Иосиф Абрамович Рапопорт (1912 — 1990)

Согласно нескольким справочным изданиям первым химический мутагенез открыл Владимир Владимирович Сахаров (1932). Называют и другие имена, например, М.Е. Лобашева, а на Нобелевскую премию за это открытие в 1962 г. были выдвинуты кандидатуры Иосифа Абрамовича Рапопорта и Шарлотта Ауэрбах. Где же истина?

В 1916 г. Н.К. Кольцов на заседании Общества Московского научного института представил план работ создаваемого Института экспериментальной биологии, куда включил проблему экспериментального видообразования. По его мнению, наиболее надежный путь к разрешению этой задачи намечался мутационной теорией - отсюда особый интерес Кольцова к проблеме экспериментального мутагенеза. Радиационный мутагенез был открыт Г. Меллером в 1927 г., за что в 1946 г. он получил Нобелевскую премию. Честь открытия химического мутагенеза принадлежит Кольцовской школе.

В 1938 г. Н.К. Кольцов писал: "В своих опытах с активацией партеногенетических яиц тутового шелкопряда (1931) я убедился, что при воздействии на яйца, защищенные непроницаемой для воды яйцевой скорлупой, такие сильно действующие вещества, как соли Hg, J, Ag, Mn, Fe, в ничтожных количествах проникают в плазму (...) и побуждают женское ядро к митотическому делению, выбрасыванию направительных телец и дроблению. В связи с этим наблюдением я предложил В.В. Сахарову применить кратковременное воздействие йодом, марганцем и другими, испробованными мною веществами к яйцам дрозофилы для искусственного воздействия на мутационный процесс дрозофилы. По этому методу В.В. Сахаровым и его учениками было проведено несколько исследований, давших в общем, по-видимому, положительные результаты". В.В. Сахаров, работая по замыслу Кольцова, использовал 10% раствор йода. По анализу видимых мутаций, сцепленных с полом, в потомстве второго поколения он нашел передаваемые по наследству новые мутации Notch, "дирижабль", "prune" и "темный". В пяти опытах было проанализировано потомство 47 самок: в первом поколении - 2186 особей и во втором - 4303. М.Е. Лобашев и Ф.А. Смирнов (1934) в качестве химического мутагена применили уксусную кислоту и на 1109 культурах дрозофилы во втором поколении выявили одну летальную мутацию: выход мутаций 0,090% в опыте против 0,086% в контроле. В итоговой статье (1938) Сахаров пишет: "До настоящего времени мы не имеем в руках такого химического фактора или специфической методики, которые могли бы позволить решать с их помощью какие либо из поставленных перед нами задач".

Параллельно с В.В. Сахаровым над проблемой химического мутагенеза в Кольцовском институте работал И.А. Рапопорт, которому удалось незадолго до начала Отечественной войны найти сильные химические мутагены, по своей эффективности не уступавшие действию ионизирующей радиации. Однако опубликовать свои первые результаты он не успел, потому что в июне 1941 г. ушел добровольцем на фронт. Его первая публикация, посвященная открытию химических мутагенов, "Карбонильные соединения и химический механизм мутаций" вышла в 1946 г., и за ней последовала серия статей в 1947 и 1948 гг. о новых сильных химических мутагенах. Эти работы, изданные на русском языке, в августе 1948 г. были "закрыты" на целое десятилетие вследствие решений "исторической" сессии ВАСХНИЛ, после которой генетика как наука в нашей стране была запрещена, а сам Рапопорт оказался безработным. Последующие его публикации, посвященные химическому мутагенезу, оказались возможными только через 12 лет.

В 1946 г. из печати вышла работа Ш. Ауэрбах и Дж. Робсона, так же посвященная открытию сильного химического мутагена. Это был иприт (горчичный газ). Предложение испробовать это вещество на мутагенную активность исходило от Робсона, который в начале Второй мировой войны изучал фармакологию военных отравляющих веществ. Сходство между ожогами, вызываемыми действием рентгеновского облучения и иприта, вместе с наблюдением, что иприт подавляет митозы в гормонально стимулированном влагалище у мышей, позволило ему предположить возможность радиомиметического действия иприта, и он обратился к генетику III. Ауэрбах. После испытания ряда производных горчичного газа на мутагенную активность в работах 1942-1944 гг. Ауэрбах и Робсон опубликовали в 1946 г. сообщение, в котором подтвердили данные о том, что иприт является сильным химическим мутагеном, вызывающим у дрозофилы 25% индуцированных мутаций. Проверка на мутагенную активность других отравляющих веществ не привела к успеху, т.е. исследователям не удалось найти закономерности, позволяющей планомерно выявлять новые эффективные химические мутагены.

Эта работа, опубликованная в "Nature", сразу стала достоянием мировой науки. Несмотря на столь различную судьбу авторов обоих циклов работ, приоритет открытия химического мутагенеза, согласно общепринятому мнению, принадлежит Рапопорту и Ауэрбах, и оба они были выдвинуты в качестве кандидатов на Нобелевскую премию, присуждение которой, однако, не состоялось вследствие особой позиции, занятой руководством нашей страны того времени.

В отличие от других исследователей И.А. Рапопорту принадлежит честь нахождения ключа к поиску эффективных химических мутагенов, поэтому его первый успех и все последующие открытия отнюдь не были делом случая. Интерес к этой проблеме появился у него в студенческие годы. По-видимому, это произошло под влиянием Н.К. Кольцова, который в 1932 г. (год публикации статьи В.В. Сахарова об открытии химического мутагенеза!) приехал в Ленинград и в лаборатории Насонова прочитал доклад о работах руководимого им института, что мы знаем из очерка Рапопорта "Кольцов, каким я его помню".

Из рассказов И.А. Рапопорта известно, что работать на дрозофиле в поисках химических мутагенов он начал самостоятельно на втором курсе ЛГУ и ко времени окончания университета уже представлял себе, в каком направлении необходимо было вести дальнейшие поиски. Его кандидатская работа не имела отношения к проблеме химического мутагенеза, которым он занимался параллельно и в некоторых отношениях как бы и подпольно. О том, что это было так, я могла судить уже по тому, что в лаборатории Дубинина Рапопорт своего секрета не открыл. Я не раз слышала, как В.В. Сахаров, приглашая Иосифа Абрамовича прочитать лекцию на генетической секции Московского общества испытателей природы, когда это стало возможно в конце 50-х годов, спрашивал: "Иосиф Абрамович, когда же Вы нам расскажете, как Вы открыли химический мутагенез?". Рапопорт в ответ только улыбался.

Н.К. Кольцов, видимо, также не был полностью посвящен в общую стратегию его поиска. О этом свидетельствует следующий абзац из докладной записки Кольцова о работах ИЭБ в 1938 г.: "В настоящее время изучается возникновение ненаследственных морфозов под воздействием различных химических веществ. Это влияние не имеет ничего общего с вызыванием химическими воздействиями генных мутаций, которое впервые было установлено работами нашего Института". Для "секрета", как мне кажется, были две причины. Во-первых, Рапопорт вел широкие нетрадиционные поисковые эксперименты и, вероятно, не хотел обсуждать незавершенного. Во-вторых, Н.К. Кольцов, обсуждая со своими сотрудниками эффективность различных методических подходов, высказывался против учета результатов по леталям, отдавая предпочтение видимым мутациям (как работал В.В. Сахаров). Иосиф Абрамович, скорее всего, не хотел терять времени на споры. Улыбка же выражала деликатность - ведь к концу 50-х годов можно было бы и прочитать его работы, но со времени их появления в печати до вопросов В.В. Сахарова прошло уже 10 тяжелейших лет.

Помимо разработки этих проблем до войны Рапопорт опубликовал ряд генетических исследований, посвященных другим актуальным проблемам того времени, в частности, он первый показал значение кислородного эффекта в механизме возникновения мутаций. Уже к началу 40-х годов он открыл ряд сильных химических мутагенов.

Рапопорт, равно как Сахаров и Ауэрбах, начинал свои исследования в то время, когда молекулярная природа хромосом и генов еще не была известна. Кольцов, а вслед за ним Сахаров и другие исследователи, в поисках химических мутагенов исходили из потребностей эволюционных концепций, т.е. пытались найти источники наследственных изменений, с которыми может работать естественный отбор в процессе видообразования. В.В. Сахаров и М.Е. Лобашев ссылаются на обобщения, сделанные Г. Меллером, Н.В. Тимофеевым-Рессовским и В.П. Эфроимсоном, что одной природной фоновой радиацией невозможно объяснить естественное мутирование. И.А. Рапопорт, прекрасно понимая значение дарвиновского естественного отбора, во главу угла ставил другую проблему - поиск химической структуры гена, а позже с помощью открытых им химических мутагенов - понимание работы генов в их нативном состоянии, противопоставляя свою концепцию чисто химическому подходу в анализе тонкого строения и функционирования генома.

В Отделе генетики Кольцовского института с помощью всего лишь одного общего для всей генетической лаборатории препаратора, который мыл пробирки и готовил корм для плодовых мушек, Рапопорт сделал все свои основополагающие открытия в области химического мутагенеза. В отличие от Сахарова и Ауэрбах он вел свои поиски на основе собственной оригинальной концепции, которую сам он не опубликовал, но ее можно извлечь при последовательном чтении его трудов. Среди множества обсуждаемых научных гипотез о химической природе генов и хромосом в то время, когда Рапопорт пришел в генетику, его внимание привлекли две из них: Н.К. Кольцова о хромосоме как гигантской белковой молекуле и Гольдшмидта о хромосоме и генах как ферментах. Их экспериментальную проверку он первоначально проводил в двух параллельных направлениях исследований.

Первое направление было посвящено проверке теории Гольдшмидта. Задача состояла в изучении реакции прижизненной инактивации ферментов in vivo в условиях, когда клетки еще не теряют способности к нормальному отправлению большинства своих функций, в частности,

способности к размножению. В поражающих своим размахом экспериментах И.А. Рапопорт проверяет действие соединений серебра, ртути, таллия и других тяжелых металлов, мышьяка, сурьмы, рутения, бора, фтора, галоидозамещенных кислот, роданистых и других соединений, селеноцианидов, этилендицианида, спиртов, аминосоединений, гидразина и семикарбазида, ненасыщенных кислот, гексоз, производных гуанина, альдегидов и кетонов жирного и ароматических рядов, в том числе формальдегида, аминофенола и множества других соединений, используя в качестве объекта дрозофилу. Для приобретения необходимых ему реагентов он входил в контакт со многими химиками, и они охотно ему помогали.

В этих опытах было получено около 50 фенокопий (или модификаций, или хемоморфозов, которые Н.К. Кольцов называет "фенотипическими генокопиями") - ненаследственных изменений, копирующих по своему морфологическому проявлению известные мутации. Фенокопий возникали в 100% случаев, не передавались по наследству и были специфичны для примененных веществ - при комбинации двух действующих агентов у одной особи воспроизводились все фенокопий, присущие каждому агенту. Было показано экспериментально in vivo, что вещества, вызывающие морфозы, действуют в эквимолярных количествах. Полученные результаты не подтвердили гипотезы Гольдшмидта. Они дали представление о том, что в состав морфогенов, химических посредников между геном и признаком, входят ферменты. Эти опыты позволили решить ряд принципиальных методических вопросов, таких как способы введения химических соединений в яйца дрозофилы, проблему проницаемости тканей для вводимых агентов, о действующих дозах и ряд других.

Самым главным из этого раздела работы, важным для дальнейшего направленного поиска химических мутагенов, был вывод о том, что механизмы возникновения модификаций и мутаций различны и что вещества, вызывающие морфозы, не индуцируют мутаций. Следует оговориться, что когда химические мутагены были найдены и испытывались на разных объектах, было установлено, что в зависимости от условий мутагены могут вызывать морфозы. Но первоначально этот вывод имел решающее значение - он позволил исключить из дальнейшего поиска всю неорганику и большой ряд органических соединений.

В полном виде большой труд с обобщением результатов этих исследований с интереснейшими литературными экскурсами и теоретическими обобщениями под названием "Феногенетический анализ независимой и зависимой дифференцировки" был подан в редакцию "Трудов Института цитологии, гистологии и эмбриологии" в феврале 1941 г. и одновременно к защите в качестве докторской диссертации в Ученый совет биологического факультета МГУ. Автору еще не исполнилось тогда и 29 лет. Диссертацию Рапопорт защитил 5 мая 1943 г., находясь временно, между боями, в Москве в качестве курсанта Военной академии им. М.В. Фрунзе. А вот в печати этот труд появился в августе 1948 г. во время лысенковской сессии ВАСХНИЛ, и сразу же весь тираж был изъят из продажи и впоследствии уничтожен. Он отражал один из необходимых этапов в открытии химического мутагенеза, на результаты которого Рапопорт ссылался в своих теоретических построениях до конца своей жизни. Он также был предтечей современной биологии развития и генетики развития, минимум на четверть века опережая представления современников.

Будучи уничтоженной, книга, естественно, в свое время не смогла оказать влияния на развитие этих областей знания. Переиздание ее через 45 лет в журнале "Онтогенез" может быть когда-нибудь привлечет внимание историков науки. Опираясь на эту работу, Рапопорт позже создал новое научное направление, которое он назвал "Токсикогенетика", актуальное и в наши дни в связи с экологическим неблагополучием в биосфере планеты. В этом труде содержится первое упоминание о парааминобензойной кислоте (ПАБК) как биологически активном веществе, играющем важную роль в процессах жизнедеятельности всего живого.

Второе направление, позволившее Рапопорту идентифицировать первые эффективные химические мутагены, включало поиск в биологической и химической научной литературе данных о веществах, независимо обладающих способностью взаимодействовать с белками, превращать токсины в анатоксины, действовать на антитела, вызывать полимеризацию белковых молекул, затрагивать антисептические свойства и др. Совокупность не менее четырех подобных положительных показателей принималась как критерий вероятности мутагенных свойств того или иного соединения. Подобранные таким образом вещества подвергались затем генетическому анализу и среди них были выявлены высокоэффективные мутагены. Первыми были формальдегид (12,2% индуцированных мутаций), уротропин и его различные соли; акролеины и другие альдегиды, окись этилена и гомологи, этиленимин и его производные, диэтилсульфат, диазометан, N-нитрозометилуретан и многие другие. При исследовании мутагенного действия диазометана был впервые описан механизм алкилирования - наиболее эффективной реакции в действии химических мутагенов. Эффективность мутагенов в этом цикле исследований, как и независимо от него в первоначальных опытах Шарлотты Ауэрбах, Рапопорт оценивал с помощью метода CLB, заимствованного из радиационной генетики. Метод состоит в обработке мутагенами зрелых сперматозоидов внутри тела взрослых самцов, дочери которых в первом поколении оказываются гетерозиготными по одной облученной Х-хромосоме. Отсутствие во втором поколении самцов с облученной хромосомой указывало на то, что связанная с полом леталь появилась в соответствующем сперматозоиде, т.е. количественная оценка мутагенного действия велась по учету леталей. Это позволяло работать с большой выборкой подопытных мух без изнуряющего труда. Эти результаты составили содержание статей 1947-1948 гг. С 1946 г. Рапопорт в соавторстве с микробиологами начал применение химических мутагенов в промышленной микробиологии.

Располагая достаточной выборкой найденных таким способом мутагенов, Рапопорт попытался отыскать новый более надежный критерий в поиске сильных химических мутагенов. Он его нашел в определенных особенностях физико-химической структуры органических молекул, среди них диполъный момент. Исследования этого цикла составили содержание третьего направления в открытии химических мутагенов. Они позволили исключить из дальнейших мутагенных поисков органические соединения с дипольным моментом выше 4 дебая. Теоретическое обоснование этого направления было дано И.А. Рапопортом в фундаментальном труде "Микрогенетика" (1965), изъятом из продажи и уничтоженном. Когда-нибудь историки науки найдут документы, объясняющие эту акцию. Одно известно, что без распоряжения ЦК КПСС уничтожить тираж уже выпущенной книги было нельзя. Четыре главы из этой книги в 1993 г. были включены нами в сборник избранных трудов И.А. Рапопорта "Открытие химического мутагенеза".

В системе выявленных физико-химических параметров И.А. Рапопортом были рассмотрены уже открытые им химические мутагены и найдены новые и, как он сам пишет, были идентифицированы "некоторые вероятностные контуры строения еще неизвестного основного генного поля, ответственного за свойства аутокатализа и митоза. Большинство мутагенов, используемых сейчас в селекции растений и животных, были получены с помощью последней схемы и укладываются в намеченные порядки интенсивного и очень интенсивного мутагенного действия. Чтобы открыть их, пришлось вести очень форсированный поиск, пренебрегая тщательным описанием десятков попутно открытых мутагенов, не уступавших или даже несколько превосходящих действие радиации".

Дипольные моменты сильных мутагенов, тринуклеотидов (триплетов) и неионизированных аминокислот оказались совпадающими (порядка 2,4-2,7 дебая), и стало ясно, что дипольные взаимодействия мутагенов и нормальных единиц аутокатализа играют важную роль при вмешательстве мутагенов в процессы синтеза ДНК. Становится также понятно, почему поиск мутагенов, опирающийся на свойства белков и, казалось бы, строго научно доказывающий, что гены - это белки (вывод, вытекающий из исследований второго направления и отраженный в статьях Рапопорта этого цикла), в конечном итоге оказался успешным. В силу совпадения дипольных моментов химических мутагенов, тринуклеотидов и аминокислот, предшественников синтеза ядерных белков, в частном случае - гистонов, мутагены взаимодействуют и с ДНК, и с ядерными белками. Белки, таким образом, в поисках химических мутагенов в исследованиях Рапопорта второго направления сыграли роль своеобразного "лоцмана". Результаты исследований третьего направления снимали противоречие между первоначальными выводами И.А. Рапопорта о химической природе гена и молекулярной биологией. Оторванный от экспериментальной базы в течение 10 лет, а также в силу уничтожения "Микрогенетики", Рапопорт был лишен возможности аргументировать эволюцию своих представлений в полном виде, и к дискуссии по этому вопросу он более не возвращался. Он использовал в своих дальнейших работах термины "нуклео-протеиновые гены" для эукариотов и "нуклеиновые гены" для прокариотов. Исследования третьего направления и широкое внедрение их результатов в практику народного хозяйства были выполнены Иосифом Абрамовичем в Институте химической физики АН СССР, куда его пригласил на работу в конце 1957 г. директор ИХФ академик Н.Н. Семенов.

Итак, на перекрестке множественных подходов Рапопорту удалось выявить большое число супермутагенов с действием на 2-5 порядков выше уровня спонтанных мутаций, с уникальными свойствами. Авторский обзор открытых им химических мутагенов, их свойств и главных практических достижений, выполненных с их помощью, представлен в Приложении VI.

Глубокое проникновение в свойства живой материи, сопутствующее разработке этой проблемы, позволяло И.А. Рапопорту в первых же сообщениях об открываемых им химических мутагенах предсказывать области эффективного их применения. Ученый нетрадиционного мышления, И.А. Рапопорт входит в когорту тех замечательных исследователей, кто сам прокладывает путь от крупнейшего научного открытия до очень широкого его внедрения в разные сферы человеческой деятельности. В основу каждого из этих направлений он закладывал новые теоретические и экспериментальные разработки, основывающиеся на его общей научной концепции и тактических подходах. Это объясняет, почему все связанные с его именем выходы в практику оказались столь плодотворными. Результаты работ его последователей обогащали теоретические представления И.А. Рапопорта в сфере глобальных проблем, таких как физико-химические основы и эволюция живой материи. Он работал над ними до последних дней своей жизни. Они еще не встретили к себе должного отношения.

Нельзя обойти молчанием атмосферу, в которой Рапопорт проводил свою гигантскую работу. Она осуществлялась вопреки постоянному противостоянию науке и культуре со стороны тех, кто поддерживал Лысенко, вопреки личному 15-летнему отлучению Иосифа Абрамовича от науки (война + лысенковщина), вопреки искусственному отрыву нашей науки от зарубежной; вопреки попытке дискредитации Рапопорта со стороны части нашей научной общественности, приведшей, в частности, к уничтожению "Микрогенетики"; вопреки, наконец, нежеланию государства серьезно отнестись к использованию в стране практических достижений ученого. Несмотря на выведение с помощью химических мутагенов новых высокопродуктивных, устойчивых к фитопатогенам, к неблагоприятным почвенным, погодным и климатическим условиям сортов практически всех основных сельскохозяйственных культур, особенно зерновых (стратегическое сырье), районированных и успешно выращиваемых в отдельных хозяйствах и целых областях, продовольственная проблема в целом по стране так и остается нерешенной.

Мне кажется, что в своей научной деятельности И.А. Рапопорт совершил не меньший подвиг, чем на войне и в защите генетики. Но не забудем, что это делалось не ради личного благополучия и личной славы, а ради истины, в которую он верил, и прежде всего ради пользы страны и живущих в ней людей.

О.Г.Строева