кендрью расшифровал третичную структуру миоглобина, а Макс Перутц — четвертичную структуру гемоглобина. Был открыт матричный принцип биосинтеза молекул нуклеиновых кислот и белков, раскрыты механизмы молекулярного кодирования — универсального способа передачи генетической информации от ДНК белкам, выявлена молекулярная организация генома и в принципе решена проблема гена.

Все это произошло в течение первого десятилетия после опубликования двуспиральной модели ДНК, и 1953 стал годом отсчета молекулярной биологии.

Молекулярная биология как наука дала свойственные ей методы, в числе которых — внеклеточный матричный синтез белков, нуклеиновых кислот, клонирование гена, многочисленные варианты молекулярной гибридизации, рестрикционный анализ ДНК, перенос генов, или трансгеноз, и многие другие манипуляции с молекулами, открывшие новые пути и возможности генетического и филогенетического анализа в познании коренных процессов, лежащих в основе развития организма.

Одной из первоочередных задач молекулярной биологии того времени стало — выяснить механизм регуляции генной активности ДНК. Очевидно, что в каждый данный момент в клетке функционируют не все гены. Их действия строго упорядочены и подчинены определенной системе. Первыми такую систему для бактериальной ДНК предложили Ф. Жакоб и Ж. Моно (1964). Они показали, что нити ДНК, кроме структурных цистронов, имеют цистроны-операторы и регуляторы. Первые расположены непосредственно при структурных цистронах (обычно один оператор на серию цистронов). Они «разрешают» или «запрещают» транскрибирование иРНК структурными цистронами. Цистроны-регуляторы дают сигнал операторам, вырабатывая вещества-репрессоры. При этом вся система работает по принципу обратной связи: например, импульс на синтез фермента возникает при появлении в клетке соответствующего субстрата, который снимает репрессию оператора, и наоборот, избыток конечного продукта ферментативных реакций включает репрессор, тем самым подавляя функцию гена, продуцирующего ферменты.

В клетках высших организмов общая протяженность нитей ДНК во много раз больше, зато генетическая активность в ней составляет здесь лишь незначительную долю молекулы; остальная ее часть блокирована белками и неактивна.

Выяснением роли белков в регуляции генетической функции ДНК у растений мы начали заниматься с 1950-х годов. Сведения об этом докладывались и публиковались неоднократно, отмечу лишь, что основная часть исследований в этом плане была проведена в Уфе — уже на втором этапе моей научной биографии, где я на этом остановлюсь специально. А пока вернемся к истории развития молекулярной биологии. Ее методы и результаты их применения оказали весьма благоприятное влияние на развитие практически всех сфер биологии и обеспечили ей переход на молекулярный уровень и новую методологию мышления.

К современной молекулярной биологии приложимы все существующие ныне определения — это и наука, и методы, и уровень, и методология, и, несомненно, эпоха в истории развития биологии.

Преимущественно на базе молекулярной биологии возникли такие биотехнологии, как клеточная, хромосомная и генная инженерии, появление которых можно рассматривать как следующий этап большого подъема в биологии. От предыдущего его отличает резкое усиление внимания исследователей к надмолекулярным биологическим структурам и функциям, закономерностям биохимических и молекулярно-биологических процессов более высоких уровней организации жизни. На этом этапе ярче проявилась тенденция к поиску молекулярно-биологических и молекулярно-генетических механизмов интеграции биохимических реакций и метаболических путей в сложные жизненные функции, биологические свойства и хозяйственные признаки.

Роль белков и особенно нуклеиновых кислот в организме чаще рассматривают в связи с общебиологическими молекулярными процессами, свойственными всему органическому миру. Объясняется это тем, что они представляют собой обязательные структурные и функциональные ингредиенты протоплазмы. При этом мир растений, как и других автотрофных организмов, морфогенетически резко отличается от гетеротрофных: метаплазма и метаплазматические образования последних, как продукты вторичного, или специализированного, обмена, как правило, формируются за счет белков или азотсодержащих соединений; у растений и других автотрофов — за счет безазотистых соединений и веществ небелковой природы.

Автотрофное питание растений определило свойственные им характер формообразовательных процессов и направление эволюции растительного мира, поставив его, по словам К. А. Тимирязева, в центре всего живого как посредника между солнцем и жизнью на земле. Главную роль в таком расхождении жизненных форм сыграли условия углеродного и азотного питания. На протяжении всей истории развития растения имели неограниченный источник углерода в виде СО₂ атмосферы или карбонатов водной среды. Чаще всего неблагоприятные для растений условия возникали в отношении азотного питания, что очень резко сказалось на характере метаболизма и направлении морфогенетических процессов. Необходимость экономного расходования соединений азота стала причиной возникновения у растений впервые открытой и изученной Д. Н. Прянишниковым «аспарагиновой функции». По этой же причине в растительной клетке, в противоположность животной, основная масса азотистых соединений сосредоточена в сфере активных метаболических процессов, а метаплазма представлена структурами из безазотистых соединений типа целлюлозы, гемицеллюлоз, пектина, лигнина и т. д.

Как известно, у животных покровные, опорные и другие метаплазматические образования включают азотсодержащие и белковые субстанции — кератин, коллаген, эластин и пр.

Очевидно, что в органическом мире существует базовый, общебиологический обмен — общий для всех организмов. Различия между ними складываются в периоды специализированного (или вторичного) обмена, что внешне отчетливо выражено в структурной и функциональной дифференциации. При этом в характере и продуктах вторичного обмена проявляется генетическая и биологическая (видовая, родовая и т. д.) специфичность организма, основы которой заложены прежде всего в молекулах ДНК. В процессах метаболизма и в морфогенезе эти основы, как уже отмечалось, реализуются через белки.

Главным образом работы К. А. Тимирязева и Д. Н. Прянишникова привели нас к сравнительному анализу метаболизма и морфогенеза автотрофных и гетеротрофных организмов в связи с различиями у них по углеродно-азотному режиму и условиям жизни, обозначив морфогенез растений как автотрофогенез и охарактеризовав метаболизм как автотрофогенный.

Эти идеи я начал обдумывать еще в аспирантуре. Бывало, и на фронте, в моменты затишья, особенно при стоянии в обороне, иногда, в пылу ностальгических переживаний, удавалось выражать складывающиеся представления в таблицах и схемах, используя для этих целей непригодившиеся так называемые «немые» топографические карты. Некоторые из этих схем позднее вошли в монографии.

В ходе анализа литературных данных и результатов наших исследований становилось все более очевидным, что у растений нуклеиновые кислоты связаны с осуществлением как общих жизненных функций, свойственных всем организмам, так и функций, присущих только растениям. Последние приходятся на фазы клеточной дифференциации и специализированного обмена, когда идут процессы образования специализированных структур и продуктов вторичного обмена небелковой природы. Выход последних из сферы внутриклеточного обмена представляет собой процесс, сопряженный с активной деятельностью цитоплазмы и ядра, в которой первостепенную роль играют основные ингредиенты — белки и нуклеиновые кислоты. Это одно из проявлений обмена веществ в структурообразовании и заключает в себе характерное для растений направление в формообразовательных процессах, обусловленных исторически сложившимся способом углеродного питания. Он, несомненно, накладывает определенный отпечаток и на функциональную направленность нуклеиновых кислот, которая через белки реализуется в особенностях морфогенеза растений. Яркое подтверждение этому можно видеть хотя бы в следующем факте.

Как известно, структурную основу клеточной стенки, в зависимости от фазы развития и типа ткани, составляют безазотистые соединения — целлюлоза, гемицеллюлозы и т. д. Образование и развитие ее возможно лишь при наличии клеточного ядра. Это было доказано нами с большой тщательностью.

Кстати, одно время под влиянием «идей» О. Лепешинской о «живом веществе» Я. Е. Элленгорн, И. Е. Глущенко и др. (1951) «нашли», что у растений сосуды ксилемы образуются из безъядерных клеток. Нам это подтвердить не удалось. Более того, в центральных сосудистоволокнистых пучках корней гороха, тыквы, кукурузы и других культур, где сосуды особенно хорошо выражены, образующие их клетки имеют крупные политенные ядра.

После «целлюлозного перерождения» цитоплазмы и ядра функционирующая стенка сосуда ксилемы не отмирает. Она «подпитывается» через плазмадесмы пор контактирующими с ней обкладочными клетками с хорошо развитой протоплазмой, т. е. цитоплазмой и ядром.

Следует отметить, что стенки сосудов ксилемы по сравнению с клетками других тканей являются, пожалуй, наиболее сложными морфологическими структурами, развитие которых сопряжено с активной деятельностью цитоплазмы и ядра. Об этом свидетельствуют наличие в сосудообразующих клетках богатой РНК цитоплазмы, крупного ядра с высокополимерной ДНК и довольно крупного пиронинофильного ядрышка. Детально все это описано в монографии «Нуклеиновые кислоты и морфогенез растений» (1959), а также в пособии для университетов «Цитохимия и гистохимия растений» (1966).

Со всеми подробностями и соответствующими иллюстрациями я это изложил в докладе при защите докторской диссертации в 1954 году. Защита проходила в «конференц-коридоре» Института биохимии имени А. Н. Баха АН СССР. Позади членов Совета среди присутствующих сидели Я. Е. Элленгорн с «сородичами» по идее. Я ожидал их выступлений, но они не состоялись: или я доложил убедительно, или их смутили весьма положительные отзывы оппонентов и похвальные выступления моих консультантов по докторантуре — А. Н. Белозерского и П. А. Генкеля, а также председательствовавшего академика Н. М. Сисакяна.

Хочу отметить, что на Ученом совете этого же Института много лет спустя с успехом защищали докторские диссертации мои сыновья: в 1987 г. старший сын Алексей Васильевич на тему «Филогенетическая характеристика белков злаков» и в 1992 г. — младший, Александр Васильевич, на тему «Системы ингибиторов гидролаз у злаков — организация, функции и эволюционная изменчивость».

Сведения о роли нуклеиновых кислот в образовании специализированных, метаплазматических и экстрацеллюлярных структур у растений доложены также в 1957 г. на 2-м делегатском съезде Всесоюзного Ботанического общества (Ленинград) и на 9-м Конгрессе по биологии клетки в Сент-Эндрьюсе (Шотландия, 1957).

Названная выше монография «Нуклеиновые кислоты и морфогенез растений» фактически полностью охватывает содержание работ «оренбургского периода». В ней особое внимание уделено результатам наших разработок цитохимических методов оценки функционального состояния ДНК и клеточного ядра по характеру адсорбции метилового зеленого и пиронина: «пиронинофилия» служила нам показателем деспирализации и функционально активного состояния ДНК и клеточных ядер в самых разных аспектах физиологии и морфогенеза растений. В сочетании с биохимическими методами они оказались весьма полезными в изучении динамики нуклеиновых кислот в клетках эмбриональных и постоянных тканей в связи с особенностями их развития и функций.

Интересные сведения получили относительно поведения нуклеиновых кислот в условиях общего голодания растений и при дефиците по отдельным элементам или факторам питания, особенно на фоне тех или иных морфогенетических изменений. В этом плане весьма важные исследования проведены по влиянию света на нуклеиновые кислоты и морфогенез растений, описанные в главе 7-й. В главе 8-й показано, что недостаток азота и одностороннее фосфорное питание, подобно усиленному освещению и водному дефициту, способствуют проявлению у растений ксероморфизма через одно и то же звено в метаболизме — через нуклеиновый обмен. Эти исследования проведены вместе с моим первым учеником и помощником — Николаем Васильевичем Слепченко.

В заключительной (9-й) главе («Обмен веществ, гистогенез и функции нуклеиновых кислот у растений») рассматриваются такие вопросы как взаимоотношения между обменом веществ и процессами тканевой дифференциации, углеродно-азотное питание и направление гистогенеза у растений в истории их развития, функции нуклеиновых кислот растений и действие условий жизни на гистогенез. На с. 271 предложена «физиологическая (или функциональная) классификация биохимических соединений, составляющих тело растения», на фоне которой при осуществлении анализа растения или его структур (в том числе клеточных) по принципу, представленному на рис. 56, можно проводить сравнительное изучение динамики метаболизма, структурообразовательных процессов и направлений в морфогенезе. Этот принцип подхода к изучению биохимических основ морфогенеза растений в сочетании с цитохимическими и биохимическими методами позволил нам еще в начале 50-х годов прошлого века придти к заключению, что нуклеиновые кислоты участвуют в морфогенезе растений только через белки.

В общем заключении к монографии подчеркивается, что нуклеиновые кислоты причастны к осуществлению в организме важнейших жизненных функций, о чем свидетельствуют следующие факты: повсеместность распространения в органическом мире, сосредоточенность в наиболее ответственных органоидах клетки и в местах интенсивного роста и формообразовательных процессов в организме, первостепенная значимость в биосинтезе белков, постоянное взаимодействие их с конституционными белками цитоплазмы и ядра с образованием таких важнейших биомакромолекул, как рибонуклеопротеид рибосом и дезоксирибонуклеопротеид хромосом. К тому же связь между нуклеиновыми кислотами и белками еще и генеалогическая по происхождению: многие промежуточные продукты белкового обмена являются исходным материалом для синтеза их азотистых оснований — пуринов и пиримидинов.

Из совокупности имевшихся в то время сведений складывалось предположение, что нуклеиновые кислоты — суть порождение белков, бывших на ранних этапах происхождения жизни первичными. Нуклеиновые кислоты возникли как производные протобелковой системы древнейшей протоплазмы. Первыми из них появились рибонуклеиновые кислоты. Об этом свидетельствует хотя бы следующий хорошо известный факт: в метаболических системах современного органического мира наиболее распространены в качестве простетических групп ферментов и кофакторов метаболизма соединения, включающие рибозу, рибонуклеозиды и рибонуклеозидфосфаты; производные дезоксирибозы и дезоксирибонуклеозидов встречаются очень редко. Возможно, многие звенья современных метаболических систем формировались еще в эпоху «информационного царства» рибонуклеиновых кислот.

Некоторые исследователи полагают, что все началось с прорибосом, способных собирать аминокислотные блоки, обволакиваться белковоподобной массой и слипаться в колонии.

Появление ДНК было результатом дальнейшей дифференциации и специализации живой субстанции в направлении развития функций хранения, воспроизведения и адекватного распределения наследственного материала в потомстве. Это ознаменовало собой возникновение высшей точки в иерархии информационных систем организма. При этом РНК сохранила за собой функцию матрицы, приняв на себя роль посредника в передаче информации от ДНК белку и закрепив свое значение в организации высокоспециализированного и универсального рибосомального биосинтеза белка.

Как уже отмечалось, исследования на кафедре ботаники Оренбургского госпединститута обобщены в монографии «Нуклеиновые кислоты и морфогенез растений» (1959). Это был мой «оренбургский период научной жизни»: сентябрь 1946 — март 1956 г. Наметился переезд в Уфу: в начале апреля 1956 года меня перевели в систему АН СССР и назначили директором Института агробиологии Башкирского филиала Академии.

Было жаль покидать Оренбург, оренбургские степи, реку Урал с лугами и озерами, которые притягивали меня как охотника и любителя природы. В те годы особенно красивы были степи: когда-то сухие, теперь, в послевоенные годы, засаженные лесозащитными полосами, они ожили, в них появилось много самых разных птиц и зверей. (Интересно бы посмотреть, как эти степи и лесные полосы выглядят сейчас, ведь с тех пор прошло почти полвека). Весной и осенью над Уралом — стаи перелетных птиц! В отпускное время на «Москвиче»-кабриолете мы имели возможность посетить красивейшие места. Особенно интересны были поездки на поймы Урала, в Бузулукский бор и в родные Голубовские леса!

Что и говорить, тяжело было расставаться с кафедрой, факультетом и прекрасным коллективом всего Института.